Язык Си для начинающих / #1 - Введение в язык Си
Mục lục:
Trong cuộc sống, thời gian là tất cả.
Đồng hồ bên trong cơ thể của bạn - nhịp sinh học - điều chỉnh rất nhiều quá trình: khi bạn ngủ và thức, khi bạn đói, khi bạn làm việc hiệu quả nhất. Do ảnh hưởng rõ rệt của nó đối với rất nhiều cuộc sống của chúng ta, nó không ngạc nhiên khi nó cũng có tác động rất lớn đến sức khỏe của chúng ta. Các nhà nghiên cứu đã liên kết sức khỏe sinh học với nguy cơ mắc bệnh tiểu đường, bệnh tim mạch và thoái hóa thần kinh. Nó cũng biết rằng thời gian của các bữa ăn và thuốc có thể ảnh hưởng đến cách họ chuyển hóa.
Khả năng đo một đồng hồ nội bộ của VÒNG là rất quan trọng để cải thiện sức khỏe và cá nhân hóa y học. Nó có thể được sử dụng để dự đoán ai có nguy cơ mắc bệnh và theo dõi sự phục hồi sau chấn thương. Nó cũng có thể được sử dụng để phân phối thời gian hóa trị và huyết áp và các loại thuốc khác để chúng có tác dụng tối ưu ở liều thấp hơn, giảm thiểu nguy cơ tác dụng phụ.
Tuy nhiên, đọc một đồng hồ nội bộ đủ chính xác vẫn là một thách thức lớn đối với giấc ngủ và sức khỏe sinh học. Phương pháp hiện tại đòi hỏi phải lấy mẫu melatonin máu hàng giờ - hormone kiểm soát giấc ngủ - vào ban ngày và ban đêm, rất tốn kém và cực kỳ nặng nề cho bệnh nhân. Điều này làm cho nó không thể kết hợp vào các đánh giá lâm sàng thông thường.
Các đồng nghiệp của tôi và tôi muốn có được các phép đo chính xác về thời gian nội bộ mà không cần phải lấy mẫu nối tiếp nặng nề. Tôi là một nhà sinh học tính toán với niềm đam mê sử dụng các thuật toán toán học và tính toán để hiểu được dữ liệu phức tạp. Các cộng tác viên của tôi, Phyllis Zee và Ravi Allada, là những chuyên gia nổi tiếng thế giới về thuốc ngủ và sinh học. Làm việc cùng nhau, chúng tôi đã thiết kế một xét nghiệm máu đơn giản để đọc đồng hồ nội bộ của một người.
Nghe nhạc của các tế bào
Nhịp sinh học có mặt trong mỗi tế bào của cơ thể bạn, được hướng dẫn bởi đồng hồ trung tâm cư trú trong vùng hạt nhân siêu âm của não. Giống như đồng hồ thứ cấp trong một nhà máy cũ, những chiếc đồng hồ được gọi là ngoại vi này được đồng bộ hóa với đồng hồ chủ trong não của bạn, nhưng cũng tự đánh dấu về phía trước - ngay cả trong các đĩa petri!
Các tế bào của bạn giữ thời gian thông qua một mạng lưới các gen đồng hồ lõi tương tác trong một vòng phản hồi: Khi một gen bật, hoạt động của nó khiến một phân tử khác quay ngược trở lại, và sự cạnh tranh này dẫn đến sự suy giảm và kích hoạt gen trong vòng 24 chu kỳ của bạn. Những gen này lần lượt điều chỉnh hoạt động của các gen khác, cũng dao động trong suốt cả ngày. Cơ chế kích hoạt gen định kỳ này điều phối các quá trình sinh học trên các tế bào và mô, cho phép chúng diễn ra đồng bộ vào những thời điểm cụ thể trong ngày.
Việc phát hiện ra các gen đồng hồ cốt lõi là rất cơ bản đối với sự hiểu biết của chúng ta về cách các chức năng sinh học được phối hợp đến mức nó đã được Ủy ban Nobel công nhận năm ngoái. Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash và Michael W. Young đã cùng nhau giành giải thưởng Nobel về sinh lý học hoặc Y học năm 2017 vì những khám phá về cơ chế phân tử kiểm soát nhịp sinh học. Các nhà nghiên cứu khác đã ghi nhận rằng có tới 40% tất cả các gen khác đáp ứng với nhịp sinh học, thay đổi hoạt động của họ trong suốt cả ngày.
