在本月的eLife播客中，人工智能揭示了一种更好的前列腺癌检测方法，大脑中是否充满了神经干细胞，倭黑猩猩是否有文化偏好，以及为什么有些昆虫会玩“跟着我的领导走”……
在这一集里
人工智能预测前列腺癌的严重程度
拉夫堡大学的Georgina Cosma和诺丁汉特伦特大学的Graham Pockley
医学上有句老话，如果你活到80岁，那么80%的人会得前列腺癌，当然前提是你是男性。但这并不意味着80%的男性会死于前列腺癌。有些人会，但大多数人会死于完全不同的东西。换句话说，他们不需要积极的——可能改变生活质量的前列腺癌治疗。问题是，当我们在一个人身上发现前列腺癌时，我们不知道谁需要干预，谁不需要干预。但这种情况可能即将改变。克里斯·史密斯采访了格雷厄姆·波克利和乔治娜·科斯马，他们使用机器学习算法来识别血液中存在的自然杀伤细胞上的一组标记物，这些标记物可以更准确地检测出谁真正患有前列腺癌，以及他们疾病的可能侵袭性……
Graham -前列腺癌每年影响英国大约45000名男性。大约有11到12000人死于这种疾病。治疗前列腺癌患者的一个大问题是首先要非常清楚地了解他们是否患有这种疾病，因为目前的测试并不是很有效。如果他们确实患有这种疾病，这种疾病有多严重?他们需要治疗吗?还是只能任其自生自灭?因此，我们试图解决的关键问题是通过一种简单的血液测试来提高前列腺癌的诊断，而不是从病人身上取出组织，在显微镜下观察。
克里斯-我们确实有一些血液测试可以用来诊断前列腺癌或至少监测它。那么这有什么问题呢?
格雷厄姆:是的。最常见的检查是前列腺特异性抗原(PSA)检查。这是一种血液测试，测量血液中某种分子的水平。前列腺特异性PSA测试的问题在于，在某些情况下，前列腺癌患者的PSA水平是正常的。在其他情况下，它可能会在没有前列腺癌的男性中升高。所以有很多假阳性和假阴性，这就造成了一个问题，因为它不允许这种特殊的测试用于筛查大量的男性，因为它给出了错误的结果。
克里斯:那你做了什么来解决这个问题呢?
格雷厄姆:关键是我们还是想做血液检查，因为这显然是最容易做到的事情。所以我们决定关注病人的免疫系统。在保护人们免受感染的同时，免疫系统也保护人们免受癌症的侵害，免疫系统可以识别癌症的存在。所以我们想，如果我们拍下血液中免疫系统的照片，可以用来判断一个人是否患有前列腺癌吗?如果他真的得了前列腺癌，会有多严重。
克里斯-乔治娜，你们到底是怎么做的?
乔治娜:在这项研究中，我们收集并检查了72名患者的自然杀伤细胞。在这些患者中，31人患有前列腺癌，41人是健康患者。这些生物学数据被用来制作计算机模型，用来检测前列腺癌的存在及其严重程度。
Graham -我们所做的测试是从病人身上提取血液样本和免疫细胞。我们通过分析来观察它们是如何出现的。这样我们就可以识别出这些白细胞的一系列不同的特征，这些自然杀伤细胞。然后我们想要评估这些特征的轮廓或特征在患有前列腺癌的男性和没有患前列腺癌的男性之间是否有任何差异。
克里斯-这就是你来乔治亚州的原因。
乔治娜-是的。所以我们最初有32个生物标记物，目的是找到生物标记物的子集，可以用来预测前列腺癌的存在和严重程度。我们最后使用了一种技术，这是一种计算优化方法，来识别一组生物标志物，这些生物标志物将为预测前列腺癌提供良好的指纹。我们发现的指纹随后被用来建立一个机器学习模型。
格雷厄姆:从本质上讲，你知道你有这些特征，你可以在那里寻找，但你不知道哪种组合将是最强大的，最有力的预测谁真的得了病或没有。确定了你认为是正确的选择之后，你就可以开始建立一个模型，这样你就可以把它向前推进，用更多的数据有效地测试它，看看它有多好
