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L'IA confronta cellule di specie diverse: da dove vengono i neuroni?
I ricercatori di Stanford Medicine, insieme a Biohub e Chan Zuckerberg Initiative, hanno sviluppato TranscriptFormer, un modello di intelligenza artificiale che confronta cellule di specie diverse. Il lavoro, pubblicato su Science e presentato dall’ateneo insieme a uno studio su Nature, individua somiglianze molecolari tra cellule delle spugne e neuroni di altri animali, offrendo indizi sull’evoluzione delle cellule nervose.
Il confronto parte dai geni utilizzati dalle singole cellule. Le misure dell’RNA permettono di ricostruire questa attività: una cellula beta del pancreas attiva il programma necessario a produrre e rilasciare insulina, mentre un linfocita B produce anticorpi. Gli atlanti cellulari raccolgono questi profili e consentono di distinguere tipi cellulari, tessuti e condizioni biologiche attraverso le loro caratteristiche molecolari.
Il precedente modello, universal cell embedding, descritto su Nature, aveva già organizzato 36 milioni di cellule di otto specie in una rappresentazione matematica comune. L’atlante comprende più di mille tipi cellulari denominati. Il sistema può collocare nuovi dati in questa mappa senza un ulteriore addestramento, anche quando provengono da specie assenti nei dati iniziali.
TranscriptFormer amplia il confronto con un addestramento su 112 milioni di cellule di 12 specie, distribuite lungo circa 1,5 miliardi di anni di evoluzione. Il modello apprende regolarità nei profili di espressione genica e rappresenta le cellule in uno spazio matematico condiviso: la vicinanza tra due profili permette di valutarne la somiglianza anche quando appartengono a organismi molto distanti.
Un’applicazione riguarda i coanociti, un tipo di cellula delle spugne. Nell’analisi risultano simili ai neuroni del verme Caenorhabditis elegans e della rana. Il risultato offre ai ricercatori un confronto molecolare per esplorare le origini delle cellule nervose; questa somiglianza, però, non dimostra da sola una discendenza evolutiva diretta.
Un altro risultato coinvolge le cellule neuroidi delle spugne, chiamate così per alcune caratteristiche simili a quelle nervose. Il loro profilo di attività genetica risulta invece più vicino a quello di cellule ghiandolari della rana. I ricercatori suggeriscono quindi un possibile coinvolgimento nella digestione, mostrando come il confronto molecolare possa suggerire funzioni diverse da quelle evocate dal nome.
Gli autori hanno inoltre verificato la capacità di riconoscere tipi cellulari in specie escluse dall’addestramento e di distinguere stati cellulari patologici nell’uomo. Nelle rappresentazioni di TranscriptFormer emergono anche relazioni tra cellule durante lo sviluppo e gerarchie tra tipi cellulari, senza che queste informazioni siano state fornite esplicitamente durante l’addestramento.
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