癌癥能被攻克嗎,人工智能助力美“抗癌登月計(jì)劃”

　　“抗癌登月計(jì)劃”是美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在今年1月宣布的一項(xiàng)科研戰(zhàn)略目標(biāo)，旨在加快癌癥研究，總預(yù)算近10億美元。

　　美國(guó)科學(xué)家正準(zhǔn)備為癌癥研究裝備上人工智能的馬達(dá)，加速人類對(duì)抗癌癥的征途。

　　作為美國(guó)“抗癌登月計(jì)劃”、精密醫(yī)學(xué)計(jì)劃、美國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)算計(jì)劃三項(xiàng)國(guó)家性計(jì)劃的結(jié)晶之一，美國(guó)能源部與美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院下屬的國(guó)家癌癥研究所合作，發(fā)起“先進(jìn)癌癥計(jì)算解決方案的聯(lián)合設(shè)計(jì)（Joint Design of Advanced Computing Solutions for Cancer，JDACS4C）”。作為負(fù)責(zé)人之一，美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室計(jì)算、環(huán)境與生命實(shí)驗(yàn)室副主任Rick Stevens透露，聯(lián)合設(shè)計(jì)的首個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目成果將在2017年的第二季度公開。

　　該項(xiàng)目于今年6月正式宣布啟動(dòng)，并在8月到位了第一筆資金?！翱拱┑窃掠?jì)劃”是美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在今年1月宣布的一項(xiàng)科研戰(zhàn)略目標(biāo)，旨在加快癌癥研究，總預(yù)算近10億美元。

　　之所以稱為聯(lián)合設(shè)計(jì)，是因?yàn)樵擁?xiàng)目將攻克三個(gè)基于計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)的抗癌難題：

　　1. RAS分子項(xiàng)目。從分子層面上，了解RAS/RAF通路的蛋白質(zhì)相互作用。RAS基因在上世紀(jì)60年代被發(fā)現(xiàn)是癌基因，存在于30%的癌癥患者中。通過結(jié)合模擬和實(shí)時(shí)篩選數(shù)據(jù)，針對(duì)RAS基因及相關(guān)信號(hào)通道，科學(xué)家希望能找到新的診斷和靶點(diǎn)治療方法；

　　2. 臨床前篩查。發(fā)展藥物反應(yīng)的預(yù)測(cè)模型，在臨床試驗(yàn)前進(jìn)行最大化地藥物篩選，為癌癥病人提供精準(zhǔn)醫(yī)療方案。具體操作是對(duì)臨床前和臨床試驗(yàn)時(shí)的癌癥數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，結(jié)合小鼠模型中的新數(shù)據(jù)，通過反饋循環(huán)讓實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭笇?dǎo)計(jì)算模型的設(shè)計(jì)，建立腫瘤藥物反應(yīng)的預(yù)測(cè)模型；

　　3. 人口模型。根據(jù)生活方式、所處環(huán)境、癌癥種類、醫(yī)療體系，從百萬(wàn)個(gè)癌癥病人的病歷數(shù)據(jù)中自動(dòng)分析、獲取最佳的治療策略。海量數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院、美國(guó)食品和藥物管理局、制藥公司和第三方付款機(jī)構(gòu)。

　　這三個(gè)難題基于不同的生物尺度，對(duì)大數(shù)據(jù)分析和深度學(xué)習(xí)提出了高要求，由來(lái)自不同領(lǐng)域的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、模式公式、模擬運(yùn)行上開展合作。美國(guó)能源部和國(guó)家癌癥研究所各有所長(zhǎng)，前者有精良的計(jì)算機(jī)專家資源，而后者擁有不輕易對(duì)外公開的癌癥數(shù)據(jù)資源。如果挑戰(zhàn)成功，現(xiàn)有的傳統(tǒng)科學(xué)計(jì)算應(yīng)用將被超越，推進(jìn)百億億次級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，并在人工智能的幫助下，將癌癥治療在精準(zhǔn)化方面上一個(gè)臺(tái)階。

　　雄心勃勃的同時(shí)有重重困難。生物信息、病理報(bào)告、病歷信息往往是非結(jié)構(gòu)性的，它與機(jī)器學(xué)習(xí)所依靠的結(jié)構(gòu)性信息存在一條“溝”，如何在非結(jié)構(gòu)性和結(jié)構(gòu)性信息之間轉(zhuǎn)化、翻譯是難點(diǎn)之一。

