腦癌染色體。圖片來源：NCI 癌癥研究中心

算法有助于研究相對簡單的動作如何導(dǎo)致復(fù)雜的行為，從癌癥生長到投票模式。

VMB1000 系列生物顯微鏡（可充電LED光源）

從產(chǎn)生癌癥的生化反應(yīng)，到在社交媒體上病毒式傳播的最新模因，簡單的動作可以產(chǎn)生復(fù)雜的行為。然而，對于試圖理解這些緊急行為的研究人員來說，復(fù)雜性可能會對當(dāng)前的計算方法造成負(fù)擔(dān)。

現(xiàn)在，一組研究人員開發(fā)了一種新算法，可以作為分析生物系統(tǒng)模型的更有效方法，從而為理解構(gòu)成這些系統(tǒng)的決策電路開辟了一條新途徑。研究人員補(bǔ)充說，該算法將幫助科學(xué)家研究相對簡單的行為如何導(dǎo)致復(fù)雜的行為，例如癌癥生長和投票模式。

賓夕法尼亞州立大學(xué)物理學(xué)博士生 Jordan Rozum 說，所使用的建?？蚣苡刹紶柧W(wǎng)絡(luò)組成，這些網(wǎng)絡(luò)是開或關(guān)節(jié)點(diǎn)的集合。例如，布爾網(wǎng)絡(luò)可以是相互作用基因的網(wǎng)絡(luò)，這些基因要么在細(xì)胞中打開——表達(dá)——要么關(guān)閉。

“布爾網(wǎng)絡(luò)是捕捉系統(tǒng)本質(zhì)的好方法，”Rozum 說。“有趣的是，這些非常豐富的行為可以通過將很少的開關(guān)耦合在一起產(chǎn)生——一個開關(guān)被切換，然后它切換另一個開關(guān)，這可能會導(dǎo)致大量的效果，然后反饋到原始開關(guān)。我們可以從簡單的耦合中獲得非常有趣的復(fù)雜行為。”

“布爾模型描述了信息如何通過網(wǎng)絡(luò)傳播，”賓夕法尼亞州立大學(xué)埃伯利科學(xué)學(xué)院物理學(xué)和生物學(xué)杰出教授、計算與數(shù)據(jù)科學(xué)研究所附屬機(jī)構(gòu) Réka Albert 說。研究人員表示，最終節(jié)點(diǎn)的開/關(guān)狀態(tài)會陷入重復(fù)模式，稱為吸引子，這與系統(tǒng)的穩(wěn)定長期行為相對應(yīng)，他們在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上報告了他們的發(fā)現(xiàn)。

盡管這些系統(tǒng)基于簡單的操作，但隨著將節(jié)點(diǎn)添加到系統(tǒng)中，復(fù)雜性會急劇增加，尤其是在系統(tǒng)中的事件不同步的情況下。研究人員表示，例如，具有幾十個節(jié)點(diǎn)的生物過程的典型布爾網(wǎng)絡(luò)模型具有數(shù)百億個狀態(tài)。在基因組的情況下，這些模型可以有數(shù)千個節(jié)點(diǎn)，從而產(chǎn)生比可觀察宇宙中的原子更多的狀態(tài)。

研究人員使用兩種變換——奇偶校驗(yàn)和時間反轉(zhuǎn)——來提高布爾網(wǎng)絡(luò)的分析效率。奇偶校驗(yàn)轉(zhuǎn)換提供了網(wǎng)絡(luò)的鏡像，將節(jié)點(diǎn)切換為開到關(guān)，反之亦然，這有助于確定哪些子網(wǎng)具有可以隨時間維持自身的開和關(guān)值的組合。時間反轉(zhuǎn)反向運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)，探測哪些狀態(tài)可以先于初始輸入狀態(tài)。

該團(tuán)隊(duì)在一組稱為隨機(jī)布爾網(wǎng)絡(luò)的合成布爾網(wǎng)絡(luò)上測試了他們的方法，這些網(wǎng)絡(luò)已被用作模擬基因調(diào)控如何決定細(xì)胞命運(yùn)的一種方式，已有 50 多年的歷史。該技術(shù)使研究小組能夠找到這些網(wǎng)絡(luò)中超過 16,000 個基因的吸引子數(shù)量，據(jù)研究人員稱，這些基因的大小比以往任何時候都大。

據(jù)該團(tuán)隊(duì)稱，該技術(shù)可以幫助醫(yī)學(xué)研究人員。

“例如，您可能希望癌細(xì)胞經(jīng)歷細(xì)胞凋亡（程序性細(xì)胞死亡），因此您希望能夠讓系統(tǒng)選擇導(dǎo)致所需結(jié)果的決策，”Rozum 說?！耙虼?，通過研究這些決策是在網(wǎng)絡(luò)中的哪個位置做出的，你可以弄清楚你需要做什么來讓系統(tǒng)選擇這些選項(xiàng)?！?/p>

使用這些方法研究社會科學(xué)和信息技術(shù)中的問題還存在其他可能性。

“信息的傳播也將成為一個有趣的應(yīng)用，”阿爾伯特說?！袄?，有些模型描述了一個人們對某件事有二元看法的社會。在模型中人們相互交流，形成局部共識。我們的方法可用于繪制可能的共識組的所有內(nèi)容，包括全球共識?！?/p>

發(fā)現(xiàn)： 顯微鏡物鏡的五個基本參數(shù)

她補(bǔ)充說，使用可以擴(kuò)展到研究人員試圖找到消除病態(tài)行為或驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)入更正常行為的方法的任何領(lǐng)域。

“要做到這一點(diǎn)，理論存在，方法論存在，但計算成本是一個限制因素，”阿爾伯特說?！坝辛诉@個算法，這在很大程度上必須被消除?！?/p>

據(jù)阿爾伯特說，研究人員已經(jīng)開發(fā)了一個公開可用的軟件庫?，并且這些算法已經(jīng)用于她的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的研究。

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