سیستم ایمنی مصنوعی (AIS) قسمت 3

فرآیند فعال شدن سیستم ایمنی بدن انسان

در بدن انسان برای تولید سلول های B و T از الگوریتم انتخاب منفی استفاده می شود. این سلول ها در مغز استخوان و تیموس به صورت تصادفی ساخته می شوند. در این دو محیط فقط سلول های خودی دیده می شود. این سلول ها اگر با یک سلول خودی منطبق شدند از بین می روند و در غیر این صورت وارد بدن می شوند. این سلول ها دارای ویژگی خود تحمل پذیری کامل می باشند. آین ویژگی بدین معنا است که سلول B یا T تنها با آنتی ژن سلول های غیرخودی منطبق می شوند.سلول های B دارای ویژگی خود تحمل پذیری کامل نمی باشند زیرا نمونه همه سلول های بدن در مغز استخوان وجود ندارد ولی سلول های T به دلیل تکامل و بالغ شدن در تیموس دارای این ویژگی می باشند. اگر آنتی بادی یک سلول B با آنتی ژن یک سلول غیرخودی منطبق شود یک سیگنال اولیه ایجاد می شود.بنابراین اگر یک سلول B با یک سلول غیرخودی مواجه شود آن را می بلعد.اگر گیرنده های TCR موجود بر روی یک سلول T با الگوهای یک سلول B بتواند منطبق شود و در صورتی که سلول T قبلا فعال شده باشد آنگاه سلول T سیگنال دوم یا سیگنال کمک را منتشر می کند. این سیگنال دوم نشان می دهد که یک سلول غیرخودی تشخیص داده شده است و سپس الگوریتم انتخاب با تکثیر آغاز می شود.

الگوریتم انتخاب با تکثیر

در الگوریتم انتخاب با تکثیر ، بدن شروع به ایجاد سلول های B جدید از روی سلول های B که با آنتی ژن سلول بیگانه جفت شده است ، می کند.سلول های تازه ایجاد شده با سلول قبلی کمی تفاوت دارند و بهتر با آنتی ژن مورد نظر جفت می شوند.تعدادی از این سلول ها به سلول های حافظه تبدیل می شوند و مدت زمان بیشتری در بدن زنده می مانند و می توانند مرحله تشخیص را در حمله های بعدی تسریع نمایند.معمولا برای آغاز شدن الگوریتم انتخاب با تکثیر به هر دو سیگنال اول و دوم نیاز است. البته الگوریتم انتخاب با تکثیر در یک حالت می تواند بدون وجود سیگنال دوم شروع شود. این حالت هنگامی رخ می دهد که میزان تطبیق سلول B و سلول غیرخودی از حد آستانه بیشتر باشد. این مورد در صورتی اتفاق می افتد که جفت شدن با یک سلول حافظه صورت پذیرد.

سلول T در صورتی فعال می شود که یک سیگنال تائید کننده از یک سلول عرضه کننده آنتی ژن دریافت نماید.این سیگنال تائید، سیگنال هم تحریک نامیده می شود. سلول عرضه کننده آنتی ژن در صورتی این سیگنال را می دهد که از یک سلول خودی یا یک سلول امنیتی سیگنال خطر را دریافت نماید. سلول خودی در شرایطی که به خاطر وجود پاتوژن یا سلول غیرخودی بیماری زا احساس خطر نماید این سیگنال را ارسال می کند.

اصلی ترین هدف سیستم ایمنی طبیعی ، تمایز میان خودی و غیر خودی است. با توجه به عملکردها و واکنش های خاص سیستم ایمنی در برخی موارد ، امکان توضیح این واکنش ها با مدل تمایز میان خودی و غیرخودی وجود ندارد. برای توضیح این واکنش ها تئوری خطر مطرح گردید. مبنای تئوری خطر سیگنال های بین سلولی است. سلول T هنگامی فعال می شود که یک سیگنال تائید کننده از سلولی از نوع سلول عرضه کننده آنتی ژن دریافت کند.

