«Новые оптические мишени позволят создать на их основе оптические методы биомедицинской диагностики, которые будут использоваться в клинической практике»

Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Борис Якимов занимается изучением глубокого обучения в идентификации новых оптических мишеней в организме человека для применения технологий биофотоники. Победитель конкурса грантовой поддержки молодых ученых фонда «Интеллект» рассказал о своем исследовании.

Мое исследование лежит в русле развития методов биофотоники – области исследований на стыке оптики и биомедицины. Современная биомедицина широко опирается на физические методы диагностики, и сейчас все большее и большее развитие получают методы, в которых в качестве зондирующего сигнала используется свет видимого, ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов. И здесь возникает вопрос: «Как возможно с помощью светового излучения получить какую-то полезную для врача информацию об органах и тканях?». Дело в том, что в клетках и тканях наших органов содержатся «оптически активные» молекулы, обладающие известными характеристиками оптического отклика. То есть, понимая, как можно возбудить и правильно измерить этот оптический сигнал, возможно использовать его для медицинской диагностики. Примером такой молекулы является гемоглобин – основной белок нашей крови, определяющий ее красный цвет. Каждый из нас хотя бы раз сталкивался с применением пульсоксиметра или измерением пульса в умных часах – это делается по оптическому сигналу от гемоглобина, но это лишь малая часть возможных применений.

К сожалению, наше знание об оптических «мишенях» в организме человека ограничено – до сих пор остаются не исследованными и не описанными оптические свойства тканей и не установлены вещества, ответственные за этот сигнал. В своем исследовании я разрабатываю методы и анализирую данные, чтобы установить какие еще молекулы в организме человека можно использовать для применения в биофотонике.

— Какая цель вашего исследования?

Отсюда выходит цель моего исследования – поиск и обнаружение новых оптических «мишеней» в организме человека и других биологических и природных системах с использованием методов машинного и глубокого обучения.

— В чем разница между вашим альтернативным подходом и стандартным?

Обычно, исследование и поиск таких диагностических важных молекул производят экспериментально – обнаруживают новый оптический сигнал, выделяют ответственную за этот сигнал молекулу, определяют ее свойства и химическую структуру. В моем исследовании все наоборот: на основе уже имеющегося большого набора данных тех веществ, которые присутствуют в организме человека, я пытаюсь по их химической структуре предсказать оптические свойства с использованием методов машинного обучения, чтобы затем оценить, можно ли это вещество использовать как диагностический инструмент.

— В чем практическая польза вашего исследования?

Потенциально, разработанные подходы, во-первых, позволят расширить представление об оптических свойствах тканей, во-вторых, новые оптические мишени позволят создать на их основе оптические методы биомедицинской диагностики, которые будут использоваться в клинической практике – лаборатория биофотоники кафедры квантовой электроники, на базе которой я выполняю исследование, внедряет такие методы в практику. Один из приборов – «Умный лазер» – разработан совместно с коллегами из МНОИ МГУ, успешно прошел клинические испытания и уже используется на практике.

— Какие методы ИИ и каким образом применяются в вашем исследовании?

Чтобы предсказать оптические свойства молекул по их химической структуре можно использовать как «классические» подходы машинного обучения, использующие хемометрические дескрипторы и молекулярные отпечатки пальцев, так и методы глубокого обучения, которые напрямую пытаются предсказать оптическое свойство из молекулярной структуры. При этом наилучшие результаты показывают графовые нейронные сети – специальные архитектуры моделей, предназначенные для работы на произвольных графах. Я адаптирую эти модели для предсказания различных оптических свойств и применяю их для предсказания на новых молекулах.