Avances en medicina. Una visión personal. V

 

Vacuna COVID19 e Inteligencia Artificial (IA).

Al principio, vemos cómo aprende una red de neuronas a caminar y cómo hace música.

Habrás leído o escuchado estos días que varias personas con las piernas paralizadas por paraplejias causadas por accidentes medulares, algo más liviano que la tetraplejia, parálisis total, que aquejó muchos años a Ramón Sampedro, han vuelto a caminar con ayuda de estimulaciones eléctricas personalizadas en la zona medular por medio de electrodos actuando sobre implantes. Los electrodos son lo que piensas, esas pestañas para la electrolisis que estudias en química. Es una noticia de Nature Medicine, una de las revistas científicas más reputadas del mundo. La forma de medir la relevancia de una publicación es su índice JCR (Journal Citation Reports, el factor de impacto) que, para esta revista, el año pasado, era de 53.44, muy alto en comparación con la media. Por ejemplo, la revista Science tiene un JCR de 34, eso sí, de esta tengo noticias del año 2018. Quiere esto decir que la investigación publicada en esta revista tiene un muy elevado nivel de citas en otros artículos de investigación. Quizá no tanta repercusión, por lo menos, en España, tuvo, allá por 2005, la historia del investigador español J. Millán, especialista en robótica e IA, quien diseñó una silla de ruedas que se desplazaba guiada aplicando exclusivamente el pensamiento.

No creo que para tí, estudiante de física, sea complicado entender que el cerebro es como una bola electromagnética de forma que, cada pensamiento genera un campo eléctrico que, a su vez, produce corriente eléctrica, tal como haría un alternador. Y esto posibilita algo casi inimaginable, casi de ciencia ficción: que personas paralíticas puedan moverse de forma independiente y autónoma y tengan una existencia que no está absolutamente condicionada por sus dificultades motrices. Entiendo que extrapolarás esto a otras carencias: todos estos progresos seguramente conducirán a recuperar a personas con dificultades en otras facetas vitales, cognitivas, intelectuales, enfermedades degenerativas, accidentes cerebrales,... Y, en estos últimos casos, partiendo de prodigios como son el holismo, el acto en que las células aledañas a una muerta reparten sus tareas; y qué decir de la ya demostrada capacidad de regeneración de las neuronas a cualquier edad, la neurogénesis adulta. Estamos, pues, en los albores de una nueva y pletórica era en la que la combinación de inteligencia artificial, robótica, algoritmos evolutivos, matemáticas, física de partículas, ingeniería eléctrica e ingeniería mecánica y, por supuesto, farmacología y medicina, permitirá, si no curar todas las trabas físicas, cognitivas o sensoriales que podamos llegar a padecer1, ayudar en gran medida a adaptarse al medio con más capacidad de inmersión, movilidad, cognición, sociabilidad. 

Por ejemplo, tal vez recuerdes la imagen del extraordinario científico Stephen Hawking, aquejado desde edad muy temprana de ELA (Esclerosis Lateral Amiotrófica), enfermedad degenerativa y, por el momento, ni curable ni recuperable, que le confinó en una silla de ruedas donde fue perdiendo, con el paso de los años, toda la movilidad. En una intervención urgente y a vida o muerte, en 1985 perdió también la voz a causa de una traqueotomía. Esta, la capacidad de comunicarse, fue reemplazada por un sintetizador creado por un experto en síntesis de voz computarizada. Vinculado al ordenador, permitía que Hawking eligiera en un monitor incorporado al manillar, las palabras que el aparato, posteriormente, vocalizaría. Pues bien, su silla de ruedas, computarizada, era manejada con la  mejilla: tenía un teclado en la pantalla y un cursor que escaneaba las filas y columnas y, cuando quería elegir una letra o un número, movía mínimamente la mandíbula para detener el avance del cursor. ¿Y cómo se detecta el palpitar de la cara? Con las gafas, que disponían de un interruptor a tal efecto: hablamos de física de semiconductores, chips, miniaturización. Y las matemáticas y los algoritmos terminaban de ayudar al investigador: lo primero en destacar es una extensa base de datos, una memoria física con todos los archivos de los libros que había utilizado como consulta y los artículos y libros que había escrito digitalizados, y todo lo que tuviera a bien solicitar para organizarse mejor en el entorno de trabajo. Intel equipó y dispuso los medios y los investigadores precisos para la creación, el mantenimiento y la mejora de este equipamiento.