سلول عرضه کننده آنتی ژن در صورتی این سیگنال را می دهد که از یک سلول خودی یا یک سلول امنیتی سیگنال خطر دریافت نماید. سلول خودی در شرایطی مانند وجود سلول غیرخودی بیماری زا ، سیگنال خطر را ارسال می نماید. سیگنال خطر هر نوع نشانه ای از مرگ غیر طبیعی سلول های خودی است که به صورت محلی در اطراف سلول مُرده ایجاد می شود.عواملی که توسط سلول های عرضه کننده آنتی ژن به عنوان سیگنال خطر قلمداد می شوند همگی مواد و ترکیبات داخل سلول ها هستند که به دلیل مرگ غیر طبیعی و با پاره شدن غشای سلول بدون حضور سلول بیگانه خوار در محیط اطراف سلول مُرده پخش می شوند.

هر رویداد الکتروشیمیایی که در خارج سلول رخ دهد و توسط گیرنده های سلول به داخل آن منتقل شود و باعث ایجاد رفتاری در سلول شود، یک سیگنال سلولی نامیده می شود.ارتباط سیگنالی بین سلول ها می تواند توسط ارتباط هایی با فواصل طولانی حاصل از ترشح هورمون ها یا ارتباط های محلی میان مولکول های سطح سلول های مجاور ، برقرار گردد.

سیگنال سازی سلول ها به دو دسته هورمونی و فیزیکی تقسیم بندی می شود. سیگنال سازی هورمونی امکان ارتباط بین سلول های دور از هم را بوسیله مولکول های کوچک و قابل حمل فراهم می سازد. سیگنال سازی فیزیکی ارتباط بین سلول ها را به صورت فیزیکی و مستقیم فراهم می سازد. این نوع سیگنال سازی بین سلول های T و سلول های عرضه کننده آنتی ژن امکان پذیر است. این روش با کمک سایتوکین ها صورت می پذیرد.

سایتوکین ها موادی با ساختار پروتئینی هستند که نقش انتقال پیام ها را در سیستم ایمنی برعهده دارند. مبداء سایتوکین یک سلول تحریک شده است. سایتوکین ها پس از انتشار بر روی سلول های مقصد در مجاورت و حتی خود سلول مبداء تاثیر می گذارند. تعداد کمی از انواع سایتوکین ها قابلیت انشار به مقاصد دور و جریان یافت در شریان ها را دارا می باشند.هورمون ها گروه دیگری از مواد شیمیایی هستند که برای انتقال پیام در بدن استفاده می شوند. هومون ها قابلیت بالایی برای انتشار در شریان های بدن و راهیابی به فواصل دور در بدن دارند.

معرفی و تعریف سیستم های ایمنی مصنوعی

سیستم ایمنی مصنوعی به سیستم های سازگار گفته می شود که از ایده مکانیزم دفاعی بدن انسان الهام گرفته و راه حلی برای مسائل پیچیده ارائه نموده اند. کاربرد سیستم ایمنی مصنوعی را می توان به صورت ذیل طبقه بندی نمود:

۱٫ تشخیص عیب (Fault Detection)
۲٫ تشخیص ناهنجاری (Anomaly Detection)
۳٫ تشخیص نفوذ (Intrusion Detection)
۴٫ امنیت اطلاعات (Information Security)
۵٫ مسائل بهینه سازی (Optimization Problems)
۶٫ دسته بندی الگوها (Patterns Classification)
۷٫ زمانبندی (Scheduling)
۸٫ خوشه بندی (Clustering)
۹٫ سیستم های یادگیرنده (Learning Systems)

سیستم ایمنی بدن و بالطبع سیستم ایمنی مصنوعی دارای ویژگی های ذیل است:

1.توازی : این ویژگی بدین معنا است که سیستم ایمنی از جزءهای کوچکی تشکیل شده که با همکاری یکدیگر به حفظ امنیت بدن می پردازند. هرکدام از این اجزاء کوچک توان تشخیص و طول عمر کمی دارند ولی از ترکیب آنها یک سیستم قدرتمند بوجود می آید.

2. توزیع شدگی : توزیع شدگی در سیستم ایمنی بدین معنا است که هر کدام از سلول های ایمنی و در کنار آنها هرکدام از دستگاه های ایمنی ، قدرت تصمیم گیری برای کار خود را دارا می باشند و نیازی به یک مرکز پردازشی وجود ندارد. تمام دستگاه ها و سلول ها با یکدیگر در ارتباط بوده و برای این ارتباط نیازی به سیستمی واحد و متمرکز نیست.

