数基生命是由清华大学张学工教授于2020年首次提出,开创了生命与健康研究的新范式,也为未来智能医健提供了新的解决方案。

一、数基生命的定义

要了解数基生命,首先要理解一个概念:数字孪生。

数字孪生这个概念,普通人可能会稍显陌生。我们可以简单将它理解为一种智能技术,它在虚拟的数字和数学世界里,对物理世界的系统进行仿真和再现,形成一种我们可以更直观感知和触摸的系统,并且可以在不损害实际系统的情况下对它数字孪生进行各种调节和推演。数字孪生最初主要是针对工业制造和机电系统,又迅速扩展到更复杂的社会系统。

人和地球上的其他生物都是以碳元素为基础的有机物组成的,所以是"碳基生命",而"数基生命"指的就是在数字和数学空间中实现的人体孪生生命系统。

二、数基生命三层次

数基生命系统有三个层次:实体数字化、模型数学化以及医疗精准智能化。

第一层:实体数字化

通过全方位、多尺度、多模态生物医学数据感知,把人体表征为数字化实体。

第二层:模型数学化

在数字化实体中,实现贯穿人体分子、细胞、组织、器官和系统的数学模型,让数字实体"活起来",模拟生老病死各种生命过程,形成人体"数字孪生"。

第三层:医疗精准智能化

融合个人基因组、生理病理和生活环境等数据,建立个体化数字孪生。在这个系统中,通过模拟个体健康演化和疾病发生发展过程,推演各种因素作用,定量评估重要生命过程,提供精准的动态健康指导和疾病治疗方案,实现智能精准医疗健康。

三、数基生命的意义

建立数基生命系统的意义不言而喻。

首先,现代医疗健康实践面临的一个重要挑战是:医疗决策所需的信息和知识,已经越来越超出人类医生能有效掌握的程度。把信息全部集中到临床医生进行决策实施的现有医疗范式,已到达天花板。

建立数基生命系统,则可以把所有数据和知识汇集到数字孪生上,解决信息呈递难题,真正为未来的智能医健找到解决方案。

其次,把对生命的研究映射到数字空间中,通过在数字空间中进行仿真模拟、校验观测数据、外推科学发现,再反馈到科学实验,这种数基-碳基耦合的科学研究模式,将大大加快对生命机理的认识进程。

进一步,通过数基生命系统,可以对个体实时动态对健康状况进行监测和预警,对各种调节和治疗手段的综合效果进行系统预演,真正实现个性化精准医疗健康。

所以,数基生命系统既是生命科学探索和智能医健研究的新范式,更是走向未来精准医健的必由之路。

四、成果和应用

无论是新范式还是未来解决方案,当下对数基生命系统的研究,是否有了进展呢?

虽然数基生命系统涉及到多学科的远大科学目标,需要攻克多个关键科学技术问题,但在现实中它已经有了一些具体的成果和应用。