北京雁栖湖应用数学研究院发布会：研究团队揭示代谢物如何影响人体健康

中国日报10月23日电 10月20日北京雁栖湖应用数学研究院（以下简称研究院）举行科研成果发布会，介绍其最新取得的研究进展。国际著名数学家、研究院院长、清华大学丘成桐数学科学中心、求真书院院长丘成桐先生，清华大学丘成桐数学科学中心曾思明讲座教授、研究院副院长邬荣领教授，南开大学博士研究生刘祥，研究院博士后董昂参加发布会。

近日，研究院的统计团队与代数拓扑团队在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表"复杂疾病的代谢物理学"（The metabolomic physics of complex diseases），为解析复杂疾病成因、指导复杂疾病治疗及相关药物设计提供了崭新思路。

目前研究表明，疾病的发生与代谢的改变息息相关。现有方法只能描述单一关键代谢物，没有考虑到复杂疾病是多因素、动态、异质和相互依赖的实际情况。对此，研究团队结合了生态系统理论和进化博弈论原理首创复杂疾病的统计物理模型，该模型实现了两大创新。第一，能够分析和推断系统内部各个变量之间的因果关系，将所有代谢物整合为双向、有符号和加权的交互网络，并追踪一个代谢物到另一个代谢物的信息流如何导致健康状态的变化。如此，通过网络方法，我们可以将所有代谢物在网络中互相连接起来，而不再需要一一对应地进行分析，从而可以分析和理解代谢物之间的整体关系。

第二，研究团队将代数拓扑中的同调理论应用于网络解析。团队使用丘成桐先生及其合作者最近发展出的GLMY同调理论来定量地对网络进行解析。通过考察网络中相互作用的强弱和类型，引入了网络的动态演化过程，并使用持续GLMY同调理论来追踪捕获网络中不同尺度结构模式的拓扑变化规律。进一步，对于特定的拓扑结构模式，使用同调生成元来解析与之相关的网络中的核心因子，不同因子间的相互作用以及信息传递路线，从而更深入地理解疾病发展的机理。

"通过应用这个模型到真实数据，我们能够识别出几个中心代谢物及其交互网，这些代谢物在炎症性肠病的形成中起到了关键作用。"邬荣领教授补充说。这一发现可以为提示我们如何利用代谢物来预测和预防疾病的风险，也为未来的药物设计和治疗方法提供了有力的指导。

进一步，研究团队将现有的研究均归结为复杂系统，研究复杂系统是当前生命科学、物理科学、化学科学、社会科学、经济科学、乃至工程科学等重要的研究方向。例如当研究癌症的发病机制和治疗方法，实质是在研究一个系统，其中包含许多不同的细胞，这些细胞共同构成了一个复杂生物系统；当放在经济学的研究中，可用于描述某一省份或地区的GDP是如何影响或者被其它省份或地区而影响的；当在社会学中的分析时，实质是在研究社会中不同的个体或团体与其它个体与团体的竞争与合作关系。通过建立合适的算法，我们可以寻找影响复杂系统的关键因素，对微观世界与宏观世界层面的复杂运行调控规律进行深入定量分析。

据邬荣领教授介绍，该研究所提出的模型就像一棵大树，数学是根，为模型提供了坚实的理论基础和计算工具；而每一个分支都可延展到不同的领域，每个枝条的叶子可以是代谢物、微生物，可以是基本粒子，可以是GDP，还可以是人际关系。随着初步研究取得一定成果，在未来研究团队会对模型进行进一步深入的拓展，为理解、分析和预测复杂现象提供一个通用的方法。同时，统计团队会积极与代数拓扑及其应用团队、大数据与人工智能团队和数字经济团队以及更多团队进行学科交叉与学科互补，共同合作对相关问题进行进一步深入探讨，将该模型应用于各相对的领域，协同工作确保研究的全面性和深度，为前沿科学在各领域的应用提供解决方案。

丘成桐先生在接受采访时强调：

1.基础与应用的结合：从基础科学出发，探索最前沿的科学和技术。但同时，理论的实践化也是非常关键的。这意味着应用数学不仅仅是理论研究，还需要与实际问题和产业紧密结合，为社会提供解决方案。

2.研究院的多元协合：研究院应该关注从基础到应用，再到产业的整体协同进展。这强调了应用数学在研究、教育和产业中都有其关键作用，需要多个领域之间的互动和合作。

3.创新与学习并重：对国外的先进技术和学问进行学习是必要的，但同时也要注重自主创新。这意味着在应用数学的发展中，既要汲取国际的经验和技术，也要注重本土化和创新，形成独特的研究和应用路径。

如今应用数学更广泛也更深入的与现实生活紧密相连，从简单的日常预算到复杂的股票市场分析，从建筑设计、桥梁建设、电路设计到疾病模型分析、药物投放策略和基因编辑技术，从气候变化、水资源管理和污染控制到GPS导航系统的计算到电商网站的推荐算法，应用数学无处不在。应用数学是桥接抽象数学和现实世界的关键，而北京雁栖湖应用数学研究院确保这种桥接有效、高效且前沿。

研究院已经建立了17个专门的科研小组，预测未来的研究人员将超越300名。目前已有170余个开放课程，成功举办28次国际研讨和48次专题研讨活动，935场学术讲座，已发表超过170篇优质的学术论文，其中一大半被选入一区期刊。已承担11项国家级科研项目、13项北京市科研项目和4项横向科研项。在未来的规划中，研究院计划进一步研究数学的核心理念，并将这些研究转化为实用的工具和技术。研究院不仅将为工业和其他领域提供策略，还计划为学生和专业人员教授应用数学，培育新一代的数学家和工程师。此外，研究院还计划与产业界、政府及其他学术机构合作，提供数学模型、分析及咨询。

来源：中国日报