鄔榮領作研究成果相關介紹。澎湃新聞記者 程婷 圖

10月20日，北京雁棲湖應用數(shù)學研究院舉行科研成果發(fā)布會，介紹了該研究院統(tǒng)計團隊與代數(shù)拓撲團隊近日在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上發(fā)表的最新研究進展——“復雜疾病的代謝物理學”（The metabolomic physics of complex diseases）。該項成果為解析復雜疾病成因，指導復雜疾病治療及相關藥物設計提供了新思路。

目前研究表明，疾病的發(fā)生與代謝的改變息息相關。然而，現(xiàn)有方法只能描述單一關鍵代謝物，沒有考慮到復雜疾病是多因素、動態(tài)、異質和相互依賴的實際情況。對此，清華大學丘成桐數(shù)學科學中心曾思明講座教授、北京雁棲湖應用數(shù)學研究院副院長鄔榮領介紹，研究團隊結合了生態(tài)系統(tǒng)理論和進化博弈論原理，首創(chuàng)復雜疾病的統(tǒng)計物理模型，該模型實現(xiàn)了兩大創(chuàng)新。

一是，能夠分析和推斷系統(tǒng)內部各個變量之間的因果關系，將所有代謝物整合為雙向、有符號和加權的交互網(wǎng)絡，并追蹤一個代謝物到另一個代謝物的信息流如何導致健康狀態(tài)的變化。“如此，通過網(wǎng)絡方法，我們可以將所有代謝物在網(wǎng)絡中互相連接起來，而不再需要一一對應地進行分析，從而可以分析和理解代謝物之間的整體關系?！编w榮領表示。

二是，研究團隊將代數(shù)拓撲中的同調理論應用于網(wǎng)絡解析。研究團隊使用數(shù)學家丘成桐及其合作者最近發(fā)展出的“GLMY同調理論”來定量地對網(wǎng)絡進行解析。通過考察網(wǎng)絡中相互作用的強弱和類型，引入了網(wǎng)絡的動態(tài)演化過程，并使用持續(xù)GLMY同調理論來追蹤捕獲網(wǎng)絡中不同尺度結構模式的拓撲變化規(guī)律。進一步地，對特定的拓撲結構模式，使用同調生成元來解析與之相關的網(wǎng)絡中的核心因子，不同因子間的相互作用以及信息傳遞路線，從而更深入地理解疾病發(fā)展的機理。

“通過將這個模型應用到真實數(shù)據(jù)，我們能夠識別出幾個中心代謝物及其交互網(wǎng)，這些代謝物在炎癥性腸病的形成中起到了關鍵作用。”以炎性腸疾病為例，鄔榮領補充指出，這一發(fā)現(xiàn)可以為我們提示如何利用代謝物來預測和預防疾病的風險，也將為未來的藥物設計和治療方法提供有力指導。

研究團隊進一步將現(xiàn)有的研究均歸結為復雜系統(tǒng)。通過建立合適的算法，可以尋找影響復雜系統(tǒng)的關鍵因素，對微觀世界與宏觀世界層面的復雜運行調控規(guī)律進行深入定量分析。

鄔榮領介紹，隨著初步研究取得一定成果，未來研究團隊將對模型進行進一步深入的拓展，為理解、分析和預測復雜現(xiàn)象提供通用方法。同時，統(tǒng)計團隊將積極與代數(shù)拓撲及其應用團隊、大數(shù)據(jù)與人工智能團隊、數(shù)字經(jīng)濟團隊以及更多團隊進行學科交叉與學科互補，共同合作對相關問題進行進一步深入探討，將該模型應用于各相對的領域，協(xié)同工作確保研究的全面性和深度，為前沿科學在各領域的應用提供解決方案。

北京雁棲湖應用數(shù)學研究院成立于2020年，是由北京市人民政府支持，依托清華大學、中國科學院等數(shù)學學科優(yōu)勢資源單位，委托國際數(shù)學大師丘成桐牽頭籌建的新型研發(fā)機構。作為北京雁棲湖應用數(shù)學研究院院長，丘成桐表示，要從基礎科學出發(fā)，探索最前沿的科學和技術；同時，理論的實踐化也非常關鍵。這意味著應用數(shù)學不僅僅是理論研究，還需要與實際問題和產(chǎn)業(yè)緊密結合，為社會提供解決方案。他還強調，在應用數(shù)學發(fā)展中，既要汲取國際的經(jīng)驗和技術，也要注重本土化和創(chuàng)新，形成獨特的研究和應用路徑。