乔治娜:对，没错。因此，在选择了最好的候选生物标志物之后，我们开发了基于机器学习的工具。这导致预测模型比临床用于检测前列腺癌的PSA测试准确12.5%。我们还开发了第二种检测工具，在预测前列腺癌患者的疾病风险方面准确率达到99%。
Chris - Graham，基本上，你现在有了一个测试它可能比单独的PSA更准确。
格雷厄姆:是的，没错。我认为一般来说，PSA测试在10个病例中只有3个准确。所以有很多做了PSA测试的人被告知他们得了前列腺癌，但其实他们没有。另一个问题是，在绝大多数情况下，男性死于前列腺癌，而不是前列腺癌本身。所以在大多数情况下，这并不是一种限制生命的疾病，但人们会被贴上前列腺癌的标签，不得不在余生中忍受这种疾病。这个测试可以让我们在第一个病例中识别前列腺癌的存在，但更重要的是我们可以对其进行分类，或者我们可以说这种疾病是值得担心还是不值得担心。这使得临床医生能够专注于治疗更具侵袭性的疾病。
Chris - Georgina，想必你已经对这个模型进行了实际测试，通过对患有未知诊断的人进行测试，然后从你的模型中得到预测结果，然后采用金标准，可能是对这些人进行活组织检查或其他什么，以确定你实际上做出了准确的预测。
乔治娜:是的。我们还使用一组在训练和测试过程中未使用的记录进行了单独的测试。所以这就像一个小型的临床试验，我们把完成的机器学习模型输入大约10个测试记录，然后看看模型的输出，并将其与他们的黄金标准进行比较，也就是我们的活检结果。
Chris:关键的是，当人们被诊断出患有前列腺癌时，他们常常处于两难的境地，不知道他们是应该寻求积极的干预，还是观望等待。这能帮助他们做出决定吗?
格雷厄姆:是的，当然。我认为这是这个项目的基本发现。它可以使决策更加准确。这种方法将减少约70%的活组织检查，这是一种相当不愉快的经历。每20名接受这种手术的男性中就有1人会受到某种形式的感染。所以它真正允许临床团队做的是告诉一个人，你有一个非常低级别的前列腺癌，但这绝对没有什么可担心的。没有必要治疗。或者说你得了前列腺癌，这是我们担心的事情，我们确实需要进一步研究，然后进一步调查。但这将消除对大部分男性的不必要调查。目前这是不可能的。
星形胶质细胞充当神经干细胞
Jens Magnusson，斯坦福大学
在20世纪90年代末，科学家们颠覆了神经科学的一个核心教条:他们表明，即使在老年人中，新的神经细胞仍在大脑的某些区域诞生。以前我们认为，像我们这样的高等动物，神经发生在出生后不久就停止了。现在科学家们有了一个更惊人的发现:星形胶质细胞，大脑中的非神经元支持细胞，可以通过将自己转化为类似神经干细胞的细胞类型并产生新的神经元来对损伤做出反应。虽然还处于早期阶段，但它可能具有巨大的治疗潜力。克里斯·史密斯从延斯·马格努森那里听到了这个故事……
延斯:大脑在对受伤做出反应时，替换死亡神经元的能力非常差。我们之前已经发现，大脑中有一种非常丰富的支持细胞，叫做星形胶质细胞，它可以激活神经元生成能力，以应对老鼠的某些损伤。但并不是所有的星形胶质细胞都有这种能力。我们想研究一些星形胶质细胞产生神经元的机制，因为我们认为从长远来看，这可能使我们能够招募星形胶质细胞作为一种储存新神经元的储存库，这种储存库可以用于治疗。
克里斯:传统上，我们认为星形胶质细胞是支持细胞，但是如果你损伤了大脑，你会发现它们会大量生长，就像疤痕一样。所以这似乎与你所说的它们现在能够产生神经细胞有点矛盾。那么它们是不同种类的星形胶质细胞在起作用吗?
