Matematicienii au creat un „model al tuturor lucrurilor” – de la microbii intestinali la schimbările climatice

Matematicieni din China și Statele Unite susțin că au dezvoltat un „model al tuturor lucrurilor” care simplifică sistemele complexe din organism, societate și mediu, dezvăluind tiparele și interacțiunile acestora, potrivit scmp.com.

Echipa, condusă de renumitul matematician chinezo-american Yau Shing-Tung, afirmă că modelul lor poate fi utilizat pentru a analiza numeroase scenarii.

Acestea variază de la modul în care microbii intestinali interacționează și declanșează inflamația, la modul în care creșterea dioxidului de carbon și a poluanților provoacă încălzirea climei și la modul în care întreprinderile concurează și cooperează pentru a stimula economia.

În scenariile biologice, analiza modelului ar putea fi utilizată pentru a ajuta profesioniștii din domeniul farmaceutic să dezvolte tratamente – de exemplu, pentru cancer, prin decuplarea celulelor care sunt identificate că lucrează împreună și dau naștere unei creșteri anormale a celulelor.

Modelul „oferă un instrument generic pentru dezvăluirea modelelor ascunse în sistemele complexe într-un spectru larg de scenarii fizice și biologice”, a scris echipa într-un articol publicat luna trecută în revista cu evaluare inter pares Proceedings of the National Academy of Sciences.

Cercetătorii provin de la Beijing Institute of Mathematical Sciences and Applications, Tsinghua University, Pennsylvania State University și Creighton University School of Medicine.

Autorul principal al studiului, Wu Rongling, cercetător la institutul din Beijing, l-a numit un „model al tuturor lucrurilor”, deoarece ar putea fi utilizat pentru a explica modelele intrinseci ale fenomenelor sociale și naturale.

Wu, care este, de asemenea, profesor titular la Centrul de Științe Matematice Yau din Tsinghua, a declarat că modelul oferă o bază matematică mai avansată pentru dezvoltarea inteligenței artificiale care imită îndeaproape creierul uman.

Ambele institute din capitala chineză sunt conduse de Yau Shing-Tung, un important expert în geometrie care s-a retras de la Universitatea Harvard în 2022 pentru a preda cu normă întreagă la Tsinghua. El a declarat că scopul său este de a ajuta la cultivarea tinerilor matematicieni talentați, astfel încât China să poată deveni o putere matematică.

În lucrare, echipa a declarat că modelul lor a fost „mecanicist în sensul că încorporează teoria jocurilor evolutive și principiile ecologiei comportamentale într-un cadru unificat de mecanică statistică”.

Model matematic bazat pe teoria evolutivă a jocurilor

Wu a explicat teoria evolutivă a jocurilor – care analizează modul în care jucătorii elaborează strategii și iau decizii – folosind exemplul a două pisici care vor să mănânce.

„Atunci când două pisici sunt împreună, ele pot fie să concureze, fie să coopereze în încercarea de a-și maximiza aportul de hrană”, a spus el. „Ele își vor alege strategia în funcție de puterea lor și de modul în care aceasta ar putea fi influențată de cealaltă pisică”.

În cadrul statistic, pisicile sunt agenți modelați ca noduri, iar interacțiunile lor sunt considerate legături care urmează să fie codificate în hiperrețele. Rețeaua se extinde pe măsură ce numărul de noduri crește, a spus el.

Într-un scenariu biologic care implică tumori, Wu a spus că diferitele tipuri de celule care dau naștere tumorilor sunt analoge pisicilor.

„Pentru ca o celulă să crească, trebuie să obțină nutrienți. Ea poate concura sau coopera cu alte celule, la fel ca pisicile. Prin aplicarea datelor medicale asupra celulelor, modelul poate descoperi relațiile dintre acestea”, a spus el.

„Dacă celulele cresc unindu-și forțele, un medicament ar putea fi conceput pentru a le slăbi cooperarea”, a spus el, adăugând că sistemul imunitar, ca nod în hiper-rețea, ar putea fi, de asemenea, dirijat pentru a opri această cooperare.

„Dacă celulele concurează între ele și, ca urmare, celulele canceroase proliferează, ar trebui să limităm această concurență pentru a împiedica o parte să o depășească pe cealaltă”.

Wu a spus că matematicienii au lucrat cu biologii pentru a testa modelul, de exemplu, pentru microbiomul intestinal.

„Folosind modelul, am descoperit că două tipuri de microbi intestinali pot provoca inflamații ale tractului gastrointestinal atunci când cooperează. În cadrul unui experiment, biologii au introdus cei doi microbi la șoareci și au observat inflamația, confirmând predicțiile modelului”, a spus el.

În ceea ce privește scenariile climatice, Wu a afirmat că relațiile dintre concentrațiile de dioxid de carbon și de poluanți și alți factori ar putea fi utilizate pentru a prezice schimbările de temperatură și precipitațiile, de exemplu.

În ceea ce privește fenomenele sociale, acesta a afirmat că modelul ar putea analiza scenarii precum modul în care companiile și industriile conduc dezvoltarea economică prin concurență și cooperare, modul în care managerii pot coordona diferite părți pentru a optimiza eficiența, modul în care perspectiva unui individ poate fi influențată de opiniile altora și modul în care interacționează materiile școlare – cum ar fi dacă învățarea limbilor străine îi ajută pe elevi să exceleze la matematică.

Wu a declarat că modelul ar putea servi, de asemenea, ca un cadru de bază pentru inteligența artificială și ar putea stabili o bază matematică care să fie mai complexă și mai apropiată de creierul uman decât algoritmii existenți.

„Matematica se află la baza inteligenței artificiale. Algoritmul rețelei neuronale actuale se bazează pe o structură relativ simplă”, a spus el.

„Cu această rețea mai complexă care transportă o cantitate mare de date, putem stimula dezvoltarea inteligenței artificiale prin imitarea îndeaproape a modului în care neuronii din creierul uman comunică pentru a efectua un calcul mai eficient și a obține rezultate mai precise”, a conchis matematicianul.