Zastosowanie sztucznych systemów immunologicznych w zagadnieniach optymalizacji

Transkrypt

1 Zastosowanie sztucznych systemów immunologicznych w zagadnieniach optymalizacji 26 października 2011

2 Agenda Wprowadzenie 1 Wprowadzenie 2 Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna 3 4

3 Podstawowe informacje 1 Naśladowanie natury (podobnie jak algorytmy genetyczne, ewolucyjne, algorytmy rojowe odwołujace się do samoorganizacji mrówek, ptaków, itp.).

4 Podstawowe informacje 1 Naśladowanie natury (podobnie jak algorytmy genetyczne, ewolucyjne, algorytmy rojowe odwołujace się do samoorganizacji mrówek, ptaków, itp.). 2 Wykorzystanie mechanizmów działajacych w układzie odpornościowym.

5 Podstawowe informacje 1 Naśladowanie natury (podobnie jak algorytmy genetyczne, ewolucyjne, algorytmy rojowe odwołujace się do samoorganizacji mrówek, ptaków, itp.). 2 Wykorzystanie mechanizmów działajacych w układzie odpornościowym. 3 Rozproszony system przetwarzania, operowanie na chmurze rozwiazań możliwa lepsza eksploracja przestrzeni rozwiazań niż w przypadku algorytmów operujacych w każdym kroku na jednym rozwiazaniu (np. problem znalezienia minimum/maksimum funkcji wielomodalnej).

6 Przykładowe zastosowania optymalizacja,

7 Przykładowe zastosowania optymalizacja, eksploracyjna analiza danych (Sławomir Wierzchoń et al. wyodrębnianie jednorodnych grup tematycznych w dużych zbiorach dokumentów tekstowych inspirowane mechanizmem formowania pamięci immunologicznej),

8 Przykładowe zastosowania optymalizacja, eksploracyjna analiza danych (Sławomir Wierzchoń et al. wyodrębnianie jednorodnych grup tematycznych w dużych zbiorach dokumentów tekstowych inspirowane mechanizmem formowania pamięci immunologicznej), systemy uczace się (STARLAB rozwiazywanie zadań maszynowego uczenia się i wnioskowania w czasie rzeczywistym),

9 Przykładowe zastosowania optymalizacja, eksploracyjna analiza danych (Sławomir Wierzchoń et al. wyodrębnianie jednorodnych grup tematycznych w dużych zbiorach dokumentów tekstowych inspirowane mechanizmem formowania pamięci immunologicznej), systemy uczace się (STARLAB rozwiazywanie zadań maszynowego uczenia się i wnioskowania w czasie rzeczywistym), uniwersalne systemy antywirusowe (Symantec Digital Immune System,

10 Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Warstwowa struktura systemu immunologicznego Naturalny system immunologiczny można przedstawić w strukturze warstwowej: 1 skóra podstawowa bariera ochronna,

11 Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Warstwowa struktura systemu immunologicznego Naturalny system immunologiczny można przedstawić w strukturze warstwowej: 1 skóra podstawowa bariera ochronna, 2 czynniki fizjologiczne (ph, temperatura) stwarza niekorzystne warunki dla rozwoju obcych organizmów,

12 Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Warstwowa struktura systemu immunologicznego Naturalny system immunologiczny można przedstawić w strukturze warstwowej: 1 skóra podstawowa bariera ochronna, 2 czynniki fizjologiczne (ph, temperatura) stwarza niekorzystne warunki dla rozwoju obcych organizmów, 3 odporność nieswoista (wrodzona) nie podlega modyfikacjom, jej rola jest natychmiastowe wszczęcie akcji obronnej, co daje czas na przygotowanie odpowiedzi przez adaptacyjna warstwę układu,

13 Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Warstwowa struktura systemu immunologicznego Naturalny system immunologiczny można przedstawić w strukturze warstwowej: 1 skóra podstawowa bariera ochronna, 2 czynniki fizjologiczne (ph, temperatura) stwarza niekorzystne warunki dla rozwoju obcych organizmów, 3 odporność nieswoista (wrodzona) nie podlega modyfikacjom, jej rola jest natychmiastowe wszczęcie akcji obronnej, co daje czas na przygotowanie odpowiedzi przez adaptacyjna warstwę układu, 4 odporność swoista (adaptacyjna) posiada zdolność do ciagłej adaptacji procesu rozpoznawania nowo pojawiajacych się antygenów, a także przechowywania informacji o już rozpoznanych antygenach (pamięć immunologiczna).

