ИИ в глобальной схватке с лихорадкой денге

По ухабистой сельской дороге одного из островов Фиджи в Тихом океане осторожно катится машина. Как только автомобиль достигает густых тропических зарослей, женщина на заднем сидении достает коробку с запечатанными пластиковыми контейнерами. Она открывает один за другим и методично вытряхивает содержимое через открытое окно.

Она выпускает партию комаров, выращенных в лабораторных условиях и модифицированных учеными, чтобы уничтожить возможность распространения лихорадки денге.

Регулярное выпускание в природу таких комаров полевыми работниками и волонтерами в определенных, специально выбранных общинах в Юго-Восточной Азии и Южной Америке, дает поразительные результаты. Сейчас исследователи обратились к цифровым технологиям, которые помогут победить эти болезни на мировом уровне.

Почти 40% населения Земли – около 3 млрд человек в 100 странах – проживают в местностях, где высок риск заболеть лихорадкой денге и другими смертельно опасными вирусами, переносимыми насекомыми, например, вирусом Зика, желтой лихорадкой или болезнью чикингунья. Значительная часть людей планеты живет за чертой бедности и в условиях крайней перенаселенности. Самое трагичное то, что наиболее уязвимыми как всегда оказываются дети.

«Что я помню о лихорадке денге – это страшная боль по всему телу, – вспоминает Эвисейк Вайниколо, мать семерых детей, жительница Фиджи, которая перенесла это заболевание в детском возрасте. – Невозможно передать, какая это боль».

Терапии против этих заболеваний, к сожалению, не существует. Но что если создать что-то, что сможет уничтожить способность комаров инфицировать человека?

И такое средство было найдено. Это бактерия под названием вольбахия. В некотором смысле она для комаров то же самое, что камень криптонит для Супермена. Причина тому – вольбахия ограничивает репликацию в теле комара вируса денге и других ему подобных.

Всемирная инициатива World Mosquito Program включает в себя выращивание в лабораторных условиях комаров, которым была сделана микроинъекция бактерии вольбахии, с последующим выпусканием их в природу для спаривания с местными особями. Такое скрещивание распространяет вольбахию на всю популяцию насекомых и нейтрализует их способности к переносу заболевания.

Годы научных изысканий, многочисленные попытки внедрения методом проб и ошибок, большая работа с населением в конечном итоге привели к впечатляющим результатам в целевых местных общинах.

Штаб-квартира всемирного некоммерческого исследовательского консорциума находится во Вьетнаме, но на данный момент программа кардинально меняет масштаб и цели. Недавно она была удостоена гранта Microsoft AI for Earth, который позволит методу борьбы с распространением болезней с помощью вольбахии достичь глобального охвата.

С помощью больших данных, машинного обучения, искусственного интеллекта и вычислительных мощностей облака неприметный микроорганизм может вскоре стать международным супергероем на страже общественного здравоохранения.

«Но ключ к успеху программы лежит в определении лучшего места для выпускания модифицированных комаров для максимальной эффективности», – говорит Бен Грин, старший менеджер проекта программы, которая ставит перед собой цель защитить 100 млн человек в 12 странах.

Ученые, работающие над программой, собирают подробные массивы данных для создания предиктивной модели глубокого обучения, которая сможет показать наилучшие места выпускания таких комаров в любой точке земного шара.

Как считает Лукас Хоппа, директор по проблемам окружающей среды в Microsoft, ИИ может буквально изменить правила игры для некоммерческих организаций. В случае с этой программой ИИ-модель обладает потенциалом радикально изменить всю работу и повысить эффективность, освободив исследователей от кропотливой и затратной по времени задачи анализа данных.

«Скорость обработки и объем аналитических данных больше не будут ограничивающими факторами. ИИ сделает эту часть работы фоновой и позволит людям сосредоточиться на практических вопросах, – говорит Хоппа. – Они смогут собрать вместе все полученные данные, все имеющиеся экспертные знания и расширить всю свою работу до глобальных масштабов вместо того, чтобы дискретно передвигаться от проекта к проекту, от одного географического участка к другому».

Как «работает» вольбахия 

Вольбахия – природная бактерия, живущая внутри клеток почти 60% видов насекомых, кроме (и это критически важно) вида Aedes aegypti, комара, укусы которого могут заразить человека.

Когда ученые вводят бактерию вольбахия в клетки Aedes aegypti, способности комара к передаче вируса радикальным образом снижаются. Вдобавок к этому, вольбахия существенно меняет процесс размножения комаров.

