人工免疫系統(tǒng)用于中藥馬錢子功效歸類的研究

1、人工免疫系統(tǒng)用于中藥馬錢子功效歸類的研究繆珠雷李玉虎程國強包寅徐棟梁王易【摘要】目的：研究中藥馬錢子的功效歸類。方法：建立中藥藥性特征數(shù)據庫，構建能夠完成中藥藥性特征和功效歸類之間映射的人工免疫系統(tǒng)。結果：將馬錢子的藥性特征輸入經人工免疫系統(tǒng)優(yōu)化后的神經網絡，其輸出值提示，馬錢子的歸類偏向于活血化淤類藥。結論：用人工免疫系統(tǒng)來輔助進行中藥的功效歸類，可以為某些中藥的功效歸類研究提供參考?！娟P鍵詞】馬錢子；人工免疫系統(tǒng)；功效Abstratbjetive:TstudythefuntinlassifiatinfaQian-zi(StryhnsuxviaL.).ethds:Adatabaseftheh

2、aratersftraditinalhinesedrugsasestablishedandanartifiialiunesyste(AIS)assetup,hihanbeusedtpreditthefuntinlassifiatinftraditinalhinesedrugs.Results:TheharatersftraditinalhinesedrugsasdedandiprtedinttheptiizedAIS.TheutputshsthataQian-zishuldbeategrizedintthegrupfdrugs,hihanprtebldirulatinandrevebldsta

3、sis.nlusin:TheAISanbeahelpfrstudynthefuntinlassifiatinftraditinalhinesedrugs.KeyrdsstryhnsuxviaL.;artifiialIunesyste;funtin人工神經網絡（NN）、遺傳算法(GA)以及最近若干年發(fā)展起來的人工免疫系統(tǒng)(AIS)，被認為是目前三大人工智能仿生信息處理系統(tǒng)，其中人工神經網絡主要模仿大腦神經元，遺傳算法模擬生物進化，而人工免疫系統(tǒng)則是基于對人體免疫系統(tǒng)的認識而發(fā)展起來的。NN特長在于其出色的映射能力，GA和AIS則主要用于優(yōu)化。人工免疫系統(tǒng)仿生人體免疫系統(tǒng)，其理論基礎十分堅實，得到

4、免疫學基礎理論和實驗觀察的強有力支持。免疫系統(tǒng)通過基因重排、克隆選擇、記憶細胞庫建立、體細胞突變、抗體親和力成熟、獨特型-抗獨特型網絡調節(jié)等一系列機制，保證了能在最短的時間內產生與相應抗原親和力最高的抗體，從而達到及時中和清除抗原，保護人體的目的。形象來說，如果把要治療的疾病作為抗原（問題）來看待的話，那么相應的治療方法就可以被看作為抗體（答案），經過將研究對象進行適當?shù)木幋a，利用人工免疫系統(tǒng)來優(yōu)化，就可以在較短的時間內找到相應的最優(yōu)解決方案。根據比較研究發(fā)現(xiàn)，AIS其優(yōu)化機制獨特，要優(yōu)于GA等算法，收斂更快而不易陷入局部極值，因此可被廣泛用于信息處理，數(shù)據挖掘，故障診斷，計算機病毒監(jiān)測等1。

5、中藥品種繁多，來源復雜。一般為了便于指導臨床用藥，確保用藥的安全和有效，普遍采用根據中藥的不同功效將其歸為不同的類，如解表藥、清熱藥、瀉下藥等。中藥功效的概括，是在中醫(yī)理論的指導下，依據機體的用藥反應，通過審證求因，辨證論治等方法歸納而來。但是，由于中藥成分十分復雜，在臨床上具有多種療效，因此導致不同醫(yī)家對其認識也有所不同，對于某些中藥的歸類尚存在分歧，可以發(fā)現(xiàn)在不同的文獻中被歸于不同的類別。例如：馬錢子在人民衛(wèi)生出版社出版的21世紀課程教材中藥學2中被歸于祛風濕藥，而在中國中醫(yī)藥出版社出版的“十五”國家級規(guī)劃教材中藥學3中則被劃為活血化淤藥。中藥的性能，又稱藥性，主要包括四氣，五味，歸經等，

6、是對中藥作用性質和特征的概括，其依據是觀察用藥后的機體反應，通過邏輯推理得到的總結性結論。因此中藥的藥性特征作為中醫(yī)藥理論的核心內容，是中藥功效確定的重要參考指標。由此，本研究考慮能否嘗試通過中藥的藥性特征，利用人工免疫系統(tǒng)來輔助進行中藥的功效歸類，為某些中藥的功效歸類研究提供參考。1材料和方法1.1中藥藥性數(shù)據庫建立選取人民衛(wèi)生出版社出版的21世紀課程教材中藥學收錄的534味中藥（不包括性味歸經記載不全的藥），分別按其性、味、歸經、毒性進行不同的數(shù)值編碼，輸入數(shù)據庫。編碼方案分別見如下表格和說明：表1四氣的數(shù)值編碼；表2五味的編碼；表3毒性的編碼；表4歸經的編碼。表1四氣的數(shù)值編碼（略）表2