延斯:我们认为星形胶质细胞有不同的程序，所以它们可以被激活。受伤后星形胶质细胞确实会产生疤痕。我们发现脑卒中损伤后星形胶质细胞也能产生新的神经元。我们想要了解产生这种反应的分子程序。
Chris -那你是怎么做这个研究的，跟我们说说你用的是什么方法，然后我们也许可以解开这些结果告诉你的东西。
Jens:我们使用了一种叫做单细胞RNA测序的方法。这是一种读取单个细胞的整个基因表达谱的方法。现在，这是有用的，因为细胞类型和细胞状态可以通过它们表达的基因组合来识别。所以我们首先通过老鼠大脑中的星形胶质细胞来触发神经元的产生。然后我们观察他们的基因表达谱当他们开始在老鼠身上产生神经元时。我们发现了两件特别有趣的事情。首先，当星形胶质细胞开始产生神经元的能力时，它们首先经历了一些变化，使它们与神经干细胞极其相似。所以在大脑的某些部位有神经干细胞不断地产生新的神经元。我们的星形胶质细胞变得和它们非常相似。我们发现的第二件事是，即使只有一小部分星形胶质细胞继续生成神经元，所有的星形胶质细胞似乎都启动了这个神经元生成程序，但随后它们的发育中途停止了。 And we found that we could inject a type of growth stimulating protein into the brains of these mice and this helped some of the halted cells to resume their neuron production.
Chris -这是否有治疗的潜力在某种意义上，你可以进入大脑的某个区域，这个区域受到某种创伤，某些损伤，可能在一组神经元中有一些选择性的脆弱，这些神经元已经丢失，刺激当地的星形胶质细胞群体分化回到并重新填充缺失的神经隔间?
延斯-我们希望从长远来看，这正是我们能够做到的。现在我们还远没有到那一步，但是如果星形胶质细胞可以被看作是休眠的神经干细胞，我们认为这是非常令人兴奋的，因为大脑替换死亡神经元的能力非常低。如果大脑被证明充满了休眠的神经干细胞，那么如果我们能想出如何释放它们的潜力，那么这可能代表了一种潜在的方法来改善大脑在受伤和疾病后的修复。
克里斯-你用这种方式产生的神经细胞的表型如何?它们只是普通的神经元吗?还是你最终得到的神经元与大脑中星形胶质细胞所在的部分相对应，当你开始以这种方式刺激它们时?
延斯:我们没有发现证据表明星形胶质细胞产生的神经元与它们所在区域的亚型相同。星形胶质细胞倾向于产生中间神经元，这些中间神经元在它们产生的组织中并不一定丰富。所以我们认为，为了使它在未来的治疗中发挥作用，其他的生物工程方法将是必要的，以便将星形胶质细胞导向所需的特定类型的神经元。
克里斯-你知道这些新生神经细胞的存活率是多少吗?因为当人们研究大脑中新神经元的生成时，因为这在成人大脑中确实会发生，不是吗，在某些区域，神经干细胞会在一生中继续产生神经元，这并不是说新的子神经细胞会存活下来。那么星形胶质细胞衍生的神经细胞存活的比例是多少，能存活多久?
詹斯:很低，不到1%。我们不知道这是神经源性过程的缺陷，还是一种内在机制。
Chris -你知道如果你能改变细胞的生存能力吗，有没有这些细胞试图死亡的常见途径，有可能阻止它们?
