Впервые искусственный интеллект позволяет увидеть, как болезнь влияет на весь организм, клетка за клеткой

На первый взгляд, компьютерная томография, кажется, дает полное представление о состоянии организма. Она позволяет увидеть органы, обнаружить повреждения и воссоздать структуры в трехмерном виде. Однако вся эта детализация остается лишь поверхностной: то, что происходит внутри тканей на микроскопическом уровне, остается за пределами ее возможностей. Именно этот барьер международной группе ученых удалось начать преодолевать. Впервые они разработали систему, позволяющую комплексно наблюдать, как болезнь влияет на весь организм, но не на уровне органов или систем, а клетка за клеткой. «Разница может быть понята с помощью простого образа. Томография — это как смотреть на город с самолета: она позволяет увидеть улицы, кварталы и общую форму территории. Инструмент, разработанный этими исследователями, эквивалентен тому, чтобы зайти в каждый дом и понаблюдать, что происходит внутри, как организованы его обитатели и как они взаимодействуют друг с другом. Это достижение основано на сочетании микроскопии высокого разрешения и искусственного интеллекта. В отличие от традиционных клинических технологий, работающих в миллиметровом масштабе, этот подход опускается до микрометрового уровня и позволяет выявлять изменения в сетях нервов, иммунных клетках и других микроскопических компонентах, распределенных по всему организму. «Система, получившая название MouseMapper, объединяет различные модели глубокого обучения, способные анализировать трехмерные изображения целых организмов и точно сегментировать биологические структуры. Помимо прочего, она может идентифицировать нервные сети, отображать распределение иммунных клеток и локализовать эти данные в десятках различных органов и тканей, что позволяет комплексно анализировать поведение заболевания во всем организме». Разработка велась под руководством исследователей из Helmholtz Munich, Немецкого центра исследований в области экологического здоровья, в сотрудничестве с такими учреждениями, как Технический университет Мюнхена, Мюнхенский университет, Цюрихский университет и Имперский колледж Лондона. Работу возглавил Али Эртюрк вместе с междисциплинарной командой биологов, врачей и инженеров, и она была опубликована 20 мая в журнале Nature. «В исследовании ученые выбрали модель ожирения у мышей — заболевание, известное своим воздействием на множество систем организма. Применение этого инструмента позволило обнаружить ряд изменений, которые до сих пор не удавалось измерить в комплексе: структурные изменения в нервных сетях, изменения в распределении иммунных клеток и молекулярные изменения в различных тканях. «Одним из наиболее значимых открытий стало выявление нарушений в одной из ветвей тройничного нерва, отвечающей за чувствительность лица. У животных с ожирением в этой сети наблюдалось значительное сокращение количества нервных окончаний и сложности их связей. Это структурное изменение имело функциональный коррелят: мыши демонстрировали ослабленную реакцию на тактильные раздражители. Анализ не ограничивался только формой тканей. Исследователи также изучили, что происходило на молекулярном уровне в тех же самых областях, и обнаружили изменения в сотнях белков, связанных с воспалением, нейронной ремоделировкой и иммунным ответом. Кроме того, эти закономерности повторились в образцах человеческих тканей, проанализированных посмертно, что подтверждает значимость открытия. Еще одним вкладом исследования стала возможность построить трехмерные карты воспаления по всему телу. На основе отслеживания иммунных клеток ученые наблюдали увеличение скоплений клеток в различных органах, в частности в жировой ткани и печени. Эти данные подтверждают идею о том, что ожирение — это не просто нарушение обмена веществ, а заболевание, которое системно поражает множество органов и тканей. «Помимо конкретных результатов, основной прорыв в этой работе носит методологический характер. Впервые можно изучать заболевание, не ограничиваясь конкретным органом или системой, а наблюдая за его воздействием на организм в целом. Как отмечают авторы, этот подход позволяет «выявлять и количественно оценивать системные нарушения во всем организме», что до сих пор было трудно осуществить комплексно. «Однако этот инструмент не предназначен для немедленного клинического применения. Процесс требует сложных экспериментальных методов, включая полную подготовку организма и его анализ с помощью современной микроскопии, поэтому его применение ограничено сферой научных исследований. «Тем не менее, потенциал огромен. Тот же подход в будущем можно будет применить к изучению других сложных заболеваний, таких как рак или неврологические расстройства. Разница заключается в том, что теперь появился способ рассматривать их не как изолированные проблемы в конкретных органах, а как процессы, которые одновременно влияют на множество систем организма».