7、五味的編碼（略）注：五味編碼，若有歸入該味的，則在相應欄內填入相應編碼，其它均填0。表3毒性的編碼（略）表4歸經的編碼（略）注：歸經編碼，若有歸入該經的，則在相應欄內填入1，其它均填0。1.2用于中藥功效歸類的人工免疫系統(tǒng)的建立我們可以把人工免疫系統(tǒng)中的抗原具體化為某中藥歸于某一類中藥的指標（用不同大小的數(shù)字表示），而把中藥藥性的相關特征作為編碼某一個抗體的若干候選基因片斷（以不同的數(shù)字來表示）。根據免疫學的原理，一條編碼免疫球蛋白的RNA是由若干基因片斷轉錄拼接而來，然后再翻譯成相應的多肽鏈，組成一個完整的免疫球蛋白，即抗體。而不同的基因片斷組合決定了某個抗體能否識別某一特定的抗原；也就是說

8、不同的中藥藥性特征的組合決定了某中藥傾向于歸為哪一類中藥。由于中藥的藥性特征與其功效歸類之間邏輯關系可能十分復雜，很難用一個簡單的數(shù)學公式來表達。因此，考慮建立一個可以完成兩者之間非線性映射的三層前饋人工神經網絡，將中藥的藥性特征指標賦值給輸入神經元，通過改變組成網絡的各個神經元之間的連接權值大小以及非線性函數(shù)的轉換，來對輸入的數(shù)值加以影響和改變（增大或縮?。詈罄奂訁R總到一個輸出神經元，得到相應的歸類指標。在這里，可以把人工神經網絡各個神經元之間的連接權值修改看作為免疫系統(tǒng)挑選哪些候選基因片斷作為最優(yōu)抗體的編碼基因的優(yōu)化過程。我們可以通過一組已知其確切歸類的中藥，將它們的藥性特征編碼輸入神

9、經網絡，然后由人工免疫系統(tǒng)優(yōu)化連接權值，使其能夠完成中藥藥性特征和歸類指標之間的非線性映射。人工免疫系統(tǒng)建模主要利用計算機完成，編程語言采用美國athrk公司的ATLAB6.0數(shù)值分析軟件包，人工免疫系統(tǒng)的構建依照文獻1的方法進行，神經網絡結構和人工免疫優(yōu)化流程圖見圖1，2。選取歸屬于祛風濕藥和活血化淤藥的兩類中藥，將其中被21世紀課程教材中藥學及十五國家級規(guī)劃教材中藥學均收入，且無分歧的中藥藥性特征編碼后輸入神經網絡，由人工免疫系統(tǒng)對之進行權值優(yōu)化，使之實際輸出與預期輸出相符（屬于祛風濕藥則輸出為1，屬于活血化淤藥則輸出為2），然后將歸類有分歧的馬錢子的藥性特征輸入訓練好的神經網絡，看其輸出

10、偏向于哪一類藥物。2結果經人工免疫系統(tǒng)反復優(yōu)化，得到最佳的神經網絡權值矩陣，此時輸出的平均誤差最小，為2.53。將文獻2所載之馬錢子的藥性特征（苦，溫，有大毒，歸肝、脾經）輸入神經網絡后，得到的輸出為1.82，明顯偏向于2，表明如果僅就其性味歸經等特征看，馬錢子應歸于活血化淤類藥，與文獻3的歸類相符。有趣的是，在文獻3中，對馬錢子的藥性特征歸納為苦，寒，有大毒，歸肝、脾經，如果按照這個藥性特征輸入的話，得到的實際輸出為2.3，距離祛風濕藥的預期輸出1更遠。因此綜合來看，經人工免疫系統(tǒng)優(yōu)化后的神經網絡，傾向于把馬錢子歸類于活血化淤類藥。3討論馬錢子為馬錢科常綠喬木植物馬錢Stryhnsuxvia

11、L.及同科木質大藤本皮氏馬錢（云南馬錢）S.pierrianaA.Hill的成熟種子。馬錢的種子又稱番木鱉。馬錢主產于印度、越南、泰國；皮氏馬錢產于云南、海南等地。馬錢子最早記載于本草綱目，曰：其性味苦寒，無毒，歸肝、脾經，主要功效散結消腫，通絡止痛。本草原始載：苦寒，有大毒，這一毒性描述為以后臨床實踐所證實。但是，對馬錢子的性寒熱的歸屬問題，還存在不同看法。例如：管氏4認為馬錢子性溫，和文獻2同；而寧氏有自己獨特的看法，他根據別人及其本人的臨床經驗，認為該藥應為味苦性平，不寒不燥5。于是我們根據寧氏的觀點，取馬錢子的藥性特征（苦，平，有大毒，歸肝、脾經）輸入，得到的輸出為1.9，其結果也偏向于活血化淤類藥。另外，我們根據李時珍本草綱目的記載，取馬錢子的藥性特征（苦，寒，無毒，歸肝、脾經）輸入，得到的輸出為2.29，與藥性特征（苦，寒，有大毒，歸肝、脾經）的輸出2.3接近，提示馬錢子的藥性特征歸納中是否包含有無毒性，對其功效歸類影響不大。當然，中藥功效歸類依據，除了要考慮性味歸經等重要因素外，還應加入升降浮沉，用藥禁忌，以及對其功效的具體描述等方面的內容。但遺憾的是，目前各種文獻對于這些內容的表述，還達不到完整、規(guī)范和符合統(tǒng)一標準的程度，很難實現(xiàn)編碼的要求，有待于進一步完善、歸納和總結?！緟⒖嘉墨I】1莫宏偉.免疫算法原理與