中醫(yī)大數(shù)據(jù)下生物信息學(xué)的發(fā)展及教育模式淺析

王元茂+殷云霞+楊松濤

摘要：分析近二十年來(lái)生物信息學(xué)及中醫(yī)相結(jié)合研究在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出中醫(yī)與生物信息學(xué)相結(jié)合的教育教學(xué)方向，從“定性”和“定量”學(xué)習(xí)方法、“基因組學(xué)與證本質(zhì)”、“蛋白質(zhì)組學(xué)與病癥關(guān)聯(lián)”以及“以復(fù)雜系統(tǒng)方法論解決復(fù)雜中醫(yī)系統(tǒng)”等三方面闡述生物信息學(xué)各項(xiàng)技術(shù)在中醫(yī)大數(shù)據(jù)下的應(yīng)用模式和教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：中醫(yī)大數(shù)據(jù)；生物信息學(xué)；高校教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）27-0123-03

Abstract： Analyzed the developing status of Bioinformatics combined with Chinese Medicine， proposed the education directions for the combinations of Chinese Medicine and Bioinformatics， discussed the using of Bioinformatics techniques in Chinese Medicine big data with teaching and researching area by three common method in Bioinformatics.

Key words： chinese medicine big data； bioinformatics； education in university

1 引言

生物信息學(xué)是一門(mén)新興學(xué)科，在各大高等院校醫(yī)學(xué)或生物學(xué)相關(guān)專業(yè)都有與之相關(guān)的課程或?qū)I(yè)開(kāi)設(shè)。與我們常見(jiàn)的物理、數(shù)學(xué)、法學(xué)等學(xué)科不同，生物信息學(xué)更像是一個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，它不僅僅局限于某個(gè)科學(xué)研究，而是綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)和生物學(xué)的各種工具及方法來(lái)分析和理解在大數(shù)據(jù)背景下的生物學(xué)意義[1]。經(jīng)過(guò)20余年的發(fā)展，生物信息學(xué)已在分子進(jìn)化、基因測(cè)序、遺傳及變異研究等領(lǐng)域取得了突破和成果，是21世紀(jì)人類(lèi)三大計(jì)劃之一“人類(lèi)基因組計(jì)劃（Human Gene Project HGP）”的核心支撐學(xué)科。在美國(guó)，早于1988年便成立國(guó)家生物技術(shù)信息中心（NCBI），隨后歐洲和日本在1993年和1995年分別建立了歐洲生物信息學(xué)研究所（EBI）和信息生物學(xué)中心（CIB）用來(lái)對(duì)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的核酸及蛋白質(zhì)等數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)并發(fā)展至今日趨成熟[2]。生物信息學(xué)于上世紀(jì)90年代初開(kāi)始逐漸引起國(guó)內(nèi)科學(xué)工作者的重視，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展也已初具規(guī)模。筆者通過(guò)對(duì)近20年公開(kāi)發(fā)表的有關(guān)生物信息學(xué)關(guān)鍵字的文章進(jìn)行搜索，運(yùn)用Excel制圖繪制了自1996年至今每年發(fā)表文章數(shù)量的散點(diǎn)圖。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，關(guān)于生物信息學(xué)學(xué)科的研究數(shù)量在2014年達(dá)到頂峰，并逐漸開(kāi)始下滑。同時(shí)，由于搜索結(jié)果包含雜質(zhì)數(shù)據(jù)（如被動(dòng)截取“信息學(xué)”為關(guān)鍵詞），為了使圖表信息量有度可量，筆者繼續(xù)對(duì)在認(rèn)知上與生物信息學(xué)相關(guān)的科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行關(guān)鍵詞搜索，分別為“數(shù)據(jù)挖掘”和“人工智能”，并繪制圖2。由該圖可直觀地看出，人工智能的研究一直穩(wěn)步發(fā)展，符合21世紀(jì)科技高度發(fā)展的大趨勢(shì)，而數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的相關(guān)研究自2005年以來(lái)迅猛增長(zhǎng)并趕超人工智能。綜合分析其主要原因是由于中國(guó)人口眾多，自2005年以來(lái)互聯(lián)網(wǎng)用戶不斷增加，全民聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代逐漸構(gòu)成，互聯(lián)網(wǎng)信息產(chǎn)業(yè)的急劇擴(kuò)大以及電子商務(wù)、云技術(shù)等網(wǎng)絡(luò)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)的信息膨脹，使越來(lái)越多的人意識(shí)到大數(shù)據(jù)的作用和研究數(shù)據(jù)挖掘?qū)?jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步的重要影響，進(jìn)而推動(dòng)數(shù)據(jù)挖掘的學(xué)科發(fā)展。