其他研究小组发现，用某些化学物质治疗大脑可以提高生存能力。所以我认为这在原则上是可能的。
有文化偏好的倭黑猩猩
Liran Samuni，哈佛大学
如果你从刚果民主共和国的首都包租一架飞机，飞行4个小时，然后骑6个小时的摩托车，最后再步行几英里，你会遇到一个田野，那里发生了一种独特的现象:两群有着截然不同的文化偏好的倭黑猩猩。伊娃·希金波坦从利兰·萨穆尼那里听说了他们的计划……
黎然——作为人类，我们是这种疯狂的、特殊的、独特的物种。我们遍布世界各地。我们有合作的能力，这在动物界是没有的。其中一个被认为是人类的独特之处是我们对文化和文化差异的巨大能力，这是通过学习获得的群体特定行为。我认为其中一个问题是，在历史上，在我们物种的进化过程中，我们是在哪里发展出文化行为或文化差异、传统的倾向的?当我们研究人类的进化时，一种方法是通过化石。我们去挖掘，我们发现化石，告诉我们一些关于我们物种的历史。但当我们想要研究特定的行为时，用化石就很棘手了，因为行为不会变成化石。从这个意义上说，我们求助于我们的一些亲戚，灵长类动物，尤其是倭黑猩猩和黑猩猩，它们是我们最亲近的亲戚。这篇论文关注的是我们所说的行为多样性，尤其是生活在同一环境中的两组倭黑猩猩之间出现的行为多样性。 Each group is specialised on the hunt of different prey. One group hunts antelopes, small antelope called the Diker, and the other one hunts a gliding rodent. The striking thing is that despite the fact that they live just in the same environment, they hang out in the same places, they still show this group identity in terms of what they feed on
伊娃:生活在同一环境中的同一物种的动物在行为上有这种差异，这令人惊讶吗?
立然——我认为它非常独特和特别。是的，因为我们可以想象，很多行为的形成和产生都是动物对环境的反应。如果环境是一种特定类型的环境，那么不同的行为就会出现。但在这里，我们有完全相同的环境，但对于相同的环境，仍然有几乎两种不同的解决方案。
伊娃:羚羊和另一组捕食的小型啮齿动物是如此不同，似乎在策略上有很大的不同。你认为这两个群体之间的差异来自哪里?
丽然:这是个好问题。这有点神秘。我们的一个想法是，肉是一种高质量的食物，但它非常罕见，而且很难得到。所以狩猎的频率很低。当他们设法抓住动物时，他们非常兴奋，互相拥抱，大声喊叫，非常兴奋。我们的一个想法是，生活在同一地区的两个种群有如此不同的技术来避免它们之间的竞争。所以，如果我们可以想象有这种高质量的食物很难获得，而且非常罕见，那么对于每个群体来说，专注于不同的猎物可能是有利的，这样可以避免竞争或减少竞争。
伊娃:关于文化的演变，这能告诉我们什么?
黎然:我们现在知道，社区文化是一种代代相传的知识，文化是通过知识的传承而形成的。我认为，我们没有充分的证据表明非人类动物有这种文化。然而，文化的基本能力，这是两个不同的群体，在他们的环境中没有差异，但仍然表现出一些行为的多样性，这些行为是作为学习的功能而进化的，我认为这表明了文化的先决条件就像今天的人类一样。所以我认为，尤其是倭黑猩猩和黑猩猩都表现出这些能力的事实，告诉了我们很多关于我们的祖先是怎样的。我们想要研究这些动物的另一个非常重要的原因是保护。世界上有关于自然和野生动物的知识，我们可以把它看作是一个装满了没有人读过的书的图书馆。通过研究，我们能够对其中的一些书有一个粗略的了解。我认为，随着生物多样性的危机，这几乎就像想象这座图书馆将被烧毁，这些知识将永远消失。所以我认为，在某种程度上，研究这些动物，我们正在努力保存一些知识，同时保护这些不可思议的动物
加勒比海地区的胆固醇水平
罗德里戈·卡里略，伦敦帝国理工学院
医学上有很多这样的例子，我们使用从一组人身上收集的数据，然后将其更广泛地应用于整个人群，有时是错误的。例如，一些降压药，我们现在知道在某些人群中比其他人群效果更好，可能是由于遗传原因。血液中的胆固醇——或者更准确地说是血脂水平——是另一个例子。罗德里戈·卡里略在加勒比海和拉丁美洲工作，他向克里斯·史密斯解释说，这就是他一直在关注的问题。
罗德里戈:所以我们想知道拉丁美洲和加勒比地区最常见的脂质问题是什么。在欧洲、美国和亚洲也有大量的大规模研究，但在拉丁美洲和加勒比等低收入国家，以及非洲，这些众所周知的问题仍然没有答案。
克里斯:很明显，这对于健康来说是很重要的，因为如果我们想要控制疾病，预测疾病风险，并相应地提前计划，我们需要知道这些数字而不是仅仅假设北美或欧洲的情况适用于其他国家。
罗德里戈:当然。对于这类事情，我们可能还在试图回答最基本的问题。比如我们有多少人，那里有多少人?他们在哪里?在一些国家进行了一些规模较小的研究，但从整个地区来看，我们仍需要回答许多问题。
克里斯:这些原始材料是为了让你研究而存在的吗?还是说你必须从一开始就进行研究，从身体上抽血，观察人们的胆固醇水平来发现这一点?
