Перейти к основному содержанию
Узнайте больше о дистанционной работе и обучении во время вспышки COVID-19
Перейти к основному контенту
Новости
Заглавное фото: комаров с вольбахией выпускают в сельской местности на Фиджи.

ИИ в глобальной схватке с лихорадкой денге

Грант Microsoft AI for Earth поможет навсегда остановить распространение инфекционных заболеваний, переносимых комарами

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?

Обычный домашний комар Aedes aegypti
Обычный домашний комар Aedes aegypti

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.

«В каком-то смысле вольбахия для комаров то же, что и камень криптонит для Супермена, потому что она ограничивает репликацию в теле комара вируса денге и других ему подобных».

 

- Бен Грин, старший менеджер проекта, World Mosquito Program
Бен Грин, старший менеджер проекта, World Mosquito Program

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.

«Искусственный интеллект наиболее ценен тогда, когда работает в фоновом режиме, давая людям возможность сосредоточиться на решении практических задач».

Лукас Хоппа, директор по проблемам окружающей среды в Microsoft
Лукас Хоппа, директор по проблемам окружающей среды в Microsoft

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.

«Имея данные анализа на уровне всей страны, а не только соседних районов, мы сможем выпускать в природу комаров с вольбахией там, где это наиболее эффективно».

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.

AI for Earth – грант Microsoft размером в 50 млн долл. и пятилетнее обязательство перед всей планетой использовать ИИ ради будущего Земли. Программа The World Mosquito Program была удостоена премии Asia Pacific’s Signature AI for Earth. Такие гранты ставят своей целью работу на благо общих с партнерами и клиентами ценностей, предоставляя ресурсы глобальных и региональных команд специалистов Microsoft, включая финансирование и инженерную поддержку. Они позволяют осуществлять масштабируемые проекты, направленные на трансформацию того, как люди и организации исследуют, моделируют и управляют естественными системами Земли.