Научни новини: Котешки популации, сънят на гълъбите, иновации в трансплантациите и малко AI

Контрол на котешките популации

Антимюлеровият хормон (АМХ) е важен компонент в развитието на ембрионите при хората. Отделянето му в мъжките зародиши спира развитието на мюлеровите канали в женската репродуктивна система. При мъжете той се отделя от тестисите и нивата му са високи от раждането до началото на пубертета.

При жените е обратно – преди пубертета нивата на хормона са ниски, след това се повишават и започват да спадат бавно до достигане на менопаузата. Отделянето му става в яйчниците, и по-точно от фоликулите, образуващи яйцеклетките. Именно поради това измерването на количеството му е един от най-добрите начини за определяне на яйчниковия резерв – колкото повече от хормона може да се засече, толкова повече фоликули (и съответно потенциални яйцеклетки) са на разположение.

Един от страничните ефекти на химиотерапията е преждевременното изчерпване на яйчниковия резерв – най-вероятно поради повишеното активиране на фоликулите. В проучване върху мишки от 2017 г. учени са проверили ефекта на АМХ при приложението на няколко вещества, използвани в антитуморната терапия.

Резултатите показват категорично, че при умерено увеличаване на нивата на хормона броят на запазените фоликули е значително по-висок (между 1,2 и 2,9 пъти в зависимост от медикамента) при мишките, получавали АМХ, поради по-бавното им развитие. При още по-високи нива на хормона фоликулите в яйчниците се потискат напълно, което на практика води до стерилност на опитните гризачи.

Това лежи в основата на текуща разработка, която с помощта на методите за генна терапия и използването на вирусни вектори може да намери потенциално приложение за намаляване на популациите на бездомните котки. С помощта на аденовирус, използван за вектор, в мускулната тъкан на животните е вмъкнат модифициран ген за котешкия вариант на АМХ. Методът работи сходно на ваксините за COVID-19, използващи аденовируси за вмъкване на спайкпротеините в човешкото тяло с цел обучаване на имунната система и създаване на имунитет – подход, считан за безопасен и приложим в медицината.

Котките са понесли процедурата без забележими странични ефекти върху здравето им и експресията на АМХ е била увеличена. При два последващи 4-месечни периода на съвместно съжителство с мъжки (8 и 20 месеца след третиране) нито една от тях не е забременяла, за разлика от трите контролни котки, включени в изследването.

Според данните концентрацията на АМХ е намаляла с времето, но това не се е отразило на крайния ефект от третирането. В двете години, в които животните са наблюдавани преди публикуването на статията, не е забелязан негативен ефект върху тях. Дори важни хормони като естрогена не са се повлияли от потискането на развитието на фоликулите.

Най-вероятно стопаните на домашни любимци ще продължат да разчитат на хирургичната намеса, защото, освен преките ефекти, кастрацията има и други ползи. Поради хормоналните промени котките спират да се разгонват с всички свързани с това промени в поведението, като силно мяукане, изнервеност и маркиране. Важни положителни последици са също удължаването на живота и намаляването на риска от развиване на рак на млечните жлези и други заболявания.

За уличните котки стратегията може да се окаже изключително успешна, защото дори ефективността на терапията да намалее с времето, с няколко вълни на третиране популацията им може да се намали значително. Това би имало много положителни ефекти както за самите котки, чийто живот не е лек и обикновено е няколко пъти по-кратък от този на домашните, така и за екосистемите.

Котките са изключително ефективни хищници, които нанасят големи щети върху популациите на птиците и малките бозайници. Това, комбинирано с някои зоонотични заболявания, които те пренасят, прави възможността за бърза и лесна кастрация на голям брой котки изключително интересна както за групите за хуманно отношение към животните, така и за държавните институции, отделящи немалки ресурси за справяне с този проблем.

