KI schließt von der Maus auf den Menschen

Machine-Learning-Software scGen sagt das Verhalten von Zellen voraus

KI schließt von der Maus auf den Menschen

Das Computermodell scGen sagt voraus, wie Zellen sich verhalten werden. Mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI) bildet die Software die Reaktion einer Zelle auf eine Erkrankung oder auch deren Behandlung ab, ohne dafür experimentelle Daten zu benötigen. Entwickelt wurde scGen von Wissenschaftlern der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrum München. Das Tool verspricht neue Ansätze für die Erforschung und Behandlung von Erkrankungen.

Durch Krankheiten oder genetische Eingriffe verändern Zellen sich. Im Labor lässt sich allerdings nur begrenzt herausfinden, wie sie auf bestimmte Einflüsse reagieren: Die Kombinationsmöglichkeiten von Zelltypen und Störfaktoren sind zu vielfältig um sie flächendeckend experimentell erforschen zu können. Eine umfassende Auswertung ist auf diesem Weg zu arbeits- und kostenintensiv.

Erstes Machine-Learning-Modell zur Vorhersage von Zellverhalten

Ziel der Computerbiologie ist es deshalb, die Reaktionen von Zellen auf Störeinflüsse in mathematischen Modellen zu beschreiben um sie dann berechnen zu können. Bisherige Modelle haben statistische oder mechanistische Ansätze als Grundlage. Mit scGen entwickelten Fabian Theis, Professor für die Mathematische Modellierung biologischer Systeme an der TUM und Direktor des Institute of Computational Biology am Helmholtz Zentrum München, und sein Team erstmals eine Software, die auf maschinellem Lernen basiert. Mit dem neuen Tool lassen sich hochdimensionale Phänomene berechnen, die noch nicht beobachtet wurden. Dabei setzt scGen Ideen aus der Bild-, Sequenz- und Sprachverarbeitung ein und wendet sie an, um das Verhalten einer Zelle am Computer zu modellieren.

Von Daten über Mäuse auf menschliche Zellen rückschließen

Trainiert man scGen also mit Daten, die den Effekt von Störungen für ein bestimmtes System erfassen, so ist das Modell in der Lage, zuverlässige Vorhersagen für ein anderes System zu treffen. „Zum ersten Mal haben wir Möglichkeit, Daten aus einem Modellsystem wie der Maus zu verwenden, um Krankheitsprozess und therapeutische Wirksamkeit bei menschlichen Patienten vorherzusagen“, sagt Theis‘ Mitarbeiter Mohammad Lotfollahi.

Weiterentwicklung von scGen soll komplexere Fragen beantworten

Zukünftig wollen die beteiligten Forscher scGen so weiterentwickeln, dass sich die Vorhersagekraft des Computermodells erhöht. Darüber hinaus werden sich damit auch Kombinationen von Störungen berechnen lassen. „Wir können jetzt damit beginnen, scGen zu optimieren, um immer komplexere Fragen zu Krankheiten zu beantworten“, sagt Theis.

Weitere Informationen und Bildquelle: www.tum.de

BILD: Mithilfe der Computerbiologie lassen sich Zellveränderungen berechnen.

Bildrechte: iStock / nicolas_

 

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