数学可以帮助更好地治疗癌症吗

生物的发展和生存与其细胞感知并正确响应其环境的能力有关。为此，细胞通过化学信号系统(称为信号通路)进行通信，该系统调节和协调细胞活性。但是，信息处理受损可能会导致细胞无法正确感知其环境。然后他们开始以不受控制的方式行事，这可能导致癌症的发展。为了更好地了解受损的信息传输如何影响患病细胞的活动，瑞士日内瓦大学(UNIGE)的研究人员正在超越生物学领域。他们提议根据信息理论检查细胞通信，信息理论是计算机科学中更常用的数学理论。这项工作细胞生物学趋势提供了一种全新的肿瘤学方法。

UNIGE医学院肿瘤血液学转化研究(CRTOH)的研究员KarolinaZielińska说：“从某种意义上说，癌症可以看作是一种信息疾病。”“但是，在过度激活或激活不足的信号通路的致癌作用变得众所周知的同时，确切的机制仍然十分神秘。”实际上，细胞如何根据他们感知到的信息或不再感知的信息做出决策?负责这项研究的CRTOH教授弗拉基米尔·卡塔纳涅夫(Vladimir Katanaev)解释说：“有时仅生物学还不足以破译一切。”

测量不确定度

在1940年代后期，美国数学家克劳德·香农(Claude Shannon)提出了一种概率论，用于量化通过嘈杂的通信渠道在一组消息中传输的信息。这一理论使现代通信系统和计算机得以发展。它也是众多应用程序的基础，例如数据压缩和传输，加密和人工智能。“但奇怪的是，香农的理论并没有在细胞信号传导领域得到广泛应用”，既是数学家又是生物学家的卡罗琳娜·齐利恩斯卡(KarolinaZielińska)说。“我们的想法是使用这个强大的工具来检查患病细胞做出的决定，并将其与健康细胞做出的决定进行比较。”

信息论使用概率论作为基本工具。它的主要概念称为熵，旨在测量随机变量的不确定性。“例如，如果我们抛硬币，硬币可能会随机掉落在头或尾上，因此结果是不确定的。现在想象一下一个硬币，它具有两个相同的面孔：结果是确定的，熵为零。因此，熵评估熵表示用于随机通信的不确定性的程度。当应用于通信时，熵表示接收方明确确定源已发送的内容所需的信息量。”

从数学到生物学

信息理论应用于细胞信号传递，可以研究细胞如何处理其从环境中接收的信息。当细胞从其环境接收刺激(信息)时，细胞可以处理什么浓度的信息而不会出错?知道了细胞的反应后，我们可以区分不同的刺激来评估哪个刺激触发了这种特定的反应吗?这些问题在癌症领域至关重要。确实，癌细胞可能无法处理来自环境以及健康细胞的信息，并且在不需要这样做时会开始增殖和分裂。

现在，研究人员将通过研究乳腺癌和肺癌细胞如何处理其周围环境的信息来测试其方法的有效性。实际上，尽管有明显的副作用，目前的治疗通常旨在消除或完全消除某些信号传导途径。弗拉基米尔·卡塔纳涅夫(Vladimir Katanaev)表示：“我们提出的新方法并非旨在关闭信号通路，而是旨在恢复其正常活动。”“通过将纯粹的数学概念应用于生物学，我们希望识别出需要纠正的信息传输故障以进行纠正。”