Rodrigo:在这项工作中，我们依赖于公开的数据。所以我们做了一个系统的回顾，简单来说就是查看每一篇期刊文章，科学论文，当他们测量脂质或任何类型的胆固醇时提取信息，以获得尽可能多的国家的信息。
Chris -所以当你把所有这些研究合并在一起时，你最终要考虑多少受试者，多少人?
罗德里戈:我想大概是15万吧。
Chris -这么大的数字，当你提取这些数据时，有什么明显的趋势吗?
低高密度脂蛋白对你的健康不是很好。我们发现这是最常见的特征。
克里斯-那其他的危险因素呢，比如甘油三酯，还有LDL坏胆固醇，它们也会导致动脉硬化?它们显示了什么?
对于低密度脂蛋白，我们也发现了相当大的估价值，相当大的患病率，尽管它比HDL小。对于甘油三酯，我们也发现了大量的数据有趣的是，甘油三酯在安第斯拉丁美洲略高一些，可能是秘鲁，厄瓜多尔和瓦莱里亚。这可能与他们在这些国家的饮食有关，这些饮食可能主要以碳水化合物为基础。
克里斯:你认为你在这里看到的在多大程度上只是人们生活的环境和他们的生活方式?换句话说，我知道如果你喝太多酒，你会降低高密度脂蛋白有益胆固醇。这在多大程度上与一个人的种族有关?因为很明显这些地区多年来也有很多移民这些人很可能带来了疾病风险，不是吗?那么，如果可以的话，如何剖析这些影响呢?
罗德里戈:是啊，这份工作很难做到。虽然我认为你是对的。生活方式与此有很大关系，但不仅仅是生活方式，还有获得更好生活方式的机会，例如，体育锻炼和饮食。你有什么饮食习惯?不幸的是，就像你说的，你无法区分外来移民和内部移民，有时从农村地区到城市地区的内部移民——这些人通常没有最高的生活水平。当然，这对他们能负担得起的饮食也有影响。
Chris:从你的发现中你得到了什么启示?高密度脂蛋白水平低，低密度脂蛋白水平高，甘油三酯水平高，还有一些可能与饮食有关。你想要传达的信息是什么?这些信息应该如何帮助我们了解这些地区未来的心脏病风险?
Rodrigo -关键信息是低密度脂蛋白很重要。许多，如果不是全部的话，临床指导都针对这一点进行药物治疗。有很多证据表明降脂药物是如何起作用的，对你的健康有很大的好处。但这些药物通常对HDL不起作用。所以，我想我们要传达的信息是，我们必须从医生的角度出发，在需要的地方开药，同时从公共卫生的角度出发，我们应该给人们机会，让他们有机会接受健康的生活方式，让他们有机会进行体育锻炼，有机会获得充足的饮食。并将其纳入临床指南，以及政策或战略中。在过去的一年里，在肥胖、血压和糖尿病方面有很多证据和很多工作，但脂质和胆固醇总体上没有得到很好的关注。
蚂蚁和白蚁串联奔跑
加布里埃尔·瓦伦蒂尼，亚利桑那州立大学
蚂蚁和白蚁表现出一种叫做“串联跑”的行为。这是两只昆虫冒险出来的地方，一只领头，一只跟随。如果你只是瞥见他们这样做，你就会得出结论，这是出于同样的原因而进行的相同行为。但实际上蚂蚁多次这样做是为了教同伴去新的地方，而白蚁在交配后只做一次，以建立一个新的巢穴。对于白蚁来说，这是一个跟随我的领导的例子;但对蚂蚁来说，情况就不一样了:领导者决定方向，但追随者设定速度，这样她就可以学习前进的道路。为了发现这一点，加布里埃尔·瓦伦蒂尼(Gabriele Valentini)录制了视频，观察动物在培养皿中跑来跑去，然后用图像跟踪软件提取出哪只昆虫在发号施令的信息，他向克里斯·史密斯(Chris Smith)解释道……
加布里埃尔-这种行为实际上在许多昆虫中很普遍，比如蚂蚁和白蚁。它们使用非常相似的通信机制。所以我们让追随者触摸领导者的背部来传达它的存在，而领导者则释放出可以被追随者感知的挥发性信息素。我们还知道，在蚂蚁中，领导者确保追随者在环境中学习新的路径，而在白蚁中，他们只是在一个未知的环境中导航。所以白蚁串联跑的作用很简单??
