Yapay Bağışık Sistemler ve Klonal Seçim. Bmü-579 Meta Sezgisel Yöntemler Yrd. Doç. Dr. İlhan AYDIN

Transkript

1 Yapay Bağışık Sistemler ve Klonal Seçim Bmü-579 Meta Sezgisel Yöntemler Yrd. Doç. Dr. İlhan AYDIN

2 Bağışık Sistemler Bağışıklık sistemi insan vücudunun hastalıklara karşı savunma mekanizmasını oluşturan karmaşık bir sistemdir. Vücudu yabancı ve zararlı maddelerden korur. Bu sistem vücudumuza giren milyonlarca bakteri, virüs, mikrop, toksib ve parazitlere karşı korumak için düzenlenmiştir. Bağışıklık sistemi vücuda herhangi bir tanınmayan hücre girdiğinde karşı bir cevap üretir. Bağışıklık sistemi ile ilgili çalışmalar son yıllarda giderek artmıştır. Bilgisyar bilimcileri, matematikçiler, ve diğer bilim sahalarından araştırmacılar özellikle bu sistemin sahip olduğu yetenekler ile ilgilenmektedirler. Karmaşıklık açısından en az beyin kadar karmaşıktır.

3 Bağışıklık Sisteminin Temel Özellikleri 1. Teklik: Her birey kendi bağışıklık sistemine ve kendine özgü yeteneklere sahiptir. 2. Anomali tespiti : Bağışıklık sistemi vücuda girmiş daha önce bilmediği hücrelere karşı patojenleri tespit etme ve reaksiyon gösterme yeteneğine sahiptir. 3. Dağıtılmış tespit: Sistemin tüm hücreleri vücut boyunca dağıtılmış olup herhangi bir merkezi kontrol sistemine bağlı değildir. 4. Gürültü toleransı: Reaksiyon için patojenin tam tanınmasına gerek duyulmamaktadır. 5. Takviyeli öğrenme: Sistem patojenlerin yapılarını öğrenebilmekte ve daha sonra aynı patojenlerle karşılaştığında daha hızlı cevap üretebilmektedir. 6. Farklılaşma: Bağışıklık sistemi farklılaşmayı teşvik eder. 7. Dış çevreye uyumluluk: Bağışıklık sistemi değişen durumlara hızlı adapte olabilir. 8. Hafızaya sahip olma: dinamik olarak muhafaza edilen ve kendine özgü bir hafızaya sahiptir.

4 Bağışık Sistemler Bağışıklık sistemi doğal olarak çok katmanlıdır ve dolayısıyla çeşitli seviyelere dağıtılmış formda savunmaya sahiptir. Bu katmanlar şekilde gösterilmiştir. Şekil. Bağışıklık sisteminin katmanları

5 Bağışık Sistemler Fiziksel bariyerler: Derimiz işgalcilere karşı vücudun korunması için bir siperdir. Solunum sistemi antijenleri vücuttan uzakta tutar. Fizyolojik bariyerler: Gözyaşı, ter gibi sıvılar tahrip edici enzimler içerir. Mide asiti yiyecek ve suda bulunan mikro organizmaları öldürür. Bağışıklık Sistemleri: iki tür bağışıklık sistemi vardır: doğal ve kazanılmış(adaptif) Doğal bağışıklık: Vücudun belirli mikropları tanıyabilme özelliği vardır. Kazanılmış bağışıklık: Bir işgalci ile vücut daha önce karşılaşmasa bile bunun tanınması ve tahrip etme yeteneğinin kazandırılmasıdır.

6 Bağışıklık sisteminin anatomisi Solunum sistemini işgalcilere karşı koruyan hücreleri üretir. Lenf sıvısını bağışıklık organlarına ve kana taşıyan kanallar ağını oluşturur. Bazı hücreler kemik iliğinden timusa geçip burada çoğalmaktadırlar. Lökositlerin damarı işgal eden organizmaları tahrip ettiği bölgedir. Bağışık hücrelerin üretiminden sorumludur. Sindirim sistemini korumak için görevlendirilmiş bağışıklık hücrelerini üreten lenf düğümleridir. Lenfotik damarların bir araya geldiği noktadır. Her bir düğüm T ve B bağışık hücrelerini depolar. Lenf sıvısını bağışıklık organlarına ve kana taşıyan kanallar ağını oluşturur.

