Aprendizado por reforço em lote no controle de sistemas biológicos.

• Ano de defesa: 2020
• Autor(a) principal: Nishida, Cyntia Eico Hayama
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Aprendizado computacional; Aprendizado por reforço; Artificial intelligence; Biological networks; Gene regulatory networks; Inteligência artificial; Machine learning; Redes de regulação gênica; Reinforcement learning; Sistemas biológicos
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3141/tde-01042021-143348/

Nas últimas décadas, o estudo de redes biológicas (BT - do inglês textitBiological neTworks) cresceu em importância por possibilitar o entendimento de como entidades biológicas interagem entre si para realizar tarefas biológicas e como intervir nessas redes para tratar doenças pela aplicação de terapias. Um dos principais desafios da intervenção em BTs é descobrir quando e quais intervenções aplicar para torná-las mais saudáveis. Um conjunto de perfis de atividade de entidades, denominado bacia de atração (BOA), leva a BT em direção a um determinado fenótipo; desta forma, para uma BT ter um fenótipo saudável é necessário que ela esteja em uma BOA saudável. Entretanto, grande parte das propostas desconsidera a existência de BOAs e obtém estratégias de intervenção que evitam certos perfis de atividade de entidades, o que pode causar doenças. Além disso, sem a completa observação de todas as entidades envolvidas em uma tarefa biológica, é difícil inferir um modelo preciso e identificar se a BOA atual é saudável. Em vez de gerar uma estratégia de intervenção a partir de um modelo impreciso, nós propomos um novo arcabouço que aprende as estratégias diretamente de um conjunto de experiências coletado previamente. O arcabouço proposto, denominado Basin of Attraction Control Framework through Experiences (BOAConFE), integra o conceito de BOA e técnicas de aprendizado de máquina para calcular estratégias de controle capazes de levar BTs rapidamente para BOAs saudáveis, enquanto reduz a quantidade de intervenções. BOAConFE calcula a probabilidade de observações estarem em BOAs saudáveis para lidar com a observabilidade parcial e incorporar o conhecimento sobre BOAs no arcabouço. BOAConFE utiliza o método proposto multiple Steps Basin of Attraction Fitted Q-Iteration (mSBOAFQI) que usa essas probabilidades junto com uma trajetória composta por múltiplos passos para definir estratégias de intervenção a partir das experiências. Nós mostramos empiricamente que BOAConFE consegue levar rapidamente uma BT parcialmente observável para BOAs saudáveis, enquanto reduz o número de intervenções. Os nossos resultados destacam os benefícios de usar múltiplos passos para lidar com observabilidade parcial e a probabilidade de observações estarem em BOAs saudáveis para explorar o conhecimento sobre BOAs.