14 Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Warstwowa struktura systemu immunologicznego

15 Odporność wrodzona Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Podstawowe składniki wrodzonego układu odpornościowego to komórki żerne (makrofagi, granulocyty) oraz tzw. dopełniacz.

16 Odporność wrodzona Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Podstawowe składniki wrodzonego układu odpornościowego to komórki żerne (makrofagi, granulocyty) oraz tzw. dopełniacz. Eliminacja antygenów:

17 Odporność wrodzona Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Podstawowe składniki wrodzonego układu odpornościowego to komórki żerne (makrofagi, granulocyty) oraz tzw. dopełniacz. Eliminacja antygenów: uszkodzenie powierzchni komórki antygenu, przez co ona obumiera,

18 Odporność wrodzona Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Podstawowe składniki wrodzonego układu odpornościowego to komórki żerne (makrofagi, granulocyty) oraz tzw. dopełniacz. Eliminacja antygenów: uszkodzenie powierzchni komórki antygenu, przez co ona obumiera, otoczenie antygenu przez przeciwciała, komórki żerne pochłaniaja obca komórkę, a następnie ja neutralizuja.

19 Odporność adaptacyjna Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Podstawowe składniki warstwy adaptacyjnej limfocyty B (produkcja przeciwciał rozpoznajacych określony antygen) oraz limfocyty T.

20 Odporność adaptacyjna Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Podstawowe składniki warstwy adaptacyjnej limfocyty B (produkcja przeciwciał rozpoznajacych określony antygen) oraz limfocyty T. Rodzaje limfocytów T:

21 Odporność adaptacyjna Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Podstawowe składniki warstwy adaptacyjnej limfocyty B (produkcja przeciwciał rozpoznajacych określony antygen) oraz limfocyty T. Rodzaje limfocytów T: wspomagajace (decyduja o aktywacji limfocytów B oraz komórek żernych),

22 Odporność adaptacyjna Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Podstawowe składniki warstwy adaptacyjnej limfocyty B (produkcja przeciwciał rozpoznajacych określony antygen) oraz limfocyty T. Rodzaje limfocytów T: wspomagajace (decyduja o aktywacji limfocytów B oraz komórek żernych), cytotoksyczne (rozpoznaja komórki prezentujace obce lub nieprawidłowe białka i niszcza je),

23 Odporność adaptacyjna Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Podstawowe składniki warstwy adaptacyjnej limfocyty B (produkcja przeciwciał rozpoznajacych określony antygen) oraz limfocyty T. Rodzaje limfocytów T: wspomagajace (decyduja o aktywacji limfocytów B oraz komórek żernych), cytotoksyczne (rozpoznaja komórki prezentujace obce lub nieprawidłowe białka i niszcza je), supresyjne (hamuja nadmiernie aktywne komórki układu odpornościowego),

24 Odporność adaptacyjna Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Podstawowe składniki warstwy adaptacyjnej limfocyty B (produkcja przeciwciał rozpoznajacych określony antygen) oraz limfocyty T. Rodzaje limfocytów T: wspomagajace (decyduja o aktywacji limfocytów B oraz komórek żernych), cytotoksyczne (rozpoznaja komórki prezentujace obce lub nieprawidłowe białka i niszcza je), supresyjne (hamuja nadmiernie aktywne komórki układu odpornościowego), pamięciowe (pamięć immunologiczna).

25 Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna 1 Limfocyty występujace w systemie immunologicznym sa bardzo zróżnicowane.

26 Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna 1 Limfocyty występujace w systemie immunologicznym sa bardzo zróżnicowane. 2 Określony antygen może być rozpoznawany jedynie przez niewielka część limfocytów.

27 Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna 1 Limfocyty występujace w systemie immunologicznym sa bardzo zróżnicowane. 2 Określony antygen może być rozpoznawany jedynie przez niewielka część limfocytów. 3 Mechanizm selekcji klonalnej (namnożenie odpowiednich przeciwciał, bioracych udział w zwalczaniu antygenu).

28 Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna 1 Limfocyty występujace w systemie immunologicznym sa bardzo zróżnicowane. 2 Określony antygen może być rozpoznawany jedynie przez niewielka część limfocytów. 3 Mechanizm selekcji klonalnej (namnożenie odpowiednich przeciwciał, bioracych udział w zwalczaniu antygenu). 4 Mechanizm selekcji negatywnej (działa w stosunku do limfocytów rozpoznajacych własne komórki).

