AI未經學習！最新研究揭示了解讀人工智慧黑盒的方法

人工智慧（AI）一直在迅速發展，但對人類來說，強大的模型卻是個「黑盒子」。

我們不了解模型內部的運作原理，不清楚它得出結論的過程。

然而最近，波昂大學（University of Bonn）的化學資訊學專家Jürgen Bajorath教授和他的團隊取得了重大突破。

他們設計了一種技術，揭示了藥物研究中使用的某些人工智慧系統的運作機制。

研究顯示，人工智慧模型主要透過回憶現有數據來預測藥物有效性，而非學習特定化學交互作用。

－也就是說，AI預測純靠拼湊記憶，機器學習其實並沒有學習！

他們的研究結果最近發表在《自然機器智能》（Nature Machine Intelligence）雜誌上。

論文網址：https://www.nature.com/articles/s42256-023-00756-9

在醫藥領域，研究人員正在狂熱地尋找有效的活性物質來對抗疾病－哪種藥物分子最有效？

通常，這些有效的分子（化合物）會對接在蛋白質上，蛋白質作為觸發特定生理作用鏈的酵素或受體。

在特殊情況下，某些分子也負責阻斷體內的不良反應，例如過度的發炎反應。

可能的化合物數量龐大，尋找有效的化合物就像大海撈針一樣。

因此，研究人員首先使用AI模型來預測，哪些分子最能與各自的目標蛋白對接並牢固結合。然後在實驗研究中，更詳細地進一步篩選這些候選藥物。

自人工智慧發展以來，藥物發現研究也越來越多地採用AI相關的技術。

比如圖神經網路（GNN），適用於預測某種分子與目標蛋白結合的強度。

圖由表示物件的節點和表示節點之間關係的邊組成。在蛋白質與配體複合物的圖表示中，圖的邊連接蛋白質或配體節點，表示物質的結構，或蛋白質和配體之間的相互作用。

GNN模型使用從X射線結構中提取的蛋白質配體相互作用圖，來預測配體親和力。

Jürgen Bajorath教授表示，GNN模型對我們來說就像一個黑盒子，我們無法得知它如何得出自己的預測。

Jürgen Bajorath教授任職於波昂大學LIMES研究所、波昂-亞琛國際資訊科技中心（Bonn-Aachen International Center for Information Technology）和拉瑪機器學習與人工智慧研究所（Lamarr Institute for Machine Learning and Artificial Intelligence）。

人工智慧如何運作？

來自波昂大學化學資訊學的研究人員，與羅馬Sapienza大學的同事一起，詳細分析了圖神經網路是否真的學習到了蛋白質與配體的相互作用。

研究人員使用他們專門開發的「EdgeSHAPer」方法分析了總共六種不同的GNN架構。

EdgeSHAPer程式可以判斷GNN是否學習了化合物和蛋白質之間最重要的相互作用，或者是透過其他的方式來得出預測。

科學家們使用從蛋白質配體複合物結構中提取的圖訓練了六個GNN，——化合物的作用方式以及與目標蛋白的結合強度已知。

然後，在其他複合物上測試經過訓練的GNN，並使用EdgeSHAPer分析GNN如何產生預測。

「如果GNN按照預期行事，它們需要學習化合物和目標蛋白之間的相互作用，並且透過優先考慮特定的相互作用來給出預測」。

然而，根據研究小組的分析，六個GNN基本上都沒有做到這一點。大多數GNN只學會了一些蛋白質與藥物的相互作用，主要集中在配體上。

上圖展示了6個GNN中的實驗結果，色標條表示用EdgeSHAPer確定的每個預測的前25個邊中蛋白質、配體和相互作用所佔的平均比例。

我們可以看到，代表綠色的相互作用本該是模型需要學到的，然而在整個實驗中所佔的比例都不高，而代表配體的橙色條佔了最大的比例。

為了預測分子與目標蛋白的結合強度，模型主要「記住」了它們在訓練過程中遇到的化學相似分子及其結合數據，而不管目標蛋白如何。這些被記住的化學相似性基本上決定了預測。

這讓人想起「聰明的漢斯效應」（Clever Hans effect），－－就像那匹看起來會數數的馬，實際上是根據同伴面部表情和手勢的細微差別，來推斷出預期的結果。

這或許意味著，GNN所謂的「學習能力」可能是站不住腳的，模型的預測在很大程度上被高估了，因為可以使用化學知識和更簡單的方法進行同等品質的預測。

不過，研究中也發現了另一個現象：當測試化合物的效力增加時，模型傾向於學習到更多的相互作用。

也許透過修改表徵和訓練技術，這些GNN還能朝著理想的方向進一步改進。不過，對於可以根據分子圖學習物理量的假設，一般來說應該要謹慎看待。

「人工智慧不是黑魔法。」

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