3. تطبیق پذیری : تطبیق پذیری ریشه در یادگیر بودن سیستم ایمنی دارد. بدن انسان با محیط طبیعی خود ارتباط داشته و با آن در تعامل است.بنابراین مواد مفید ، مضر یا بیماری زایی که وارد بدن انسان می شوند نیز متغیر هستند. در ضمن بدن انسان نیز به طور مداوم در حال نوسازی و تغییر است. به همین دلایل سیستم ایمنی به صورتی طراحی شده است که با تغییرات به صورت پویا برخورد نماید و با وجود تغییر ، عوامل بیماری زا را عامل های سالم تشخیص داده و با آنها مبارزه نماید.

4. قابلیت تشخیص الگو : در سیستم ایمنی قابلیت تشخیص الگو توسط آنتی بادی ها وجود دارد. این تشخیص الگو با استفاده از یک سطح آستانه انجام می شود.

5. قابلیت یادگیری : سیستم ایمنی قادر است عوامل بیماری زای جدیدی را که مشاهده می کند به خاطر بسپارد.

6. همکاری گروهی : در سیستم ایمنی سلول ها به صورت گروهی ، موازی و توزیع شده برای تشخیص و انهدام همکاری دارند.

7. چند لایه ای بودن : هیج موجودیتی در سیستم ایمنی و بدن انسان ، یک مکانیزم کامل امنیتی و دفاعی را فراهم نمی کند. بلکه هر لایه سیستم ایمنی به صورت مستقل عمل کرده و و با بقیه لایه ها در ارتباط است.

8. تنوع و گوناگونی : سیستم ایمنی در برابر انواع مختلفی از نفوذها مقاومت کرده و تسلیم نمی شود.

9. بهینه بودن منابع : در سیستم ایمنی با ایجاد مرگ و تکثیر سلولی ، همواره یک نمونه فضای کوچکی از فضای جستجوی آنتی ژن ها در هر زمان نگهداری می شود.

10. پاسخ انتخابی : در سیستم ایمنی ، پس از شناسایی یک آنتی ژن ، پاسخ های متفاوتی داه می شود و همواره به یک شکل عمل نمی شود.

برای حل یک مسئله با استفاده از سیستم ایمنی مصنوعی باید سه مرحله ذیل انجام پذیرد.
(۱) نحوه نمایش داده های مسئله یا تعریف فضای شکل.
(۲) معیار اندازه گیری میل ترکیبی.
(۳) انتخاب یک الگوریتم ایمنی مصنوعی برای حل مسئله.

در سیستم ایمنی همه چیز بر مبنای شناسایی الگو یا شناسایی شکل آنتی ژن است. سیستم ایمنی را می توان به فضایی مملو از شکل های مختلف تشبیه نمود. هدف در این فضا پیدا کردن مکمل شکل ها و شناسایی آنها است. در واقع آنچه سیستم های ایمنی مصنوعی دنبال می کنند پیدا کردن تعدادی شکل بهینه (آنتی بادی) در فضای شکل است که مکمل تمامی شکل های موجود در داده های مسئله (آنتی ژن ها) باشند.
به بیان دیگر در سیستم ایمنی مصنوعی هدف این است که برای N الگو یا آنتی ژن ، M آنتی بادی پیدا شود. البته M خیلی کوچکتر از N است.شکل ها یا آنتی ژن ها به صورت آرایه ای از اعداد نمایش داده می شوند. این آرایه می تواند اعداد باینری ، صحیح یا حقیقی باشد.هر شیوه ای که برای نمایش آنتی ژن استفاده شود برای نمایش آنتی بادی نیز استفاده می شود.

