诺奖得主谈21世纪生物医学革新：数字技术如何推动未来医学发展？半岛BOB

　　半岛BOB20世纪末，人类开启了基因组计划，旨在测定组成人类染色体中的核苷酸序列，从而绘制人类基因组图谱，达到破译人类遗传信息的最终目的。生物学的时代尚未到来，人类对于生命的密码仍然所知甚少。但随着计算机革命浪潮的传播，科学家们利用计算机仿真技术将人体相关数据模拟化与模型化，由此创建出现实人类在计算机系统中的虚拟孪生体。这一孪生体可以考虑到每个人作为个体的具体特征，通过模拟临床试验，实现真正个性化的医学治疗。

　　在普林斯顿大学出版社（PUP）2023年的新书 Virtual You 中，Peter Coveney 和 Roger Highfield 详细介绍了虚拟孪生体在医学领域的应用与发展前景，也许在未来几十年中，数字孪生体将彻底改变人类的生活方式与健康情况。

　　本篇文章编译自 Virtual You 的序言部分。在此，诺贝尔化学奖得主 Venki Ramakrishnan 讨论了生物学研究的特点、历史与发展，并对本书内容进行了介绍。

　　* 8月6日，本书作者之一Peter Coveney 教授将来到北京，举办关于本书的主题演讲“数字孪生：虚拟现实技术与医学的未来”（Digital Twins: The Virtual Future of Medicine），感兴的读者可点击下文查看：**希望线上参与本次活动的读者，可点击“阅读原文”进行注册；如希望线下参与本次活动，可点击上文链接查看报名方式。

　　物理学家 Richard Feynman 曾经说过：“我不能创造的东西，我也无法理解。”也许我们也可以说：“我无法准确模拟的东西，我也无法理解。”我们了解飞机的飞行方式，知道在发动机故障或气流紊乱时会发生什么，因为飞行模拟器可以准确地预判我们可以采取的行动。飞行员们经常使用飞行模拟器进行训练，以模拟正常和意外的状况以积累经验，尽管有些飞行经验是他们在真实的飞行中可能永远不会遇到的。

　　在计算机上模拟人类的前景如何？乍看之下，这更像是科幻小说中的概念，而非现实。但事实上，目前人类在这方面已经取得了很多进展，本书将会带领我们前往探寻虚拟人类在医学领域应用的精彩旅程，并且告诉人们如果要创建数字版本的自己——我们称之为数字孪生体，首先需要做些什么，以及在这一过程中面临的挑战。

　　本书的关键主题是，希望生物学领域研究更多地运用基础理论，就像物理学领域正在做的一样。1976年，我从研究生毕业后离开物理学转而进入生物学领域时，立刻注意到了一些差异。物理学和化学都有高度先进的理论，可以帮助人们指导甚至预测实验和行为。因此，基于理论考量，就可以发明晶体管和激光器，合成全新的化合物，甚至可以建造一个数十亿美元的加速器来寻找理论预测的希格斯玻色子。不过，理论的适用性也不是十全十美的，比如高温超导现象就没有一个良好的理论解释，人们也无法预测金属混合物超导行为的细节。

　　相比之下，在上世纪70年代，生物学更偏向于观察和经验研究。生物学的确有一个很全面的理论半岛BOB，即自然选择是推动所有生命演化的驱动力。这个理论具有很强的解释力，但它并不具备详细的预测力。生物学也存在针对特定生物学事件或反应的局部理论或模型，比如神经冲动（nerve impulse）的传导方式，各种生物分子马达（biological motors）的工作原理，或者人对注射肾上腺素的反应等。这些生物学现象都有相应的解释，但这些解释缺乏预测全部系统的能力，这是一种从一组初始条件预测系统（甚至是像细胞这样的基本单元系统）在任意条件下如何演化的能力。

　　有一部分问题在于维持生命所涉及的影响因素数量巨大。本世纪初，人类大张旗鼓地公布了基因组序列，并承诺将开创一个新的生物学时代。基因组由成千上万个基因组成，所有这些基因的表达程度和时间都各不相同。此外，基因的表达受到DNA上的化学标记或与之相关联的蛋白质的调节，这些标记或蛋白质在细胞分裂过程中会持续存在，这也是表观遗传学的研究主题。最终，基因的表达及其在细胞中的功能是基因之间以及基因与环境之间相互作用的结果，也为形成巨大网络提供了环境。因此，早期诸如“了解某人的基因序列，就能够预测基因层面的结果”的想法都是牵强附会的。对单一细胞来说尚且如此，那么从理论上预测器官（更不用说完整的人体）结果的复杂程度就可想而知了。

