استخدام نظرية المعلومات للبحث في الأمراض المتصلة بالشيخوخة

استخدام نظرية المعلومات للبحث في الأمراض المتصلة بالشيخوخة

 

1- المقدمة

 

هذا المقال يعرض ملخص عن بعض استخدامات نظرية المعلومات ( Information theory) في توظيف الانتروبي (Entropy) للبحث في الأمراض المتصلة بالشيخوخة. تعتبر تطبيقات نظرية المعلومات مناسبة للبحث في الأمراض المتصلة بالشيخوخة. لان مثل هذه الامراض تحمل صفات متعددة المعالم (Multi-parametric) , وان العلاقة بين هذه المعالم تم تعريفها كقاعدة غير خطية. توفر نظرية المعلومات قدرات تحليلية فريدة من نوعها لحل هذه المشاكل ، متفوقة فيها على الاحصاء الحياتي الخطي (Linear biostatistics).

 

تستخدم نظرية المعلومات في المجال الطبي بشكل واسع لدراسة العديد من الأمراض , منها الامراض العصبية (Neurodegenerative), السرطان,  السكري ، وأمراض القلب.

 

إن استخدام نظرية المعلومات , لا يسمح فقط بدراسة العلاقات غير الخطية بين المعايير التشخيصية والعلاجية ذات الاهتمام ولكنها قد توفر أيضا نظرة تفصيلية حول طبيعة الأمراض ذات الصلة بالشيخوخة من خلال دراسة التقلب (Variability) , التكيف (Adaptation) , التنظيم (Regulation) , أو التوازن (Homeostasis). أن زيادة استخدام نظرية المعلومات في البحوث قد تزيد بشكل كبير من القدرات التشخيصية والعلاجية والفهم الرياضي الأساسي للأمراض ذات الصلة بالشيخوخة.

 

2- منهجية نظرية المعلومات

 

المفهوم الرئيسي لنظرية المعلومات هو الإنتروبي وهو مقياس الشك المرتبط بمتغير عشوائي. وفي هذا السياق، فإن المصطلح يشير عادة إلى شانون انتروبي ، الذي يتم تحديد كمية القيمة المتوقعة للمعلومات الواردة في رسالة ما.

 

إنتروبي المتغير العشوائي X هو:

 

حيث p_i هو احتمالية حدوث المخرج x_{i .}

 

إنتروبي لديه الخصائص التالية:

1. 
2.    إذا كان وفقط إذا كان المتغير "العشوائي" X  لديه نتيجة واحدة فقط (Certain event)
3. اعلى قيمة للانتروبي يمكن الحصول عليها عندما يمتلك المتغير العشوائي احتمالية متساوية لكافة النتائج

 

3- فائدة نظرية المعلومات للنمذجة التشخيصية

 

أي نظام تشخيصي ينبغي أن يتضمن إجراء لتقدير ارتباط المعالم (Parameters) المستخدمة. المرض الذي يتم تشخيصه ينبغي أن يشمل أيضا ترتيب المعالم وفقا لأهميتها في عملية التشخيص. بالنسبة للأمراض المرتبطة بالشيخوخة ، فمن الأهمية تشخيص تأثير كل من المعالم التناظرية (Analog parameters) وكذلك المعالم الرقمية (Digital parameters). ايضا من المهم جدا أن يكون النظام قادرا على تقدير التأثير المشترك لعدة معالم على المرض ، وكذلك تحديد (وبالتالي إعطاء الأولوية) القيمة التشخيصية للمعالم. حاليا، فإن النهج الوحيد القائم على أسس رياضية لتلبية كل من هذه المتطلبات هو تحليل نظرية المعلومات (Information-theoretical analysis) . لذلك يبدو من المرغوب فيه أن يتم استخدام تحليل نظرية المعلومات في أي نظام تشخيصي للأمراض المرتبطة بالشيخوخة.

