Hệ miễn dịch nhân tạo và ứng dụng

Bài báo này trình bày những nguyên lý cơ bản của hệ miễn dịch sinh học làm cơ sở cho hệ miễn dịch nhân tạo, các ứng dụng chính của hệ miễn dịch nhân tạo và vài nét tổng quan về tình hình nghiên cứu lĩnh vực này trong thời gian gần đây.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Hệ miễn dịch nhân tạo và ứng dụngT¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(42)/N¨m 2007HỆ MIỄN DNCH NHÂN TẠO VÀ ỨNG DỤNGNguyễn Xuân Hoài (Học viện Kỹ thuật Quân sự) - Nguyễn Văn Trường (Trường ĐH Sư phạm - ĐH Thái Nguyên) Vũ Mạnh Xuân (Khoa KH Tự nhiên & Xã hội - ĐH Thái Nguyên)1. GIỚI THIỆUTrong sự phát triển của khoa học, nhiều lý thuyết mới đã được ra đời bằng cách quan sátcác hoạt động trong thế giới tự nhiên, phát minh vật lý của Niutơn gắn với hiện tượng quả táo rơilà một ví dụ điển hình. Gần đây, máy tính được sử dụng như một công cụ để nghiên cứu các tiếntrình sinh học nhằm đạt được hiểu biết tốt hơn về chúng, cũng như mong muốn áp dụng cácnguyên tắc đã được hoàn thiện qua hàng triệu năm tiến hóa của tự nhiên vào giải quyết các bàitoán của cuộc sống. Các ý tưởng xuất phát từ sinh học đã làm xuất hiện một số lĩnh vực nghiêncứu mới như: mạng nơron nhân tạo, mạng nơron tế bào, giải thuật di truyền, sự sống nhân tạo,otômat tế bào, tin sinh học,… AIS là một cách tiếp cận của tin sinh học, đó là khái niệm chỉ cáchệ thống thông minh nhân tạo, giải quyết vấn đề dựa trên các nguyên lý, chức năng và mô hìnhhoạt động của hệ miễn dịch của con người [10].Giống như hệ miễn dịch sinh học, AIS có một số đặc trưng chính quan trọng như: chốngchịu nhiễu, học không có giám sát, ghi nhớ, phân tán và tự tổ chức. AIS được đánh giá như mộtphương pháp tính toán mềm mới có hiệu quả. Phạm vi ứng dụng của AIS không chỉ đơn thuầngiới hạn ở các bài toán nhận dạng (lấy ý tưởng từ khả năng nhận biết và loại bỏ các phần tử cóhại của hệ miễn dịch sinh học), mà nó thực sự thu hút được sự chú ý của các nhà nghiên cứuthông qua những ứng dụng trong các lĩnh vực như bảo mật và an toàn thông tin, học máy, robothọc, điều khiển học, tối ưu hóa, xử lý ảnh [8].Bài báo này trình bày những nguyên lý cơ bản của hệ miễn dịch sinh học làm cơ sở chohệ miễn dịch nhân tạo, các ứng dụng chính của hệ miễn dịch nhân tạo và vài nét tổng quan vềtình hình nghiên cứu lĩnh vực này trong thời gian gần đây.2. HỆ MIỄN DNCH SINH HỌCHệ miễn dịch sinh học là một hệ thống thích nghi có khả năng tự nhận dạng và tự tổ chức, baogồm nhiều bộ phận phân tán trong cơ thể nhằm giúp cho cơ thể chống lại những lây nhiễm của các visinh vật bên ngoài. Nó bao gồm một kiến trúc phân tầng với cơ chế tự điều chỉnh và bảo vệ rộng khắp,với hai tầng bảo vệ chính là: hệ thống miễn dịch bNm sinh và hệ thống miễn dịch thích nghi.Hình 1. Cấu trúc đa tầng của hệ miễn dịch sinh học13T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(42)/N¨m 2007Chức năng của hệ miễn dịch sinh học là nhận dạng tế bào và phân chia chúng thành hainhóm khác nhau: self (những tế bào của cơ thể tạo ra) và non-self (những tế bào lạ), đồng thờiloại bỏ các tế bào thuộc loại non-self.Hệ miễn dịch bNm sinh chủ yếu dựa vào bạch cầu hạt và đại thực bào, còn hệ miễn dịchthích nghi dựa vào tế bào lymphô (lymphocyte). Các tế bào lymphô được chia làm hai loại là Bcell và T-cell, chúng có khả năng ghi nhớ, thích nghi, và mang những phần tử thụ cảm trên bềmặt có khả năng nhận diện kháng nguyên (antigen). Vai trò chính của B-cell là sản sinh ra cáckháng thể (antibody) tương ứng với các tác nhân gây bệnh, còn chức năng chính của T-cell làđiều chỉnh các tế bào khác và tấn công trực tiếp các tế bào gây ra sự lây nhiễm trong cơ thể.Khi có kháng nguyên xâm nhập vào cơ thể, các cơ quan thụ cảm trên bề mặt của lymphôbào được kích hoạt và thực hiện quá trình nhân rộng, đột biến và tạo ra những kháng thể thíchhợp có khả năng nhận diện cũng như loại bỏ kháng nguyên. Một số lymphô bào sẽ trở thành tếbào ghi nhớ và lưu thông trong cơ thể, sau đó, nếu có loại kháng nguyên tương tự lây nhiễm thìhệ miễn dịch thích nghi có thể nhanh chóng phát hiện và loại bỏ chúng. Khả năng tự hoànthiện này của hệ miễn dịch giúp cơ thể không mắc lại những bệnh cũ.Hệ miễn dịch sinh học bao gồm hơn 107 mạng miễn dịch con (immune sub-network) với cácnguyên tắc hoạt động rất phức tạp. Nó thực sự là một hệ thống hoạt động tin cậy, thống nhất, có khảnăng tính toán song song và phân tán. Xét theo quan điểm của khoa học máy tính, thì việc xây dựnghệ thống tính toán mô phỏng hệ thống miễn dịch sinh học có rất nhiều ý nghĩa thực tiễn [1].3. MÔ HÌNH CHUNG CHO AISCó ba yếu tố cơ bản để thiết kế AIS, đó là: biểu diễn mô hình trừu tượng cho các thànhphần của hệ miễn dịch gồm tế bào, phân tử và các phần tử miễn dịch; một tập các hàm xác địnhđộ thích hợp để định lượng sự tương tác của các phần tử; một tập các thuật toán để điều khiểntính động của hệ thống.Hình 2. Cấu trúcphân tầng của AISAIS có cấu trúc phân tầng, tầng đầu tiên là lĩnh vực ứng dụng, nó có vai trò quyết địnhđến các thành phần hệ thống cũng cách biểu diễn và thao tác trên các thành phần đó. Tầng thứhai liên quan đến biểu diễn các thành phần của hệ thống mà quan trọng nhất là kháng thể vàkháng nguyên. Tầng thứ ba là các phương pháp đánh giá độ thích hợp: thông thường sử dụng độđo khoảng cách Hamming, Euclid và Mahattan. ...