Điều này đã cho chúng tôi một ý tưởng: Có lẽ chúng ta có thể sử dụng mức độ hoạt động của một bộ gen trong máu để suy ra thời gian nội bộ của một người - thời gian cơ thể bạn nghĩ rằng, bất kể đồng hồ trên tường nói gì. Nhiều người trong chúng ta đã có trải nghiệm cảm giác không đồng bộ hóa với các môi trường của chúng ta - cảm giác như là 5:00 sáng mặc dù báo thức của chúng tôi khẳng định đã 7:00 sáng. Đó có thể là kết quả của các hoạt động của chúng tôi không đồng bộ với đồng hồ nội bộ của chúng tôi - đồng hồ trên tường không phải lúc nào cũng là một dấu hiệu tốt về thời gian dành cho cá nhân bạn. Biết được tác động sâu sắc của đồng hồ nội bộ có thể ảnh hưởng đến sinh học và sức khỏe, chúng tôi được truyền cảm hứng để cố gắng đánh giá hoạt động của gen để đo thời gian nội bộ chính xác trong một cơ thể cá nhân. Chúng tôi đã phát triển TimeSignature: một thuật toán tính toán tinh vi có thể đo đồng hồ nội bộ của một người từ biểu hiện gen bằng hai lần rút máu đơn giản.
Thiết kế một bài kiểm tra mạnh mẽ
Để đạt được mục tiêu của chúng tôi, TimeSignature phải dễ dàng (đo số lượng gen tối thiểu chỉ trong một vài lần rút máu), độ chính xác cao và - quan trọng nhất - mạnh mẽ. Đó là, nó sẽ cung cấp chính xác một thước đo thời gian sinh lý nội tại của bạn bất kể bạn ngủ ngon giấc, vừa mới trở về từ một kỳ nghỉ ở nước ngoài, hay thức trắng đêm với một em bé mới. Và nó cần phải làm việc không chỉ trong phòng thí nghiệm của chúng tôi mà còn trong các phòng thí nghiệm trên cả nước và trên thế giới.
Để phát triển dấu ấn sinh học chữ ký gen, chúng tôi đã thu thập hàng chục ngàn phép đo mỗi hai giờ từ một nhóm tình nguyện viên trưởng thành khỏe mạnh. Các phép đo này cho thấy mức độ hoạt động của từng gen trong máu của mỗi người trong suốt cả ngày. Chúng tôi cũng sử dụng dữ liệu được công bố từ ba nghiên cứu khác đã thu thập các phép đo tương tự. Sau đó, chúng tôi đã phát triển một thuật toán học máy mới, được gọi là TimeSignature, có thể tính toán tìm kiếm thông qua dữ liệu này để lấy ra một bộ dấu ấn sinh học nhỏ sẽ tiết lộ thời gian trong ngày. Một bộ gồm 41 gen được xác định là dấu hiệu tốt nhất.
Đáng ngạc nhiên, không phải tất cả các gen TimeSignature là một phần của mạch Đồng hồ lõi lõi được biết đến - nhiều trong số chúng là gen cho các chức năng sinh học khác, chẳng hạn như hệ thống miễn dịch của bạn, được điều khiển bởi đồng hồ để dao động theo ngày. Điều này nhấn mạnh tầm kiểm soát sinh học quan trọng như thế nào - ảnh hưởng của nó đối với các quá trình sinh học khác mạnh đến mức chúng ta có thể sử dụng các quá trình đó để theo dõi đồng hồ!
Sử dụng dữ liệu từ một nhóm nhỏ bệnh nhân từ một trong những nghiên cứu công cộng, chúng tôi đã đào tạo cỗ máy TimeSignature để dự đoán thời gian trong ngày dựa trên hoạt động của 41 gen đó. (Dữ liệu từ các bệnh nhân khác được giữ riêng để thử nghiệm phương pháp của chúng tôi.) Dựa trên dữ liệu đào tạo, TimeSignature có thể tìm hiểu về cách thức các hoạt động gen khác nhau tương quan với các thời điểm khác nhau trong ngày. Khi đã học được những mô hình đó, TimeSignature sau đó có thể phân tích hoạt động của các gen này kết hợp để tìm ra thời gian mà cơ thể bạn nghĩ là như vậy. Ví dụ: mặc dù có thể là 7 giờ sáng bên ngoài, hoạt động gen trong máu của bạn có thể tương ứng với mẫu 5 giờ sáng, cho thấy rằng nó vẫn còn 5 giờ sáng trong cơ thể bạn.