　　另一方面，要想有高精度的預(yù)測(cè)和解釋模型仍具挑戰(zhàn)性。比如對(duì)藥物的治療效果進(jìn)行判斷時(shí)，計(jì)算機(jī)可以精確得知結(jié)果，但得到的結(jié)果是機(jī)械性的，不具備解釋原因的能力。Rick Stevens設(shè)想，將機(jī)械化的模型和機(jī)器學(xué)習(xí)的模型結(jié)合起來(lái)，可以解決這一問題。

　　出現(xiàn)英特爾、IBM等公司身影

　　提高深度學(xué)習(xí)的能力，需要回歸到高性能計(jì)算機(jī)（HPC）的研究，離不開高性能計(jì)算機(jī)供應(yīng)商的身影。在接受國(guó)際高性能計(jì)算網(wǎng)站HPCwire的采訪時(shí)，Rick Stevens透露，“先進(jìn)癌癥計(jì)算解決方案的聯(lián)合設(shè)計(jì)”項(xiàng)目已和英特爾、Cray、NVIDIA、IBM等公司達(dá)成合作關(guān)系。

　　今年8月，英特爾耗資4億美元收購(gòu)了Nervana Systems公司，Nervana雖是初創(chuàng)企業(yè)，但在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域是排頭兵，擁有專為深度學(xué)習(xí)打造的全方位優(yōu)化的軟件和硬件堆棧，號(hào)稱處理器速度將可達(dá)到GPU的10倍。

　　除了高性能計(jì)算機(jī)，Rick Stevens和同事還在評(píng)估最適合的深度學(xué)習(xí)框架，其中不排除谷歌、微軟、Facebook等公司。另一方面，Rick Stevens和同事也在和美國(guó)著名的人工智能實(shí)驗(yàn)室勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作，比如其實(shí)驗(yàn)室名為L(zhǎng)BANN的可擴(kuò)展人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架。

　　是美國(guó)“抗癌登月計(jì)劃”的目標(biāo)之一

　　美國(guó)“抗癌登月計(jì)劃”正式發(fā)起是在今年1月12日，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在他任內(nèi)最后一次的國(guó)情咨文演講中宣布了這個(gè)消息，旨在讓抗癌的研究進(jìn)展速度翻一番，減少時(shí)間成本，在5年內(nèi)取得原本可能需要10年取得的成果。

　　美國(guó)是人類最早登上月球的國(guó)家，在20世紀(jì)60年代至70年代的“阿波羅計(jì)劃”中，曾組織一系列載人登月飛行項(xiàng)目。登月對(duì)美國(guó)來(lái)說有著重要的符號(hào)意義。將抗癌研究項(xiàng)目命名于此，可見美國(guó)在對(duì)抗癌癥的決心。

　　在最后一年的總統(tǒng)任期中，奧巴馬“快馬加鞭”地落實(shí)計(jì)劃?；凇翱拱┑窃掠?jì)劃”，美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間12月13日，奧巴馬簽署了總額高達(dá)63億美元的法案，用于癌癥研究、戒毒康復(fù)和精神健康服務(wù)。

　　值得一提的是，美國(guó)副總統(tǒng)拜登是“抗癌登月計(jì)劃”的負(fù)責(zé)人，領(lǐng)導(dǎo)著“白宮抗癌登月計(jì)劃特別小組”。拜登的兒子因腦癌在2015年去世，痛失親人的經(jīng)歷驅(qū)使拜登發(fā)起這項(xiàng)提議，并得到了奧巴馬的支持。

　　“先進(jìn)癌癥計(jì)算解決方案的聯(lián)合設(shè)計(jì)”開展的部分原因是為實(shí)現(xiàn)“抗癌登月計(jì)劃”十大任務(wù)之一——建立癌癥數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)。6月6日，拜登宣布啟用抗癌登月計(jì)劃的首個(gè)大型開放數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)整合了美國(guó)國(guó)家癌癥研究所多個(gè)癌癥研究項(xiàng)目、共計(jì)1.2萬(wàn)名癌癥患者的數(shù)據(jù)，為科研人員儲(chǔ)存、分析和分享癌癥基因組數(shù)據(jù)及相關(guān)臨床數(shù)據(jù)提供平臺(tái)。