　　在21世纪的前二十年中，生发于20世纪的生物学革命仍然持续着，但这次是通过计算和数据革命来加强的。现在，我们拥有着海量数据，包括成千上万个个体的基因组序列以及大量物种的基因组序列。我们拥有转录组图谱，可以告诉我们哪些基因在哪些细胞中何时表达（基因编码的信息发挥作用的过程）。我们还有交互组图谱，可以绘制成千上万个基因之间的交互作用。除此之外，我们还拥有有关人体生理和疾病的大规模数据，也有数百万人的个人健康数据。所有这些数据都远远超出了任何个人或团体分析和解释的能力。但与此同时，数据科学也在蓬勃发展半岛BOB，连接大型数据集并使对其进行解读的计算技术也在不断进步。

　　所有这些再加上理论的蓬勃发展，最终能否让我们模拟出生命形式？本书认为，这些发展汇聚在一起，正让我们有能力去实现这一野心勃勃的目标——数字化模拟人类每一个器官和每一个生理进程。当这一目标实现时，我们便可以开始提问：一个人在接受特定治疗时会有怎样的反应？什么时候有可能患上严重疾病？他们是否可以通过及早采取措施来预防疾病？哪种措施可能有效？人与人的免疫系统对感染会有怎样不同的反应？

　　这本书几乎讲述了计算生物医学每个领域的进展，涵盖人类的分子、细胞、器官乃至整个身体。这本书让我觉得在一些领域内，数字模拟（即真实事物的虚拟副本）几乎已经实现了。另外有一些目标看起来较为可行，但还有一些目标目前更像是科幻小说。原则上，这些目标可能最终都有可能实现，但实操上的困难之巨大，目前恐怕还难以克服。要区分哪些是幻想，哪些是展望，还有待学界辩论。Coveney 和 Highfield 也对数字意识持保留意见。

　　我们这些持怀疑态度的人应该记住，新技术有两个普遍特征。第一个是它们通常在最初可能运转得并不好，应用范围似乎非常狭窄和有限，但在经历几十年的发展完善后，突然变得无处不在，并被人们视为理所当然。互联网就是这样，在最初几十年中，它只是为一些学术和政府实验室中的几位科学家所用，随后突然蓬勃发展，并主导了我们的生活。第二个特征是 Roy Amara 指出的，在预测新技术的影响和力量时，我们很容易高估短期影响，低估长期影响半岛BOB。这往往导致先是大肆宣传，随后是不可避免的失望，最后才迎来最终的成功。例如，20世纪70年代和80年代对于人工智能的大肆炒作，在接下来几十年间因为进展缓慢而令人失望，但如今这个领域正在取得巨大进步。也许无人驾驶汽车也在经历同样的发展轨迹。

　　虚拟人类的创造是否会经历同样的发展过程仍有诸多争议，但在这本书中，Coveney 和 Highfield 以迷人的笔触，向我们讲述了这一过程，让我们知道世界各地都正在进行各种努力，来实现这一非凡的目标半岛BOB。

　　《虚拟的你》介绍了世界各地科学家为建立人类数字孪生体所做的研究，涵盖了从细胞和组织到器官与身体的全过程。这些数字复件将开启个性化医疗的新时代，在这里，你的数字孪生体既可以预测疾病风险，也可以通过参与虚拟药物试验，揭示最适合你的饮食与生活方式，进一步找到增进健康和延长寿命的疗法。尽管未来令人期待，但棘手的科学挑战也依然存在。本书将带领读者领略人体的复杂性，介绍最新的科学和技术进步，正是多尺度建模与新型计算等新兴技术让“虚拟的你”正在成为现实。同时，本书也考虑了实现真正的预测医学所固有的伦理问题。

　　彼得·科文尼是伦敦大学学院计算科学中心主任，阿姆斯特丹大学信息学研究所教授，耶鲁大学医学院兼职教授。

　　他是英国皇家生物学会会员，伦敦大学学院和牛津大学的访问教授，也是作家、科学记者、播音员与科学博物馆集团的科学部主任。他撰写或合著的书籍有：《生命之舞：对称的细胞及我们如何成为人类》半岛BOB、《读心者》、《超级合作者》、《多莉之后》等。

　　原标题：《诺奖得主谈21世纪生物医学革新：数字技术如何推动未来医学发展？》

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