Какво сънуват гълъбите

Сънят е изключително важен процес, който се среща при повечето животни. При хората се наблюдават два типа сън – REM (с бързо движение на очите) и NREM (без бързо движение на очите). По време на първия мозъчната активност е висока и тогава сънуваме най-ярките си сънища, докато при втория активността е намалена и гръбначномозъчната течност (ликвор) циркулира около мозъка – предполага се, че това помага за прочистването му от вредни протеинови отлагания, някои от които свързани с развитието на заболявания като алцхаймер.

С помощта на инфрачервени камери, които следят зениците на птиците, и функционален ЯМР, проследяващ активността на мозъка, немски екип е установил, че при птиците протичат много сходни процеси. По време на REM съня в мозъка на гълъбите, включени в експеримента, са се активирали участъците, отговорни за обработката на визуална информация, включително тази по време на полет. Наред с тях активност е установена и в зоните, приемащи усещането за допир от тялото и крилете. Същото се е случило и в амигдалата, за която се предполага, че както при хората регулира емоциите.

Всичко това кара учените да изкажат хипотезата, че гълъбите имат визуални сънища, в които летят и изпитват емоции. В нейна подкрепа е и наблюдаваното рязко свиване на зениците им, което е характерно и по време на ухажване или при проява на агресия.

Но повишената мозъчна активност по време на REM съня може да има и някои странични ефекти. Невронната плътност при птиците е по-висока, отколкото при бозайниците, поради което почистването на натрупванията по мозъка трябва да е по-често и ефективно, отколкото при бозайниците. По време на REM съня се увеличава притокът на кръв в мозъка, което води до по-интензивно движение на ликвора около него. Изследователите смятат, че в комбинация с по-кратките и по-чести фази на REM сън това най-вероятно помага за премахването на вредни протеини от мозъчните тъкани.

Сигурно видът и съдържанието на сънищата при птиците ще останат ненапълно установени. Но дори горната хипотеза да не се потвърди, изследването дава много информация за съня при нова група животни и помага да се направят паралели между съня при птиците и хората. Това би могло да въведе гълъбите като моделни системи за изследване на процеси, които поради етични или други съображения не могат да се наблюдават при хората.

Иновации в сърдечната трансплантация

Вземането на органи за трансплантация от трупен донор обикновено се извършва по два начина – след мозъчна смърт на донора или след спиране на кръвообращението му. Първият е по-често срещан, защото въпреки загубата на мозъчна функция физиологичните процеси в тялото се поддържат и органите се запазват жизнени и в естествено състояние до момента на трансплантация. При спиране на кръвообращението настъпват редица усложнения, тъй като органите и тъканите не получават кислород, вследствие на което започват да се увреждат и сравнително бързо стават негодни за трансплантиране.

Поради това броят на такива операции все още е сравнително малък въпреки общия недостиг на донори. С напредването на медицинските технологии броят на органите, които могат да се използват след спиране на кръвообращението, нараства и прогнозата за успешна трансплантация се увеличава, като процедурата вече се прилага за пациенти с нужда от бъбреци и черен дроб. Доскоро това беше изключително трудно при сърцето, поради което се вземаха органи от донори само след мозъчна смърт.

Възможност за увеличаване на броя на потенциалните донори предлага използването на машина, която поддържа циркулацията и електрическите импулси в експлантираното сърце, т.нар. сърце в кутия. Това е сравнително нова технология и все още се прилага в малко клиники – донякъде защото доскоро нямаше данни за състоянието на пациентите, преминали през трансплантация на такива органи.

След публикуването на изследване, включващо 180 души, разделени на две групи (едните, получили орган от донор в мозъчна смърт, a другите – от донор след спиране на кръвообращението му), вече е известно, че почти няма разлика в успеваемостта на процедурата 6 месеца след провеждането ѝ. При първия подход, който се смята за рутинен, процентът живи реципиенти е бил 90, а при втория – 94. Не е имало съществена разлика и в развитието на сериозни странични ефекти 30 дни след трансплантацията и при двата типа процедури. Според авторите на изследването данните са достатъчно убедителни за внедряване на подхода в повече болнични заведения.

