Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Что касается поджелудочной железы (она вырабатывает соки, способствующие пищеварению), были разработаны искусственные версии для пациентов с диабетом 1-го типа, которым инсулина не хватает или они не могут адекватно на него реагировать. Чтобы помочь им получить необходимое количество инсулина для регулирования уровня глюкозы в крови, искусственная разновидность использует математическую модель метаболизма глюкозы у человека и алгоритм управления с обратной связью, который моделирует доставку инсулина с использованием данных датчика глюкозы, имплантированного пациенту. Их можно превратить в индивидуального цифрового двойника поджелудочной железы, который непрерывно рассчитывает необходимое количество инсулина и управляет имплантированной помпой для поддержания концентрации инсулина в крови[488].

Виртуальный кишечник

Чтобы помочь понять расщепление пищи в организме, команда из Окленда под руководством Лео Ченга разработала математические модели желудка и тонкой кишки – виртуального кишечника. В целом они нашли способы преодолеть проблемы при многомасштабном моделировании от клеточного до органного уровня электрофизиологических процессов, происходящих во время пищеварения.

Как и сердце, кишечник может страдать от аритмий. На клеточном уровне модели сейчас применяются по-разному: от исследования механизмов электростимулятора желудка до измерения влияния цирроза печени на электрическую активацию желудочно-кишечного тракта. На уровне органов исследования электрического картирования и моделирования высокого разрешения объединяются, чтобы обеспечить более глубокое понимание нормальной и аритмической электрической активации.

Эти захватывающие путешествия по кишечнику также позволяют провести детальные исследования моделирования на уровне «всего тела», что может иметь значение для диагностических методов желудочных аритмий и паралича (когда пища не проходит через желудок), и их лечения с помощью электростимуляторов или абляции, когда небольшое количество ткани уничтожается, чтобы помочь восстановить естественный ритм кишечника.

Команда также хочет принять во внимание серьезный сдвиг в понимании человеческого тела, который произошел пару десятков лет назад, когда интерес переместился от человеческих клеток к бактериям и другим микробным клеткам в кишечнике. Раньше считалось, что число этих пассажиров превышает численность наших собственных клеток в соотношении 10 к 1. Теперь мы знаем, что соотношение варьируется, но было подсчитано, что «эталонный мужчина» (весом 70 кг, возрастом 20–30 лет и ростом 1,7 м) содержит в среднем около 30 триллионов человеческих клеток и 39 триллионов бактерий, и каждая дефекация может изменить соотношение в пользу человеческих клеток, поскольку число бактерий падает на четверть или треть[489].

В кишечнике человека пасутся несколько тысяч штаммов бактерий. Некоторые из них связаны с болезнями, тогда как другие имеют благоприятные последствия. Удивительно, но, несмотря на наше близкое генетическое родство с обезьянами, микробиом кишечника человека больше похож на микробиом обезьян Старого Света, таких как павианы, чем на микробиом человекообразных обезьян, таких как шимпанзе[490]. Еще более удивительно то, что микробное содержимое кишечника может влиять на мозг и, возможно, даже на память[491].

Команда из Окленда использует лабораторные эксперименты, выращивает популяции бактерий в биореакторе, проводит метаболомический и биоинформатический анализ, а также разрабатывает математические и статистические методы для создания прогностических моделей, которые улучшат нашу способность понимать и манипулировать этими микробиомами. Чтобы разобраться в поразительной сложности микробной флоры и фауны, исследователи прибегают к использованию машинного обучения, чтобы выяснить, как меняются микробные популяции в кишечнике под влиянием изменения температуры, пищи или чего-то еще.

Виртуальный метаболизм

На сегодняшний день ученые успешно смоделировали действие лекарств, инфекции, клеточные ткани, органы и многое другое. Как упоминалось ранее, сейчас предпринимаются усилия по интеграции этих аспектов виртуального человека с виртуальным метаболизмом – той базовой сетью генов, белков и биохимии, которая охватывает человеческое тело.

Некоторые модели просты. Чтобы исследовать сложные механизмы, лежащие в основе мышечной усталости, Юкико Химено и ее коллеги из Университета Рицумэйкан в Киото разработали математическую модель с пятью основными компонентами – мышцами, печенью, легкими, кровеносными сосудами и другими органами, – чтобы карикатурно отобразить ключевые механизмы. Результаты моделирования представляют важные доказательства для лучшего понимания мышечной усталости, например, увеличения уровня лактата в крови и неорганических фосфатов в мышцах, а также падения уровня pH крови, что является результатом высокоинтенсивных упражнений[492].