2 中醫(yī)大數(shù)據(jù)背景下的生物信息學(xué)課程教學(xué)

從圖2的對(duì)比可以看出，生物信息學(xué)的研究數(shù)量與其他兩個(gè)學(xué)科對(duì)比，則顯得相形見(jiàn)絀。也就是說(shuō)，生物信息學(xué)在我國(guó)的發(fā)展仍較為緩慢，使之與其對(duì)人類(lèi)社會(huì)的貢獻(xiàn)度不成正比。進(jìn)一步對(duì)圖1的搜索結(jié)果進(jìn)行高級(jí)檢索，對(duì)已有的生物信息學(xué)研究進(jìn)行劃分，將”中醫(yī)”關(guān)鍵詞加入其中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)將中醫(yī)與生物信息學(xué)相結(jié)合進(jìn)行研究的文獻(xiàn)少之又少，每年文獻(xiàn)不過(guò)20左右。生物信息學(xué)的作用就是利用計(jì)算機(jī)等技術(shù)對(duì)海量的生物數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并洞察隱藏在其中的規(guī)律，而中醫(yī)數(shù)據(jù)經(jīng)歷數(shù)代中醫(yī)名師的記錄和數(shù)十年來(lái)信息存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)儼然呈現(xiàn)出高緯度、高階度的大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。因此，生物信息學(xué)在中醫(yī)數(shù)據(jù)的研究中一定具有其特殊的價(jià)值和意義，是從微觀層面描述中醫(yī)整體結(jié)構(gòu)的重要手段。本文將以中醫(yī)證侯、病證和中醫(yī)復(fù)雜性為切入點(diǎn)，結(jié)合研究生物信息學(xué)在其中的應(yīng)用價(jià)值，并討論在教育教學(xué)過(guò)程中如何使中醫(yī)和生物信息學(xué)有機(jī)結(jié)合，做到融會(huì)貫通。

2.1從“定性”和“定量”學(xué)習(xí)角度看基因組學(xué)學(xué)習(xí)中醫(yī)“證”本質(zhì)

在中醫(yī)學(xué)中，“證”是立方立法的基礎(chǔ)，醫(yī)者通過(guò)四診獲取的信息進(jìn)行綜合分析和判斷，從病癥體征等表現(xiàn)集合入手，得出相應(yīng)的證候，有針對(duì)性的用藥治療。中醫(yī)與西醫(yī)不同，講究以整體論看待人體以及病變，“辨證論治”思想也是千百年來(lái)各名中醫(yī)學(xué)者通過(guò)反復(fù)探索得出的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)中醫(yī)遣方用藥具有決定性的指導(dǎo)意義。而西醫(yī)認(rèn)為，疾病的發(fā)生與發(fā)展是與人體某段特異的基因的改變有關(guān)，HGP的研究目的也正是為了揭示人體的構(gòu)成奧秘從而從本質(zhì)上研究疾病的產(chǎn)生和發(fā)展規(guī)律[3]。因此，中醫(yī)與西醫(yī)在指導(dǎo)醫(yī)者診療的哲學(xué)思想上是有很大不同，甚至可以說(shuō)是截然相反的。然而中醫(yī)與西醫(yī)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)卻無(wú)處不在，結(jié)合點(diǎn)之一正是基因與證候的關(guān)聯(lián)。對(duì)于基因組學(xué)和中醫(yī)證候的學(xué)習(xí)方法是不同的，一個(gè)是定量學(xué)習(xí)，另一個(gè)則是定性學(xué)習(xí)，定量學(xué)習(xí)有助于學(xué)生更加客觀的研究生物體的發(fā)展規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)做到多學(xué)科交叉學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)，而不足之處在于缺乏主觀思考、學(xué)習(xí)方式較為分散缺乏整體思維把控；而定性學(xué)習(xí)則以某一指導(dǎo)思想為主線，通過(guò)對(duì)某些案例及知識(shí)長(zhǎng)時(shí)間的觀察和分析，從中得出結(jié)論。定量學(xué)習(xí)如基因組學(xué)更重視量化計(jì)算及工具的使用，而定性學(xué)習(xí)如中醫(yī)證候則更重視理論與實(shí)踐結(jié)合，整體到局部學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，無(wú)論基因組學(xué)還是中醫(yī)證候，都會(huì)以疾病為具體的研究對(duì)象。從西醫(yī)上說(shuō)，基因是決定人是否患病的內(nèi)部原因，通過(guò)遺傳或基因狀態(tài)的改變都可能導(dǎo)致疾病的產(chǎn)生，從中醫(yī)上說(shuō)，證候是疾病狀態(tài)下的臨床類(lèi)型，反映了機(jī)體在疾病發(fā)展過(guò)程中的病理特征[4]。因此，將證候與基因組學(xué)統(tǒng)一學(xué)習(xí)，實(shí)則是將定量與定性學(xué)習(xí)相結(jié)合以實(shí)際疾病案例和數(shù)據(jù)著手從而多方面運(yùn)用計(jì)算機(jī)、西醫(yī)學(xué)、證候?qū)W、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)對(duì)生物大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的綜合學(xué)習(xí)方法。