Sau đó, chúng tôi đã thử nghiệm thuật toán TimeSignature của mình bằng cách áp dụng nó cho dữ liệu còn lại và chứng minh rằng nó có độ chính xác cao: Chúng tôi có thể suy ra thời gian nội bộ của một người trong vòng 1,5 giờ. Chúng tôi cũng chứng minh thuật toán của chúng tôi hoạt động trên dữ liệu được thu thập trong các phòng thí nghiệm khác nhau trên khắp thế giới, cho thấy nó có thể dễ dàng được chấp nhận. Chúng tôi cũng có thể chứng minh rằng thử nghiệm TimeSignature của chúng tôi có thể phát hiện nhịp sinh học nội tại của một người với độ chính xác cao, ngay cả khi họ bị thiếu ngủ hoặc bị phản lực.
Hài hòa sức khỏe với TimeSignature
Bằng cách làm cho nhịp sinh học trở nên dễ đo, TimeSignature mở ra một loạt các khả năng để tích hợp thời gian vào y học cá nhân hóa. Mặc dù tầm quan trọng của nhịp sinh học đối với sức khỏe đã được ghi nhận, chúng tôi thực sự chỉ bị trầy xước bề mặt khi hiểu được cách chúng hoạt động. Với TimeSignature, các nhà nghiên cứu giờ đây có thể dễ dàng đưa các biện pháp thời gian nội bộ chính xác cao vào nghiên cứu của họ, kết hợp phép đo quan trọng này chỉ bằng hai lần rút máu đơn giản. TimeSignature cho phép các nhà khoa học điều tra cách đồng hồ sinh lý ảnh hưởng đến nguy cơ mắc các bệnh khác nhau, hiệu quả của các loại thuốc mới, thời gian tốt nhất để nghiên cứu hoặc tập thể dục, v.v.
Tất nhiên, vẫn còn rất nhiều việc phải làm. Mặc dù chúng tôi biết rằng sai lệch sinh học là một yếu tố nguy cơ gây bệnh, nhưng chúng tôi vẫn không biết bao nhiêu sai lệch có hại cho bạn. TimeSignature cho phép nghiên cứu sâu hơn để định lượng mối quan hệ chính xác giữa nhịp sinh học và bệnh tật. Bằng cách so sánh TimeSignatures của những người mắc và không mắc bệnh, chúng ta có thể điều tra xem đồng hồ bị gián đoạn có liên quan như thế nào với bệnh và dự đoán ai có nguy cơ mắc bệnh.
Cuối cùng, chúng tôi hình dung rằng TimeSignature sẽ đến văn phòng bác sĩ của bạn, nơi sức khỏe sinh học của bạn có thể được theo dõi nhanh chóng, dễ dàng và chính xác như xét nghiệm cholesterol. Nhiều loại thuốc, ví dụ, có thời gian tối ưu để dùng thuốc, nhưng thời gian tốt nhất để bạn dùng thuốc huyết áp hoặc hóa trị liệu có thể khác với người khác.
Trước đây, không có cách nào khả thi về mặt lâm sàng để đo lường điều này, nhưng TimeSignature giúp bác sĩ có thể làm xét nghiệm máu đơn giản, phân tích hoạt động của 41 gen và đề xuất thời gian mang lại cho bạn những lợi ích hiệu quả nhất. Chúng tôi cũng biết rằng sự sai lệch sinh học - khi đồng hồ cơ thể của bạn không đồng bộ với thời gian bên ngoài - là một yếu tố nguy cơ có thể điều trị cho sự suy giảm nhận thức; với TimeSignature, chúng tôi có thể dự đoán ai có nguy cơ và có khả năng can thiệp để căn chỉnh đồng hồ của họ.
Bài viết này ban đầu được xuất bản trên The Convers by Rosemary Braun. Đọc văn bản gôc ở đây.