Gesundheit, „Quantum Metabolic Avatar“: Der digitale Zwilling des Stoffwechsels ist da

Zum ersten Mal wurde mithilfe von Quantenalgorithmen ein menschlicher Stoffwechsel-Avatar erstellt, um alle möglichen biochemischen und metabolischen Reaktionen in unserem Körper zu untersuchen. Dies ermöglicht die Entwicklung personalisierter Avatare für Patienten mit verschiedenen Krankheiten, von Diabetes bis Fettleibigkeit, an denen Therapien getestet werden können, um die beste auszuwählen. Im Wesentlichen handelt es sich um einen „digitalen Zwilling“ , der lernt, sich anpasst und simuliert, wie unser Körper funktioniert, wenn wir essen, uns bewegen oder unseren Lebensstil ändern. Der sogenannte „Quanten-Stoffwechsel-Avatar“ wurde vom Team von Professor Giuseppe Maulucci entwickelt, außerordentlicher Professor für Physik im Bereich Biowissenschaften, Umwelt und kulturelles Erbe und Leiter des Labors für Metabolische Intelligenz am Institut für Neurowissenschaften der Katholischen Universität Rom. Dies ist das Ergebnis einer in Expert Systems with Applications veröffentlichten Studie, die in Zusammenarbeit mit Kollegen vom UOC Physics for Life Sciences der Fondazione Policlinico Universitario A. Gemelli IRCCS unter der Leitung von Professor Marco De Spirito , ordentlicher Professor für Physik für Biowissenschaften, Umwelt und kulturelles Erbe an der Katholischen Universität, durchgeführt wurde. De Spirito erklärt: „Quantencomputing hat derzeit nur sehr wenige praktische Anwendungen in der realen Welt und noch weniger im Bereich der Medizin. Dieses Projekt stellt eines der ersten konkreten Beispiele für die Verwendung von Quantencomputing mit realen physiologischen Daten dar, mit potenziellen direkten Auswirkungen auf die Gesundheit der Menschen. Es ist ein Meilenstein, der nicht nur einen wissenschaftlichen Fortschritt darstellt, sondern auch einen Schritt in Richtung personalisierter, prädiktiver und intelligenter Medizin.“ Zur Gruppe gehören junge Forscher der Katholischen Universität und der Fondazione Policlinico Universitario A. Gemelli IRCCS Cassandra Serantoni, Michele Maria De Giulio, Alessia Riente sowie Industriepartner, die sich mit der Entwicklung von Technologien für die digitale Gesundheit befassen ( Stefano Capezzone, Rosita Esposito, Fastal SrL und Chirale SrL).

Der Quantum Metabolic Avatar ist ein intelligentes Modell, das mit realen Daten von realen Menschen betrieben wird. Das Besondere daran ist jedoch, dass er nicht auf klassischer künstlicher Intelligenz basiert, erklärt Maulucci. „Wir haben ihn auf den Spuren der Quantenmechanik laufen lassen, mithilfe von Quantencomputern, die jetzt über Cloud-Verbindungen verfügbar sind. Stellen Sie sich ein „Superhirn“ vor, das nicht linear denkt, sondern viele Szenarien gleichzeitig erkunden kann, als würde es alle möglichen Stoffwechselverläufe auf einen Blick erfassen“, fügt er hinzu. „In unseren Stoffwechsel-Avatar geben wir tägliche Informationen ein: die Ernährung einer Person, wie viel sie sich bewegt, wie sich ihr Gewicht verändert. Und das System versucht, eine Woche im Voraus vorherzusagen, wohin sich ihr Körper bewegt. Es ist wie ein Stoffwechselnavigator: Anstatt Ihnen die Route mit dem Auto zu zeigen, sagt es Ihnen, wohin Ihr Stoffwechsel gehen wird, wenn Sie dieser Straße weiter folgen. Und das Schöne daran ist, dass dieses System selbst aus kleinen Datenmengen lernen kann, selbst wenn die Daten „schmutzig“, unvollständig und unregelmäßig sind – genau wie im echten Leben.“ Während klassische Algorithmen umfangreiche und organisierte Daten benötigen, um gute Ergebnisse zu liefern (wie ein Zug auf perfekten Gleisen), verhalten sich Quantenalgorithmen eher wie ein Geländewagen, der auch auf unebenem Gelände vorankommt. „schwierig, und alternative Routen zu sehen.“