2.2 基于蛋白質(zhì)組學(xué)學(xué)習(xí)中醫(yī)病證相關(guān)性

證侯是人體生命活動(dòng)的一種表現(xiàn)，而生命活動(dòng)的主要執(zhí)行者是蛋白質(zhì)，兩者之間必然會(huì)有隱秘且細(xì)致的聯(lián)系，我們也應(yīng)以此為出發(fā)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散學(xué)習(xí)方法，綜合學(xué)科進(jìn)行學(xué)習(xí)。自HGP的完成宣告了后基因組時(shí)代的到來(lái)后，研究生命科學(xué)的重心也由基因組學(xué)向蛋白質(zhì)組學(xué)逐漸轉(zhuǎn)變，作為教育者也應(yīng)跟上科學(xué)發(fā)展的潮流，把生物科學(xué)研究和相關(guān)教學(xué)模式從基因水平向蛋白質(zhì)水平轉(zhuǎn)變。與此同時(shí)，蛋白質(zhì)組學(xué)是從整體角度分析細(xì)胞內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化以及蛋白質(zhì)組成成分、表達(dá)水平等，它的研究方法學(xué)內(nèi)容與中醫(yī)的整體觀和辯證論治觀有著許多相同之處。蛋白質(zhì)組學(xué)在分子水平上的DNA修飾和基因調(diào)控反應(yīng)生命體的整體狀態(tài)（即陰平陽(yáng)秘），中醫(yī)理論強(qiáng)調(diào)從整體觀對(duì)疾病進(jìn)行認(rèn)知，認(rèn)為疾病的發(fā)生是人體整體功能的失調(diào)所致（即陰陽(yáng)失調(diào)），重點(diǎn)在于辯證論治[5]。在教育教學(xué)過(guò)程中，將基因或蛋白質(zhì)方面的研究從結(jié)構(gòu)研究向功能研究轉(zhuǎn)變，使研究更具體，透過(guò)相關(guān)功能性測(cè)試實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)基因之間的相互聯(lián)系及相互作用，在定量學(xué)習(xí)的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的定性思維，使學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)。正如數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)體關(guān)系模型中的E-R圖一樣，在進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)和中醫(yī)病癥相關(guān)性研究教育的過(guò)程中，中醫(yī)病證和蛋白組學(xué)可以看做是兩個(gè)看似毫無(wú)關(guān)聯(lián)的實(shí)體，而通過(guò)“疾病”將兩者相連，透過(guò)此種關(guān)系可以衍射出兩個(gè)學(xué)科方面的深入學(xué)習(xí)。