29 Selekcja klonalna i negatywna Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna

30 Selekcja klonalna i negatywna Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna 1 Selekcja negatywna usuwane sa te limfocyty, które ulegaja stymulacji poprzez komórki własne organizmu. 2 Selekcja klonalna: Uaktywnione limfocyty B zaczynaja się intensywnie dzielić, produkujac wiele krótko żyjacych klonów, Klony podlegaja hipermutacji, Populacja zmutowanych klonów jest poddawana ocenie stopnia dopasowania do antygenu; klony słabo wiaż ace antygen sa usuwane, natomiast klony o wysokim stopniu dopasowania przekształcaja się po pewnym czasie w komórki plazmatyczne lub komórki pamięciowe, Komórki plazmatyczne produkuja wolne przeciwciała, które łacz ac się z antygenem wskazuja go komórkom żernym do eliminacji, komórki pamięciowe pozostaja w organizmie przez dłuższy czas i biora aktywny udział we wtórnej odpowiedzi immunologicznej.

31 Pamięć immunologiczna Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna FAKT System immunologiczny utrzymuje przez dłuższy czas informacje o rozpoznanym antygenie, tak, że przy kolejnym jego pojawieniu się jest on natychmiastowo rozpoznawany i likwidowany (wtórna odpowiedź immunologiczna).

32 Pamięć immunologiczna Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna FAKT System immunologiczny utrzymuje przez dłuższy czas informacje o rozpoznanym antygenie, tak, że przy kolejnym jego pojawieniu się jest on natychmiastowo rozpoznawany i likwidowany (wtórna odpowiedź immunologiczna). TEORIE Okres życia komórek pamięciowych, w odróżnieniu od zwykłych limfocytów, może być porównywalny z okresem życia całego organizmu. Komórki immunologiczne sa bezustannie stymulowane, co pozwalala im zostać aktywnymi.

33 (De Castro, Von Zuben, Timmis) Generacja nowej populacji P osobników (komórek) rozwiazań kandydujacych, zawierajacej podzbiór komórek pamięciowych + pozostała populacja,

34 (De Castro, Von Zuben, Timmis) Generacja nowej populacji P osobników (komórek) rozwiazań kandydujacych, zawierajacej podzbiór komórek pamięciowych + pozostała populacja, Wybór n-osobników z najwyższym stopniem dopasowania,

35 (De Castro, Von Zuben, Timmis) Generacja nowej populacji P osobników (komórek) rozwiazań kandydujacych, zawierajacej podzbiór komórek pamięciowych + pozostała populacja, Wybór n-osobników z najwyższym stopniem dopasowania, Klonowanie każdego z wybranych osobników w ilości proporcjonalnej do jego stopnia dopasowania (liczba klonów wytwarzana przez pojedyncza komórkę jest zazwyczaj proporcjonalna do jej stopnia dopasowana, jednakże istnieja także rozwiazania, w których ilość ta jest stała dla każdej z wybranych komórek),

36 (De Castro, Von Zuben, Timmis) Hipermutacja sklonowanych osobników odwrotnie proporcjonalnie do stopnia dopasowania:

37 (De Castro, Von Zuben, Timmis) Hipermutacja sklonowanych osobników odwrotnie proporcjonalnie do stopnia dopasowania: punktowa zmiana pojedynczego, losowo wybranego elementu,

38 (De Castro, Von Zuben, Timmis) Hipermutacja sklonowanych osobników odwrotnie proporcjonalnie do stopnia dopasowania: punktowa zmiana pojedynczego, losowo wybranego elementu, wielopunktowa zmiana kilku losowych pozycji,

39 (De Castro, Von Zuben, Timmis) Hipermutacja sklonowanych osobników odwrotnie proporcjonalnie do stopnia dopasowania: punktowa zmiana pojedynczego, losowo wybranego elementu, wielopunktowa zmiana kilku losowych pozycji, probabilistyczna każda pozycja jest mutowana z określonym prawdopodobieństwem,

40 (De Castro, Von Zuben, Timmis) Hipermutacja sklonowanych osobników odwrotnie proporcjonalnie do stopnia dopasowania: punktowa zmiana pojedynczego, losowo wybranego elementu, wielopunktowa zmiana kilku losowych pozycji, probabilistyczna każda pozycja jest mutowana z określonym prawdopodobieństwem, Ponowny wybór ulepszonych osobników, utworzenie z nich zbioru komórek pamięciowych M,

41 (De Castro, Von Zuben, Timmis) Hipermutacja sklonowanych osobników odwrotnie proporcjonalnie do stopnia dopasowania: punktowa zmiana pojedynczego, losowo wybranego elementu, wielopunktowa zmiana kilku losowych pozycji, probabilistyczna każda pozycja jest mutowana z określonym prawdopodobieństwem, Ponowny wybór ulepszonych osobników, utworzenie z nich zbioru komórek pamięciowych M, Zastapienie określonej liczby d osobników z populacji P lepszymi klonami, osobniki z niższym stopniem dopasowania maja większe prawdopodobieństwo zastapienia.