Para manejar esa base hace falta un algoritmo de búsqueda que, al escribir un par de letras de la palabra que se quiere poner en el texto, seleccione todas aquellas que Hawking, en este caso, hubiese anteriormente utilizado en orden decreciente de uso (si era nueva, obviamente, tenía que teclearla en su integridad aunque el algoritmo permitía inferirla con una alta probabilidad de éxito). Como podían encontrarse con problemas de sincronización, usaron Teoría de Códigos, una más de las múltiples especialidades de las matemáticas, para corregir errores en caso de incoherencia en la lectoescritura. Esto y el Procesamiento del Lenguaje Natural, otra rama de las matemáticas, computacionales en este caso2, sirven en criptografía y criptoanálisis para codificar/decodificar mensajes. Supongo que sabes que la letra española más usada es la e, que aparece en un 16.78 % de las palabras, seguida de la a, que aparece un 11.96 %, las vocales ocupan un 40 % de los escritos, las letras f, z, j, x, k, w no llegan, en su conjunto a un 2 %. Entonces, haciendo un análisis de frecuencias del texto a decodificar, podemos ir cambiando los símbolos del lenguaje críptico por las letras conocidas hasta completar el mensaje. Si el símbolo que más se repite es ⋇ casi seguro que será una e, etc.

Ejercicio 1.1. Utilizando la tabla de frecuencias adjunta, descodifica, sin mirar la solución, este texto de Galileo Galilei:

TATIG NK KTIUTZXGJU ATG VKXYUTG ZGT OMTUXGTZK WAK TU YK VAKJG GVXKTJKX TGJG JK KRRG.

Piensa que cada una de las letras ahí usadas, reemplaza una letra fija del mensaje original, es decir, si decides que Z es una B, todas las Z’s son B’s.

Cuenta las letras, haz una tabla de frecuencias y compárala con la que te doy y extrae conclusiones3.

Y aquí tienes la respuesta:4

Otro uso cada vez más fértil de la IA en la medicina lo tenemos en el diseño de prótesis que resuelven problemas biomecánicos graves, amputaciones, ceguera,  sordera,  Parkinson, accidentes vasculares,... con gran eficiencia y bajo coste. Pero, ¿qué hay detrás de todos estos avances: machine learning, el aprendizaje automatizado de la máquina; algoritmos genéticos, que, tal como imaginas, tienen que ver con las leyes de Mendel y los guisantes; redes de neuronas artificiales, que son simulaciones del funcionamiento de las neuronas naturales en el cerebro, sustituyendo las sinapsis por interacciones numéricas que, ajustadas por el propio sistema a partir de algún benchmark conveniente, resuelven problemas muy rápidamente: desde que han aprendido son de una velocidad inaudita. Y, si no lo crees, pregúntale a Gari Kasparov y a los creadores de Deep Blue y al campeón mundial de Go, Lee Sedol y a AlphaGo5.

 Los sistemas expertos y           algo que, creo, ya está siendo una presencia constante, la simulación por ordenador. No lo puedo asegurar. pero el sentido común me indica que la única forma de poder hallar, probar, fabricar y distribuir tan rápidamente una vacuna eficaz6 ha venido propiciada por haber hecho simulaciones tanto de las combinaciones de los diferentes productos (naturales y sintéticos) usados en las vacunas como en las pruebas con cultivos o animales como con personas. No hablo de saltar fases: según la normativa internacional, estas son inviolables. Pero sí apurando los tiempos (algo así como una cámara rápida donde ves crecer la marea y desaparecer en segundos) para predecir y anticipar el resultado. Imagino que has estado alguna vez en un planetario como el del parque de Santa Margarita, en Coruña, que es muy interesante, o en un acuario. Seguramente has visto animaciones informáticas dinámicas de la vía láctea en las que se visualiza, celeramente, cómo era esta hace unos 1011 años y cómo, a medida que ha pasado el tiempo, ha ido variando hasta la configuración actual7. Lo mismo pasa en el acuario con la famosa sopa primigenia concebida por el bioquímico ruso Alexander Oparin en la que se creó todo atisbo de vida y en la que observamos cómo, al bajar las mareas, algunas especies quedan expuestas al aire y, posteriormente, con el paso de eones (casi) la evolución, Darwin, Spencer, el creador de la famosa frase la supervivencia del más apto, Lamarck..., ha dado forma a la vida tal como hoy la conocemos. El matemático francés Pierre Simon de Laplace, el de la regla de Laplace de probabilidad, había dicho en 1780 que si conocemos las leyes que gobiernan los fenómenos estudiados y conocemos las condiciones iniciales y se es capaz de calcular la solución, entonces se puede predecir con total certeza el futuro del sistema evolutivo.. Pues esto es lo que yo creo que ha pasado: se han hecho modelizaciones del ADN del virus, de cómo interacciona con las diferentes sustancias que, por estudios ya hechos o experimentaciones, van a intentar contrarrestar sus efectos acelerando su actuación para determinar si hay visos de paralizar su expansión o si se crean antígenos o hay que cambiar el modelo.