2.3 運(yùn)用復(fù)雜系統(tǒng)性方法學(xué)習(xí)中醫(yī)藥復(fù)雜系統(tǒng)

中醫(yī)藥的復(fù)雜性相比西醫(yī)有過(guò)之而無(wú)不及，原因主要在于相對(duì)于“結(jié)構(gòu)決定功能”的西方醫(yī)學(xué)思想，中醫(yī)更側(cè)重于“關(guān)系決定功能”，在這種情況下，無(wú)論是辨證論治還是癥狀體征變化，有關(guān)中醫(yī)診斷和治療的信息都是已高度離散和非線性的方式存儲(chǔ)，使得中醫(yī)稱為典型的“復(fù)雜自組織系統(tǒng)”[6]。尤其在信息離散度和復(fù)雜度較高的中醫(yī)證侯系統(tǒng)中，癥狀變量與證侯信息混雜在一起，想辨別兩者的區(qū)別和聯(lián)系是非常困難的事情，單純的研究數(shù)據(jù)往往缺乏正確的方向，而單純的研究理論則往往枯燥乏味。因此，在教學(xué)過(guò)程中，可以將復(fù)雜系統(tǒng)方法學(xué)引入中醫(yī)系統(tǒng)學(xué)習(xí)，通過(guò)復(fù)雜系統(tǒng)中的熵分劃方法將證侯系統(tǒng)的離散變量加工轉(zhuǎn)化為線性關(guān)聯(lián)集合，即將癥狀變量通過(guò)關(guān)聯(lián)度集合成多個(gè)癥狀集合，并將癥狀集合與關(guān)聯(lián)度較高的證侯要素進(jìn)行聯(lián)結(jié)。以此方法既可以激發(fā)學(xué)生對(duì)理論學(xué)習(xí)的興趣，又能以理論指導(dǎo)實(shí)踐，對(duì)中醫(yī)證侯大數(shù)據(jù)進(jìn)行信息提取，達(dá)到全面學(xué)習(xí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

中醫(yī)信息學(xué)已經(jīng)作為一門(mén)新興學(xué)科在我國(guó)各大高校開(kāi)設(shè)，相關(guān)師生深入研究和學(xué)習(xí)，主要目的就是發(fā)掘蘊(yùn)含在中醫(yī)幾千年發(fā)展結(jié)晶中的奧秘。關(guān)于中醫(yī)藥數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和研究也在近年日益增長(zhǎng)，這都表明人們已經(jīng)愈來(lái)愈關(guān)注國(guó)粹，關(guān)注健康，關(guān)注未來(lái)。這也表明與之相關(guān)的學(xué)習(xí)和研究對(duì)未來(lái)的人生發(fā)展和機(jī)遇都有著深遠(yuǎn)的影響。然而，數(shù)據(jù)挖掘的技術(shù)并不完全適用于中醫(yī)藥復(fù)雜系統(tǒng)中的信息發(fā)掘，若單純地將兩者進(jìn)行結(jié)合教學(xué)，學(xué)生可能缺少知識(shí)銜接，缺乏過(guò)渡。這時(shí)若將生物信息學(xué)引入二者其中并結(jié)合生物信息學(xué)相關(guān)智能科技手段和技術(shù)，則可以從宏觀和微觀兩個(gè)方面去看待生命體：宏觀上面對(duì)復(fù)雜的中醫(yī)系統(tǒng)不需感到困惑，而是以“復(fù)雜系統(tǒng)方法論去解決復(fù)雜系統(tǒng)”，使學(xué)生不要總想著從每一個(gè)局部都能分析到問(wèn)題的本質(zhì)，而是接受復(fù)雜性，從復(fù)雜系統(tǒng)的角度去解釋生命體的自組織現(xiàn)象，對(duì)生命體的宏觀表現(xiàn)進(jìn)行研究；微觀即是在分子水平上去分析中醫(yī)證侯的本質(zhì)，方劑的復(fù)雜體系，去了解生命體內(nèi)部的調(diào)控機(jī)制等，以此加深學(xué)生對(duì)中醫(yī)理論的理解以及對(duì)生物信息學(xué)工具和技術(shù)運(yùn)用的融會(huì)貫通。

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