7 Yapay Bağışıklık Sistemi YBS, yapay sinir ağları ve genetik algoritmalara benzer şekilde biyolojik sistemlerin özet modelidir. Tanım olarak YBS, teorik bağışıklık ve kompleks problem domenlerine uygulanan gözlemlenmiş bağışık fonksiyonlar, ilkeler ve modellerden esinlenmiş hesapsal sistemlerdir. İlk esinlenme kaynağı bilgisayar virüsleridir. Forrest tarafından 1996 da ilk olarak bilgisayar virüslerinin tanınması için uygulanmıştır. Yapay bağışık sistemler katmanlı bir sistem olarak düşünülebilir. Bu yapı aşağıda verilmiştir. YBS için çatı

8 Afinite ölçümleri Bir antijenin tanınabilmesi için antijen ya da antikor yüzeylerindeki belli bölgelerde birbirleriyle tamamlayıcı bağlantıların olması gerekir. Bu yapı şekil2de gösterildiği gibi anahtar-kilit mekanizmasına benzer.

9 Afinite ölçümleri Bir antikor veya antijeni göstermek için kullanılan şekil uzayının tipi afiniteleri ölçmek için belirleyicidir. Afinite ölçümü için Hamming, manhattan ve Öklid mesafeleri kullanılır. Öklid mesafesi Manhattan mesafesi Hamming mesafesi

10 Afinite Ölçümleri Şekil: Afinite ölçümleri (a) Tümleyen bit sayısı (b) r- sürekli bit sayısı (c) çoklu sürekli bit sayısı

11 Afinite olgunlaşması Antikorların farklılığını korumak ve ilerletmek için, somatik hiper mutasyon uygulanır. Afinite olgunlaşması olarak da isimlendirilen bu yöntem seçilen antijenler ile antikorların afinitesini arttırmak için bağışık sisteme izin verir. Her birey öz olmayan bir antijen ile afinitesi ile orantılı bir bağımsız bir mutasyon oranına sahiptir. Böylece afinitesi iyi olan bireyler daha az mutasyona uğrarken, düşük bölgede olanlar daha fazla mutasyona uğrar. Afinite olgunlaşması aşağıdaki denkleme göredir. Burada p kontrol parametresidir. D*=D/Dmax ile ifade edilir.

12 Klonal seçim prensibi Klonal seçim uyarlamalı bağışık cevabından türemiştir. Uyarlamalı bağışık sistem tarafından tespit edilebilen moleküller antijen olarak isimlendirilir. Vücut bir antijene maruz kaldığında B lenfositleri tarafından üretilen antikorlar ile bir tepki oluşturulur. Antikorlar B hücrelerinin yüzeylerindeki moleküllerdir. Bu moleküllerin amacı antijenlere bağlanarak onları tanımaktır. Her B hücresinde bir antijeni tanıyacak şekilde tek tip bir antikor vardır. Herhangi bir antikor antijeni tanıdığında B hücreleri T yardımcı hücreler sayesinde bölünerek çoğalma ve olgunlaşma sürecine girer. Hücre bölünmesi tek bir hücre veya bir hücre kümesinin kopyaları (klon) oluşur. Antikor B B B Antijen H Hafıza hücreleri H P Plazma hücreleri P Seçim Çoğalma Farklılaşma Klonal seçim prensibi

13 Klonal seçim algoritması Klonal seçimin temel özellikleri Antijenler tarafından uyarılan hücrelerin çoğalması ve farklılaşması, Hafıza kümesinin korunması, Antijenler tarafından uyarılmayan antikorların elenmesi, Afiniteleri ile orantılı olarak klonların yeniden seçimi, üretimi ve çeşitliliğinin korunması, Afinite olgunlaşması olarak adlandırılan süreç ile antikorlar üzerinde rastgele değişimin sağlanması, Antijenlere karşı düşük afinite taşıyan farklılaşmış lenfositlerin tahmini.

14 Klonal seçim algoritması

15 Klon üretme prensibi En yüksek afiniteye sahip bireyler artan sırada sıralanır. Her bireyin klon sayısı(nc) aşağıdaki formüle göre hesaplanır. Burada b bir çarpan faktörü, klon için kullanılacak birey sayısı, ve round yuvarlatma fonksiyonudur. Örneğin N=100 ve b=1 için en yüksek afiniteye sahip birey için 100 tane ikinci birey için 50 tane klon oluşturulur.

16 Klonal seçim sözde kodu Giriş: Ab; Ag; iter,n,d,l; Çıkış: Abm for t = 1 to iter for j = 1 to M, f := kodlama(ab); Abn := secim(ab,f; n); C := klonlama(abn; ; f); C := hipermutasyon(c,f); f := kodlama(c); Abn := secim(c; f; n); Ab := ekle(ab,abn); Abd := uret(d,l); Ab := yerdegistir(ab,abd; f); end; end;