Curiosamente, y abundando en este punto, asistí el otro día a una conferencia de un investigador bio- químico que se  quejaba, acremente, de que los otrora  exhaustivos  estudios  y análisis y pruebas que había que efectuar para sacar una patente quedan reducidos, por obra y gracia de la simulación, a varios chequeos (por muy aleatorios y extensos que sean, por mucho pormenor que halla, por mucha prueba ítem por ítem, siempre quedará algo por comprobar). De hecho, una de las tareas que realizan los expertos en ingeniería

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Ejercicio 1.2. Entra en https://playgameoflife.com/, el Juego de la vida, creado por John Conway (recientemente fallecido) y practica con algunas sesiones y verás cómo, dadas unas condiciones iniciales y unas reglas, evoluciona la vida de esas especies encasilladas8. ¿Te llevas una sorpresa si te digo que esto también está íntimamente vinculado con las matemáticas, sistemas dinámicos, caos?

Decía Sir Isaac Newton, si he visto más lejos es porque estaba subido a hombros de gigantes. Y así creo que es: en el 2003 surgió el primer coronavirus, el SARS-CoV. No sé a qué lo achacaron en aquel momento. Diez años después surgió, en Arabia, el MERS-CoV culpando de su expansión a los camellos. Obviamente, fueron investigados e intentaron crear vacunas que, considero, fructificaron ahora en las de Astra-Zeneca, Pfizer, Sputnik IV,... Los científicos a cargo de la investigación de estas vacunas también adujeron que el apoyo financiero dado por las instituciones internacionales y nacionales a su labor fue extraordinario. Una conjunción de avances en genética, bioquímica, inteligencia artificial, matemáticas (son muy interesantes los algoritmos que analizan el desarrollo de la epidemia, los puntos de inflexión, los valles, los picos,..), farmacia, de prepuesto si no inagotable, casi, de gente con todo tipo de preparación trabajando, cada cual en lo suyo, pero bajo un protocolo común han permitido  que algo que podría haber diezmado mucho más la población de lo que lo ha hecho. En la famosa gripe de 1918 murieron más de 50 millones de personas en todo el mundo, 8.7 veces los muertos por CoVID19. La ciencia ha visto renacer su importancia social y su prestigio y cumpliéndose, además, un sueño de todos: hechos tan aislados inicialmente como el de los vehículos autónomos para recoger pruebas en Marte o en cráteres de volcanes o circular en la Tierra, avances en minería y perforación y recogida de materiales a distancia, visualización por ordenador, visión artificial, bioquímica, genómica, ingeniería informática, ... están, por fin, confluyendo de forma transversal para llegar a crear la GRAN CIENCIA. Quizá no lleguemos a verlo pero atisbo un siglo XXII prodigioso en mejoras en las condiciones sanitarias de los seres vivos. Ojalá esas mejoras lleguen también al ámbito social...

 

NOTAS:

1Aunque mi vaticinio es que, rotundamente, sí venceremos, con la biónica, si no a la muerte, sí al envejecimiento.

2Es lo que usan Siri y Cortana.

 

3Y, tal vez, tengas que poner algo de tu caletre.

4NUNCA HE ENCONTRADO UNA PERSONA TAN IGNORANTE QUE NO SE PUEDA APRENDER NADA DE ELLA.

5Google Deep Mind construyó un programa de IA para jugar al Go, AlphaGo. Lo probó, jugando al ajedrez, contra Deep Blue, la máquina que había derrotado a Gari Kasparov, campeón del mundo de ajedrez. La apabulló. Después ganó sobradamente y ya jugando al Go, al campeón coreano Lee Sedol. Este programa, basado en aprendizaje automático, tardó un par de horas en jugar a la perfección a partir de unas partidas modelo. La última versión, AlphaGo Zero, derrotó por 100 a 0 a AlphaGo. Había aprendido a jugar ella sola, sin supervisión humana, inventando partidas que derimía contra ella misma y solo usando las reglas del juego

tablero 19 × 19, los matemáticos Tromp Y Walraet establecieron en 10^{GoogolP lex} la cantidad de movimientos que se pueden    hacer, siendo un Googol 10¹⁰⁰ y un GoogolPlex 10^Googol. Piensa que en el universo solo hay 10⁸⁰ partículas.

6El profesor de la UAB Joan Ramón Laporte dijo hace tres o cuatro días en el congreso de los diputados que esas vacunas no son realmente vacunas. Yo no coincido con él y más bien pienso que tenemos sobradas pruebas de cuán útiles están siendo.

7Este es un problema físico/matemático muy difícil que pretende determinar ecuacionalmente la evolución de las estrellas y planetas y constelaciones y galaxias a partir del hipotético Bing Bang y partiendo de la energía desprendida en ese momento. Con las aplicaciones pertinentes de la leyes de la física se puede estimar, a veces es lo más que podemos hacer, las interacciones entre ellos y cómo estas afectan al ulterior desarrollo de cada uno de ellos y al conjunto. del software es hallar buenos benchmarks, test de pruebas que nos demuestren que en nuestro sistema no hay fallos. Desde principio del siglo XXI usamos herramientas de verificación, software con el cual demostramos (no es una simple comprobación case by case) la veracidad de las afirmaciones acerca de la viabilidad de un determinado programa

8Algo semejante a lo que hizo Lisa Simpson cuando creó unas criaturas que la adoraron como su diosa.