Тази техника ще е полезна и при по-често срещани трансплантации след мозъчна смърт. Традиционната практика е след експлантиране на органа той да бъде поставен в лед за транспорт. Това дава на екипа около 4 часа да стигне до реципиента, което ограничава разстоянието за получаване на органа. Ако сърцето е поставено в машината, то може да бъде поддържано по-дълго време и съответно да пътува по-далеч. Наред с това лекарите имат възможност да проверят дали органът функционира нормално, или има увреждания, преди той да бъде имплантиран, което повишава шанса за успешно протичане на процедурата.

Подобрен от AI алгоритъм за сортиране

Сортирането е важен процес в компютърните технологии, който намира най-различни приложения. Затова разработката и оптимизацията на алгоритмите, с които се извършва, е поле на активна изследователска дейност. Една от задачите е сортирането на малки набори, което от своя страна е част от алгоритмите, използващи разделяне на по-големите набори и сортиране „на порции“.

Въпреки че решенията, използвани в момента, са плод на дългогодишен труд, има възможност за подобрение. Нова разработка на подразделението на Google – DeepMind, успешно е оптимизирала алгоритми за сортиране, разработени от хора, като в някои случаи използваният подход е бил „неинтуитивен“ – с други думи, не е нещо, което би дошло на ум на човек.

AlphaDev е изкуствен интелект, базиран на шампиона по играта „го“ на DeepMind – AlphaZero. Използваният подход за обучение е с утвърждаване (reinforcement learning). При него програмата не получава предварителни знания, а с помощта на многократни итерации върху задачата и посочени награди и наказания тя намира най-подходящия начин за постигане на най-висок резултат, подобно на видеоигра. Именно такава дефиниция използват от компанията – игра на асемблер (най-базовия човешко четим език за програмиране). В нея резултатът се определя от времето за изпълнение на алгоритъма за сортиране – колкото по-кратко е то, толкова по-висок е резултатът.

След задаване на правилата AlphaDev започва своеобразна игра, променяйки части от алгоритъма за сортиране. При всяка промяна се отчита времето за изпълнение и дали полученият резултат отговаря на очаквания – ако се подадат числа в случаен ред, те трябва да бъдат подредени след сортирането. Всеки „рунд“ се оценява и сравнява с предишния, което определя дали ще бъде използван за основа на следващия, или ще бъде отхвърлен. В случая откритата оптимизация е възможността за премахване на една стъпка в алгоритъма за сортиране, което ускорява процедурата с до 70% при боравене с 5 елемента и с около 1,7% при над 250 000.

Според авторите подобни алгоритми се изпълняват трилиарди пъти всеки ден, поради което дори и най-малкото забързване ще допринесе за много спестено процесорно време. Разработката на AlphaDev е публикувана в журнала Nature, а оптимизираният алгоритъм вече е прехвърлен в стандартната C++ библиотека за сортиране и всички програмисти имат свободен достъп до него.

Интересен коментар за тази оптимизация дава потребителят Dimitris Papailiopoulos в Twitter. С две запитвания към GPT-4 той постига същия резултат без необходимостта от отнемащото време и ресурси обучение с утвърждаване. Донякъде задачата му е улеснена, защото вече има насока за начина на подобряване на алгоритъма, но все пак е показателно за напредналото ниво на технологията на OpenAI и потенциала, който крие. Възможност за бъдещи подобрения предоставя използването на изкуствен интелект, сходен на AlphaDev – така може да се откриват иновативни подходи, които не биха хрумнали на човек, а след това те да бъдат оптимизирани с помощта на GPT-4 или следващите му версии.

Заглавно изображение: Микроскопска снимка на стъбло на едногодишен бор, напречен разрез, 100х увеличение. Източник: BCC Bioscience Image Library, CC0 / Flickr