Während ein klassischer Algorithmus einem Zug gleicht, der auf einem einzigen Gleis fährt und jeweils nur eine mögliche Lösung erkundet, gleicht ein Quantenalgorithmus einem magischen Zug, der gleichzeitig auf allen Gleisen fahren und alle möglichen Lösungen eines Problems parallel erkunden kann. Möglich wird dies durch zwei außergewöhnliche Eigenschaften der Quantenphysik: Superposition und Verschränkung, erklärt der Professor. Ein Qubit, die grundlegende Informationseinheit eines Quantencomputers (das Quantenäquivalent eines Bits), ist nicht einfach an oder aus, 0 oder 1, wie in herkömmlichen Computern. Ein Qubit kann sich gleichzeitig in einer Kombination beider Zustände befinden: Das ist Superposition. Es ist, als könnte man bei einem Quiz alle Antworten gleichzeitig auswählen und darauf warten, dass die Realität oder eine Messung die richtige Antwort offenbart. Und wenn mehrere Qubits eng miteinander verbunden sind, bleibt ihr Verhalten auch bei physischer Trennung verknüpft. Es ist, als würden zwei Musikinstrumente, selbst in verschiedenen Räumen, in perfekter Harmonie spielen, ohne kommunizieren zu müssen: Wechselt eines den Ton, folgt das andere sofort. Dieses Phänomen, Verschränkung genannt, ermöglicht es Quantenalgorithmen, komplexe Beziehungen zwischen Daten zu erfassen, die sich klassische Modelle nicht einmal vorstellen können. In ihrer Arbeit gingen die Experten von realen physiologischen Daten aus: zum Beispiel von den Nahrungsmitteln, die eine Person zu sich nahm, ihrem Energieverbrauch und ihrer Gewichtsveränderung in den letzten sieben Tagen. Diese Daten werden in eine „Quantenform“ umgewandelt: kodiert in verschiedenen Wahrscheinlichkeiten innerhalb eines Quantenzustands. Diese Informationen werden dann von Quantencomputern „metabolisiert“, und das Ergebnis ist ein „Quantenvektor“, „d. h. eine Reihe von Wahrscheinlichkeiten, die uns sagen, in welche Richtung sich der Stoffwechsel einer Person bewegt. So kann er uns beispielsweise sagen, wie viel sie in einer Woche wiegen wird, ob sie sich in einer Phase befindet, in der ihr Körper dazu neigt, Energie zu speichern oder zu verbrennen, ob ihre fettfreie Körpermasse zunimmt oder ob sich ihre Mikrobiota verändert“, erklären sie. „Es handelt sich um eine intelligente Vorhersage, die auf einer zeitlichen Dynamik aufbaut, die die Vergangenheit nicht einfach wiederholt, sondern sie interpretiert, um mögliche Zukunftsszenarien zu generieren, die alle parallel ausgewertet werden. In der Praxis ermöglicht es uns, mehrere Wege gleichzeitig zu erkennen und denjenigen auszuwählen, der die biologische Realität jedes Einzelnen am besten widerspiegelt .“

Das Ziel ist, dass jeder Mensch seinen eigenen Stoffwechsel-Avatar hat – ein Modell, das ihn dynamisch und einzigartig repräsentiert. Dieser digitale Zwilling könnte uns helfen, komplexe Fragen zu beantworten, wie zum Beispiel: „Warum nimmt diese Person leicht zu, obwohl sie wenig isst? Warum fällt es jemand anderem schwer, trotz Diät abzunehmen? Welches Medikament wäre für ihren Stoffwechsel am besten geeignet? Welche Diät könnte sie vor zukünftigen Krankheiten schützen?“ „In diesem Sinne wird unser Avatar zu einem Verbündeten der Präzisionsmedizin. Keine Standardbehandlungen mehr, sondern maßgeschneiderte Strategien, wie ein maßgeschneiderter Anzug, der auf den Körper und die Biologie jedes Einzelnen zugeschnitten ist. Wir könnten diese Modelle auch nutzen, um die Wirkung neuer Medikamente oder Nahrungsergänzungsmittel digital in silico zu testen, bevor sie einem Patienten verabreicht werden. Nicht um klinische Studien zu ersetzen, sondern um sie schneller, gezielter und sicherer zu machen.“ „Wir haben unseren Avatar bereits anhand realer Daten getestet, die von Menschen erhoben wurden, die täglich mit intelligenten Waagen, tragbaren Geräten und Apps überwacht wurden. In fast allen Fällen übertraf das Quantenmodell das klassische Modell hinsichtlich der Genauigkeit, insbesondere bei spärlichen oder verrauschten Daten. Das ist ein sehr starkes Signal: Diese Systeme könnten in realen klinischen Umgebungen, in denen Daten nie perfekt sind, tatsächlich funktionieren“, erklärt Maulucci. Die nächsten Schritte sind spannend. „Wir wollen den Avatar auf andere Stoffwechselprozesse ausweiten, wie zum Beispiel das Verhalten von Glukose, Lipiden oder der Darmmikrobiota. Darüber hinaus wollen wir eine generalisierte Version entwickeln, die auch bei neuen Menschen funktioniert, selbst wenn uns keine detaillierten historischen Daten vorliegen. Ziel ist es, ihn praxisreif zu machen, als Unterstützungsinstrument für Kliniker und Patienten“, fügt er hinzu. Der Quantum Metabolic Avatar ist eines der ersten Beispiele für die Anwendung von Quantencomputing auf realen, physiologischen Daten im Zusammenhang mit der täglichen Gesundheit von Menschen. Im Vergleich zur klassischen künstlichen Intelligenz, die bereits heute in Krankenhäusern eingesetzt wird, braucht Quanten-künstliche Intelligenz noch Zeit, um sich weit verbreitet zu verbreiten. Doch diese Zeit hat jetzt begonnen und liegt nicht in ferner Zukunft: Sie hat bereits begonnen.