Здоровье, «Квантовый метаболический аватар»: цифровой двойник метаболизма уже здесь

Впервые с помощью квантовых алгоритмов был создан метаболический аватар человека для изучения всех возможных биохимических и метаболических реакций в нашем организме. Это позволяет разрабатывать персонализированные аватары для пациентов с различными заболеваниями, от диабета до ожирения, на которых можно тестировать методы лечения и выбирать наиболее подходящую. По сути, мы имеем дело с «цифровым двойником» , который обучается, адаптируется и имитирует функционирование нашего организма, когда мы едим, двигаемся или меняем образ жизни. «Квантовый метаболический аватар» был разработан командой профессора Джузеппе Маулуччи , доцента кафедры физики наук о жизни, окружающей среде и культурном наследии и директора Лаборатории метаболического интеллекта на кафедре нейронаук Римского католического университета. Это результат исследования, опубликованного в журнале Expert Systems with Applications, проведенного в сотрудничестве с коллегами из отделения физики для наук о жизни при Университетском поликлиническом центре имени А. Джемелли (IRCCS) при Католическом университете (UCO) под руководством профессора Марко Де Спирито , профессора физики для наук о жизни, окружающей среды и культурного наследия Католического университета. Он поясняет: «В настоящее время квантовые вычисления имеют очень мало практических применений в реальном мире, а в области медицины — еще меньше. Этот проект представляет собой один из первых конкретных примеров использования квантовых вычислений на реальных физиологических данных, что может иметь прямое влияние на здоровье людей. Это важная веха, которая знаменует собой не только научный прогресс, но и шаг к персонализированной, предиктивной и интеллектуальной медицине». В состав группы входят молодые исследователи из Католического университета и Fondazione Policlinico Universitario A. Gemelli IRCCS Кассандра Серантони, Мишель Мария Де Джулио, Алессия Риенте , а также промышленные партнеры, занимающиеся разработкой технологий цифрового здравоохранения ( Стефано Капеццоне, Розита Эспозито, Fastal SrL и Chirale SrL).

«Квантовый метаболический аватар» — это интеллектуальная модель, работающая на основе реальных данных реальных людей, но её особенность в том, что она не основана на классическом искусственном интеллекте, объясняет Маулуччи. Мы создали её по законам квантовой механики, используя квантовые компьютеры, которые теперь доступны через облачные соединения. Представьте себе «супермозг» , который мыслит нелинейно, а может одновременно исследовать множество сценариев, словно одним взглядом просматривая все возможные пути метаболизма», — добавляет он. «В наш метаболический аватар мы ежедневно вводим информацию: рацион человека, количество его движений, изменение веса. И система пытается предсказать, куда движется его тело на неделю вперёд. Это как метаболический навигатор: вместо того, чтобы указывать вам маршрут на машине, она подсказывает, куда направится ваш метаболизм, если вы продолжите движение по этой дороге. И прелесть в том, что эта система может учиться даже на небольшом объёме данных, даже если эти данные «грязные», неполные и нерегулярные, как в реальной жизни». В то время как классическим алгоритмам для получения хороших результатов нужны обильные и организованные данные (как поезд на идеальных рельсах), квантовые алгоритмы ведут себя скорее как внедорожник, способный передвигаться даже по неровной местности. «Трудно и видеть альтернативные маршруты».

Если классический алгоритм подобен поезду, движущемуся по одному пути и исследующему только одно возможное решение за раз, то квантовый алгоритм подобен волшебному поезду, способному одновременно двигаться по всем путям, параллельно исследуя все возможные решения задачи. Это возможно благодаря двум выдающимся свойствам квантовой физики: суперпозиции и запутанности, объясняет профессор. Кубит, базовая единица информации в квантовом компьютере (квантовый эквивалент бита), не просто находится в состоянии «включено» или «выключено», 0 или 1, как в традиционных компьютерах. Кубит может находиться в комбинации обоих состояний одновременно: это суперпозиция. Это как в викторине, где можно выбрать все ответы одновременно, ожидая, когда реальность или измерение подскажут правильный. И тогда, когда несколько кубитов тесно взаимосвязаны, даже если вы физически разделите их, их поведение остаётся связанным. Это как если бы два музыкальных инструмента, даже находящиеся в разных комнатах, играли в идеальной гармонии без необходимости общения: если один меняет ноту, другой мгновенно следует за ним. Это явление, называемое запутанностью, позволяет квантовым алгоритмам улавливать сложные взаимосвязи между данными, которые классические модели даже не могут себе представить. В своей работе эксперты начали с реальных физиологических данных: например, о продуктах, которые ел человек, его расходах энергии, об изменении его веса за последние семь дней. Эти данные преобразуются в «квантовую форму» : кодируются в различных вероятностях внутри квантового состояния. Затем эта информация «метаболизируется» квантовыми компьютерами, и результатом становится «квантовый вектор», «то есть набор вероятностей, которые указывают нам, в каком направлении движется метаболизм этого человека. Например, он может сказать нам, сколько он будет весить через неделю, находится ли он в фазе, когда его организм склонен запасать или сжигать энергию, увеличится ли его мышечная масса или изменится ли его микробиота», — объясняют они. «Это интеллектуальное предсказание, основанное на временной динамике, которое не просто повторяет прошлое, но интерпретирует его для создания возможных вариантов будущего, оцениваемых параллельно. На практике это позволяет нам видеть несколько путей одновременно и выбирать тот, который лучше всего отражает биологическую реальность каждого человека ».

Цель состоит в том, чтобы у каждого человека был свой собственный метаболический аватар – модель, которая представляет его в динамичном, уникальном свете. Этот цифровой двойник мог бы помочь нам ответить на такие сложные вопросы, как: «Почему этот человек легко набирает вес, несмотря на то, что мало ест? Почему кто-то другой с трудом теряет вес, несмотря на диету? Какое лекарство лучше всего подойдет для его метаболизма? Какая диета может защитить его от будущих заболеваний?» «В этом смысле наш аватар становится союзником прецизионной медицины. Это уже не стандартные методы лечения, а индивидуальные стратегии, подобные костюму, сшитому под тело и биологию каждого человека. Мы также могли бы использовать эти модели для цифрового тестирования эффектов новых лекарств или добавок in silico, ещё до того, как они будут назначены пациенту. Не для того, чтобы заменить клинические испытания, а для того, чтобы сделать их более быстрыми, целенаправленными и безопасными». «Мы уже протестировали наш аватар на реальных данных, полученных от людей, ежедневно наблюдавшихся с помощью умных весов, носимых устройств и приложений. Практически в каждом случае квантовая модель превзошла классическую по точности, особенно при разрозненности или зашумленности данных. Это очень важный сигнал: такие системы действительно могут работать в реальных клинических условиях, где данные никогда не бывают идеальными», — объясняет Маулуччи. Следующие шаги очень интересны. «Мы хотим распространить аватар на другие метаболические процессы, такие как поведение глюкозы, липидов или микробиоты кишечника. Более того, мы хотим создать обобщённую версию, которая сможет работать и на новых людях, даже если у нас нет подробных исторических данных. Цель — подготовить её к практическому применению в качестве вспомогательного инструмента для врачей и пациентов», — добавляет он. Квантовый метаболический аватар — один из первых примеров использования квантовых вычислений на реальных физиологических данных, связанных с повседневным здоровьем обычных людей. По сравнению с классическим искусственным интеллектом, который уже сегодня применяется в больничных отделениях, квантовому искусственному интеллекту ещё нужно время, чтобы стать широко распространённым. Но это время уже началось, и оно не в далёком будущем: оно уже идёт.