Так, когда мужская особь с вольбахией спаривается с женской, в которой ее нет, яйца, отложенные самкой, будут неспособны к вылуплению. Когда самка с вольбахией спаривается с самцом без нее, потомство будет содержать вольбахию. Когда обе спаривающиеся особи содержат вольбахию, то потомство также наследует бактерию. Через несколько поколений количество комаров с вольбахией увеличивается экспоненциально и достигает точки, когда практически все комары будут иметь ее в своих клетках. В результате несмотря на то, что людям все равно никуда не деться от укусов комаров, с болезнями, переносимыми ими, будет покончено.

Выпуская мечту 

За последние годы ученым удалось значительно усовершенствовать методы передачи бактерии в клетки комаров. Это позволило сосредоточиться теперь на выведении модифицированного вида и выпускания его в природу местными общинами во всем мире.

Мальчик из бедного района Пудучерри в Южной Индии открывает крышку банки и вытряхивает по дороге десятки комаров. В деревне вблизи Джокьяакарта, что на индонезийском острове Ява, женщина выливает в местный пруд воду с яйцами модифицированных комаров.

Подобные сцены можно увидеть в Колумбии и Бразилии в местных общинах, которые были целенаправленно отобраны учеными. А во Вьетнаме мужчина снимает крышку с пластикового контейнера, сидя на своем скутере на рынке города Вин Луонг.

«Когда мы выпускаем в природу этих комаров, у нас возникают такие чувства, будто мы отпускаем на волю надежду», – объясняет Саму Туидраки, глава местного самоуправления Наревы, деревни на Фиджи.

Впервые за столетие в результате интенсивной кампании лихорадка денге была полностью ликвидирована в Квинсленде, в северной части Австралии. Также целенаправленные действия организации достигли значительных результатов в Азии и Южной Америке, там, где раньше местные власти пытались избавиться от популяций комаров с помощью инсектицидов.

«Наш метод использования вольбахии натурален и самодостаточен, – говорит Грин. – Мы считаем, что это самый экономически выгодный способ масштабного влияния на здоровье населения. На данный момент собраны доказательства, что метод может автономно проработать в местных популяциях до семи лет. Мы надеемся, что его действие будет продолжаться». 

Как машинное обучение и ИИ выведут борьбу на глобальный уровень 

Партнер программы по математическому и компьютерному моделированию Gramener занимается разработкой машинного обучения для ИИ-модели. Он использует записи с текущих точек выпускания, датасеты по плотности населения, данные землепользования и с промышленных предприятий, погодные условия и многие другие переменные. Снимки со спутников будут использованы при разметке обширных городских территорий с гранульной точностью, что является стратегически важным.

Поставленная задача заключается в способности точно определять наиболее результативные точки для выпускания насекомых на территориях, размер которых не превышает 100 квадратных метров.

«Мы хотим нацелиться на те области, где наше вмешательство больше всего необходимо, – говорит Грин. – Мы будем выпускать комаров с вольбахией в наиболее эффективных местах, используя анализ данных в масштабе всей страны, а не только прилегающих территорий. Наша цель – увидеть страну целиком, наложить модель на все зоны проживания людей и, таким образом, создать абсолютно не имеющую аналогов обобщенную картину мест наибольшего влияния».

Хоппа считает, что машинное обучение и ИИ – действенные инструменты для некоммерческих организаций, которые стараются отвечать на сверхсложные вызовы, имея при этом очень ограниченные ресурсы.

«Программа The World Mosquito Program началась с задачи понять, как справляться с проблемой таких болезней. В данном случае участники смогли разработать механизм нейтрализации способности переноса заболеваний у комаров. Затем они проработали места выпускания в природу модифицированных особей».

«Затем стали накапливаться тонны данных, и это превратилось в одну большую проблему неупорядоченных данных, при этом ученые вручную пытались сравнивать разные датасеты для определения мест с наибольшей эффективностью».

«Именно здесь на помощь пришло машинное обучение. Оно позволяет взять все эти данные, выделить степень вероятности для каждой точки и нанести на карту. Это экономически эффективно и легко масштабируемо. Вместо визуализации данных и аналитики для каждого района можно получить картину сразу всего города, целой страны или мира».

«Это оказалось возможным потому, что для используемых датасетов возможно обобщение в глобальном масштабе. Модель, которая работает здесь, может работать в любом другом месте». 

Заглавное фото: комаров с вольбахией выпускают в сельской местности на Фиджи.