42 Zalety sztucznych systemów immunologicznych Uniwersalne narzędzie do rozwiazywania problemów o różnym stopniu złożoności,

43 Zalety sztucznych systemów immunologicznych Uniwersalne narzędzie do rozwiazywania problemów o różnym stopniu złożoności, Dobrze przystosowane do przeszukiwania wielowymiarowej, złożonej przestrzeni rozwiazań,

44 Zalety sztucznych systemów immunologicznych Uniwersalne narzędzie do rozwiazywania problemów o różnym stopniu złożoności, Dobrze przystosowane do przeszukiwania wielowymiarowej, złożonej przestrzeni rozwiazań, Łatwe w implementacji,

45 Zalety sztucznych systemów immunologicznych Uniwersalne narzędzie do rozwiazywania problemów o różnym stopniu złożoności, Dobrze przystosowane do przeszukiwania wielowymiarowej, złożonej przestrzeni rozwiazań, Łatwe w implementacji, Algorytmy immunologiczne sa z natury równoległe.

46 Wady sztucznych systemów immunologicznych Brak gwarancji osiagnięcia optimum w określonym czasie,

47 Wady sztucznych systemów immunologicznych Brak gwarancji osiagnięcia optimum w określonym czasie, Dla każdego problemu konieczne strojenie algorytmu; niewłaściwie dobrane parametery powoduja, że algorytm "utyka",

48 Wady sztucznych systemów immunologicznych Brak gwarancji osiagnięcia optimum w określonym czasie, Dla każdego problemu konieczne strojenie algorytmu; niewłaściwie dobrane parametery powoduja, że algorytm "utyka", Brak formalnego aparatu matematycznego umożliwiajacego precyzyjna analizę ich własności (stosuje się np. analizę probabilistyczna).

49 Źródła Wprowadzenie Sławomir Wierzchoń, Sztuczne systemy immunologiczne. Teoria i zastosowania, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2001

50 Źródła Wprowadzenie Sławomir Wierzchoń, Sztuczne systemy immunologiczne. Teoria i zastosowania, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2001 Sławomir Wierzchoń, Algorytmy immunologiczne w działaniu: Optymalizacja funkcji niestacjonarnych, stw/ais/pubs/szi2001.pdf

51 Źródła Wprowadzenie Sławomir Wierzchoń, Sztuczne systemy immunologiczne. Teoria i zastosowania, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2001 Sławomir Wierzchoń, Algorytmy immunologiczne w działaniu: Optymalizacja funkcji niestacjonarnych, stw/ais/pubs/szi2001.pdf Anna Świtalska, Sztuczne systemy immunologiczne zastosowanie w optymalizacji kombinatorycznej, stw/ais/ks/index.html

52 Źródła Wprowadzenie Sławomir Wierzchoń, Sztuczne systemy immunologiczne. Teoria i zastosowania, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2001 Sławomir Wierzchoń, Algorytmy immunologiczne w działaniu: Optymalizacja funkcji niestacjonarnych, stw/ais/pubs/szi2001.pdf Anna Świtalska, Sztuczne systemy immunologiczne zastosowanie w optymalizacji kombinatorycznej, stw/ais/ks/index.html Joanna Kołodziejczyk, Obliczenia z wykorzystaniem sztucznej inteligencji, wykład V Sztuczne systemy immunologiczne,

53 Źródła Wprowadzenie Sławomir Wierzchoń, Sztuczne systemy immunologiczne. Teoria i zastosowania, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2001 Sławomir Wierzchoń, Algorytmy immunologiczne w działaniu: Optymalizacja funkcji niestacjonarnych, stw/ais/pubs/szi2001.pdf Anna Świtalska, Sztuczne systemy immunologiczne zastosowanie w optymalizacji kombinatorycznej, stw/ais/ks/index.html Joanna Kołodziejczyk, Obliczenia z wykorzystaniem sztucznej inteligencji, wykład V Sztuczne systemy immunologiczne,

54 Dziękuję za uwagę!