مسئله دیگر نحوه محاسبه میل ترکیبی یک آنتی ژن و آنتی بادی است.عنوان شد که هرچه آنتی بادی میل ترکیبی بیشتری با آنتی ژن داشته باشد ، مکمل بهتری برای آن آنتی ژن است.اگر هر شکل در فضای شکل به صورت صورت یک آرایه از اعداد نمایش داده شود ، میل ترکیبی را می توان معادل شباهت آرایه ها در نظر گرفت. از طرفی هرچه فاصله کمتر شود ، شباهت بیشتر می شود.به بیان دیگر هرچه فاصله انتی بادی با آنتی ژن کمتر شود ، آنتی بادی مکمل بهتری برای آنتی ژن است. بر همین مبنا در الگوریتم های ایمنی مصنوعی از فاصله به عنوان معیار ارزیابی خوب یا بد بودن یک آنتی بادی استفاده می شود.

با توجه به دو تعریف فضای شکل و میل ترکیبی مکمل بودن یک آنتی بادی و یک آنتی ژن ، شناسایی یک آنتی ژن توسط آنتی بادی با استفاده از مقدار آستانه میل ترکیبی تعریف می شود. اگر میزان میل ترکیبی یک آنتی بادی با یک آنتی ژن بیشتر از حد آستانه میل ترکیبی باشد آنگاه آنتی ژن در محدوده شناسایی آنتی بادی قرار گرفته است. به بین دیگر اگر فاصله یک آنتی بادی و یک آنتی ژن از حد آستانه شناسایی کمتر باشد ، آنتی بادی ، آنتی ژن را شناسایی می کند.بنابراین هر آنتی بادی می تواند تعدادی آنتی ژن را که تفاوت های اندکی با یکدیگر دارند شناسایی کند و در نتیجه تعداد آنتی بادی ها می تواند کمتر از آنتی ژن ها باشد.

تاریخچه سیستم های ایمنی مصنوعی

پایه های مدل سازی ریاضی بخش هایی از دستگاه ایمنی بدن در سال ۱۹۷۴ میلادی توسط نیلز جِرن انجام پذیرفته است.اولین ایده استفاده از فرآیندهای دستگاه ایمنی بدن در کاربردهای محاسباتی در سال ۱۹۸۶ میلادی توسط جان فارمر، نورمن پاکارد و آلن پِرِلسون مطرح گردید. آنها رفتار پویای سیستم ایمنی را با معادلات دیفرانسیل مدل کرده و نشان دادند که می توان از این مدل برای یادگیری مسائل استفاده نمود.

تا اوایل دهه ۹۰ میلادی بیشتر کاربردهای دستگاه ایمنی بدن در سیستم های محاسباتی ، شامل یکسری شبیه سازی هایی مانند شبیه سازی بیماری ایدز و مدلسازی ارتباطات سلولی بود و در ادامه با کارهای استفانی فارِست، هوگوس بِرسینی، جاناتان تیمیس، مارک نیل، دیپانکار داسگوپتا، لیندرو دی کاسترو بطور گسترده تری پیگیری شد.

در سال ۱۹۹۰ میلادی هوگوس بِرسینی و فراسیسکو وارِلا ایده شبکه های ایمنی که پیشتر توسط نیلز جِرن و آلن پرلسون در زمینه دستگاه ایمنی مطرح شده بود را برای سیستم های محاسباتی مطرح کردند.

فارِست و داسگوپتا تاکنون مطالعات گسترده ای درباره الگوریتم انتخاب منفی انجام داده اند و دی کاسترو مطالعاتی روی انتخاب مبتنی بر تکثیر انجام داده است. اولین کتاب درباره سیستم های ایمنی مصنوعی نیز در سال ۱۹۹۹ میلادی توسط داسگوپتا منتشر گردید.

در سال ۲۰۰۳ میلادی یووی آیلکین به همراه تیمی از اساتید و دانشجویان رشته های علوم کامپیوتر و ایمنی شناسی دانشگاه ناتینگهام انگلستان نظریه خطر را ارائه نموند که تاکنون این تیم گزارشات و مقالات متعددی در زمینه کاربرد نظریه خطر در سیستم های محاسباتی منتشر نموده اند.
سیستم ایمنی مصنوعی (AIS) قسمت 1
سیستم ایمنی مصنوعی (AIS) قسمت 2
سیستم ایمنی مصنوعی (AIS) قسمت 3
سیستم ایمنی مصنوعی (AIS) قسمت 4
سیستم ایمنی مصنوعی (AIS) قسمت 5
سیستم ایمنی مصنوعی (AIS) قسمت 6