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KI für Simulation biologischer Prozesse

19. September 2024

Ein Forschungsteam des Instituts für Künstliche Intelligenz der Medizinischen Universität Wien und des CeMM Forschungszentrums für Molekulare Medizin konnte zeigen, dass ein großes Sprachmodell wie GPT-4, bekannt durch seine Anwendung in ChatGPT, effektiv als Simulator für biologische Systeme eingesetzt werden kann. Das Team unter der Leitung von Matthias Samwald und Christoph Bock testete die Hypothese, dass die schrittweise Simulation biologischer und medizinischer Prozesse mit GPT-4 zu besseren Ergebnissen führt.

Die Forscher:innen entwickelten "SimulateGPT" – eine wissensbasierte Simulationsmethode durch strukturierte Eingaben in GPT-4. Sie wurde in verschiedenen Szenarien wie Mausexperimenten, Unterstützung bei der Behandlung von Sepsis, Vorhersage von essentiellen Genen in Krebszellen und progressionsfreiem Überleben von Krebspatient:innen getestet und von Expert:innen validiert. Die Methode ist für die Grundlagenforschung konzipiert und nicht für den klinischen Einsatz vorgesehen.

„Diese Studie zeigt, dass große Sprachmodelle wie GPT-4 eine neue Klasse von biomedizinischen Simulatoren ermöglichen könnten", so Matthias Samwald. „Textbasierte Simulationen sind besonders geeignet, um lebende Systeme zu modellieren und zu verstehen, da Text und Sprache die Flexibilität und Interpretierbarkeit mitbringen, die notwendig sind, um die Komplexität der Biologie zu beschreiben."

Sprachmodelle wie GPT-4 werden gewöhnlich durch Texteingaben gesteuert, um bestimmte Aufgaben zu erledigen oder Probleme zu lösen. Sie antworten dann direkt auf einfache Fragen, haben allerdings Schwierigkeiten, komplexere Szenarien zu lösen, wie sie in der Biomedizin häufig vorkommen. Die Wissenschafter:innen konfigurierten GPT-4 mit strukturierten Eingaben und gezielten Anweisungen so, dass es vorgegebene Szenarien detailliert mit Text simulierte. Dabei zeigte sich, dass dieser GPT-4-basierte Simulator deutlich bessere Ergebnisse erzielte. Biomedizinische Expert:innen bevorzugten in den Experimenten die Vorhersagen von SimulateGPT gegenüber direkten GPT-4-Antworten. SimulateGPT verbesserte zudem, im Vergleich zu herkömmlichen GPT-4-Antworten, die Genauigkeit sowohl bei der Bestimmung essentieller Gene in Krebszellen als auch bei der Vorhersage der progressionsfreien Überlebenszeit von Krebspatient:innen. Die Ergebnisse des Forschungsteams wurden im Journal "Computers in Biology and Medicine" veröffentlicht.

CeMM – interdisziplinäre Spitzenforschung

Das CeMM Research Center for Molecular Medicine ist ein interdisziplinäres Forschungsinstitut der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, das sich zum Ziel gesetzt hat, das Verständnis menschlicher Krankheiten durch Grundlagenforschung und biomedizinische Forschung zu fördern. Es ist in einem maßgeschneiderten Gebäude inmitten des Campus der Medizinischen Universität Wien untergebracht und fokussiert sich darauf, Pionierarbeit in der Wissenschaft zu leisten, um die präzise, personalisierte, prädiktive und präventive Medizin der Zukunft zu fördern.