克里斯:那么你是如何进行这项研究的，研究过程中出现了什么?
Gabriele -我们解决这个问题的方法是观察领导者和追随者是如何相互分享信息的。我们做了几个实验，跟踪领导者和追随者一段时间，我们所做的是观察领导者和追随者的轨迹是如何相互影响的，通过观察领导者和追随者之间不同类型的信息是如何流动的。
克里斯:你能描述一下你实际做的实验吗?
Gabriele -我们用蚂蚁和白蚁做了实验。这两个物种的设置是不同的。蚂蚁在找巢。我们实际上是在开始一个新的移民，让他们探索环境，寻找一个新家。一旦它们找到了这个新家，它们就会开始在那里招募新兵。这是我们对实验非常感兴趣的部分。所以我们重复几次这样的实验，让这个群体迁移几次。对于每一次迁徙，我们都记录了蚂蚁的串联以及领导者和追随者的轨迹。白蚁的情况有点不同。这是因为它们不会在环境中已知的位置进行招募，但它们只在交配后才会使用这种行为。 So we had to collect unmated termites, allow them to mate, and after that we put them in a petri dish where there was no nest they could find. We recorded the entire experiment using a video camera placed on top of this arena. And from the video recording, then we were able to use tracking software to extract the trajectory of the leader and followers.
克里斯:一旦你把所有这些视频拼凑起来，看了所有这些蚂蚁和白蚁的奔跑，你学到了什么?
Gabriele—领导者和追随者之间至少有两种类型的信息在交换。一个是关于运动方向的信息，是向左转还是向右转。另一个重要的信息是他们跑步的速度——什么时候停下来，什么时候继续运动。虽然蚂蚁和白蚁可以使用相同的沟通机制，但我们发现，在白蚁的情况下，领导者同时控制着运动的方向和速度。这一切都是有道理的，因为我们知道他们是随机搜索的，所以追随者对这种行为的输入可能不那么重要。对于蚂蚁来说，有趣的发现是，我们看到领导者决定运动的方向，是向左转还是向右转，而追随者实际上控制着奔跑的速度——什么时候停下来，什么时候继续前进。这是一个非常重要的发现，因为它为蚂蚁串联行为背后的假设提供了支持，即追随者从环境中获取信息，以便指导未来的环境之旅。在这种情况下，我们知道领导者正在穿越环境，选择运动方向，以便向追随者展示环境的这一部分。
克里斯-那他们为什么要慢下来呢?跟随者的变化率有什么好处?
加布里埃尔:我们还没有证明，但我们的主要假设是，我们的主要假设是，追随者正在观察周围的环境，寻找她可以记住的地标，并将其作为指导未来旅程的信息。当他们移动时，他们有一个相对较高的速度，追随者非常专注于不失去领导者。但时不时地，她会休息一下。在休息期间，跟随者离开领队，与领队保持几厘米的距离，通常会绕一圈，然后回到领队身边，触摸并重新开始旅程。所以这些长时间的停顿实际上是一种机制，但为追随者提供了从环境中获取视觉信息的时间。只有当追随者对这些信息有足够的信心时，她才会提示继续旅行。
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