 

4- نظرية المعلومات للبحث في الشيخوخة والأمراض المتصلة بالشيخوخة

 

1. الأمراض العصبية

 

لقد تم استخدام نظرية المعلومات بشكل واسع لدراسة الامراض العصبية وخصوصا مرض الزهايمر وذلك كون العوامل المسببة للمرض وتفاعلاتها ترتبط بعلاقات غير خطية.  توفر نظرية المعلومات الطريقة الوحيدة لدراسة هذه المتطلبات.  لذلك تم استخدام نظرية المعلومات مثل الإنتروبي لتشخيص وتقييم اشارات الدماغ (Electroencephalogram-EEG) وتغيراته في الأمراض العصبية وخصوصا مرض الزهايمر. اضافة الى ذلك تم استخدام  قياسات الانتروبي لقياس تعقيد اشارة القلب ومتابعة نشاط الدماغ. كشفت نظرية المعلومات اختلافات كبيرة بين المجموعات , حيث انخفضت درجة تعقيد اشارات الدماغ  بشكل ملحوظ عند مرضى الزهايمر.

 

2. مرض السرطان

 

استخدمت نظرية المعلومات في تحليل الارتباط (Correlation) بين انواع مختلفة من الخلايا مثل ثوابت ميكايليس_منتن (Michaelis-Mentenconstants) , استقطاب الخلايا (Intracellular fluorescence polarization) , وتعابير مستقبلات سطح الخلية (Cellsurface receptors expressions) ومجموعاتها ، مع سرطان الثدي. أشارت الدراسات أيضا إلى تغير في قيم المعالم ، حيث تضاءلت في مرضى السرطان بالمقارنة مع الأفراد الأصحاء (انخفاض قيم الانتروبي تشير إلى انخفاض التباين (Variability). يسمح استخدام نظرية المعلومات  تقدير التأثير المشترك لمجموعة من المعالم على المرض أو على مجموعة من المعلمات ذات الاهتمام.  لقد استخدمت أساليب نظرية المعلومات إنتروبي على نحو متزايد في تحليل الجينات والبروتين للكشف عن السرطان. على سبيل المثال , استخدمت أساليب نظرية المعلومات لتقدير انحراف الخلايا السرطانية بالمقارنة مع الخلايا العادية.

 

3. مرض السكري

 

 باستخدام شانون انتروبي  وجد أن معدل ضربات القلب قد انخفض في مرضى السكري من النوع 2. وقد اقترح هذا بسبب ضعف في تنظيم القلب, مما أدى إلى زيادة مخاطر أمراض القلب والأوعية الدموية.  نفس النتائج تم التوصل لها من خلال استخدام انواع اخرى من الانتروبي مثلSample Entropy  و Multiscale Entropy. كما تم التوصل إلى استنتاجات مماثلة , بشأن انخفاض تعقيد الاشارة لمرضى داء السكري من النوع 1 عند استخدام تطبيقات الانتروبي.

 

4. امراض القلب

 

لقد استخدمت نظرية المعلومات وخصوصا الانتروبي بشكل واسع لدراسة امراض القلب , حيث تسمح هكذا ادوات فهم الحالة الداخلية للنظام من خلال قياس درجة التعقيد . واحدة من معالم التشخيص الأكثر شيوعا في هذا المجال هو دراسة معدل ضربات القلب (Electrocardiogram-ECG). على سبيل المثال , باستخدام نظرية المعلومات تبين ان الشيخوخة لها الاثر الكبير على امراض القلب. علاوة على ذلك , وجد أن تقلبات اشارة القلب (ECG) كانت أقل قابلية للتنبؤ في المرضى الذين يعانون من نقص تروية (انخفاض امدادات الدم الى عضلة القلب-Ischemic patients) مقارنة بالاشخاص الاصحاء.

 

5. الاستنتاجات

 

أصبحت نظرية المعلومات اليوم مفهوما شعبيا متزايدا في مجال البحوث الطبية  ، وفي بحوث الامراض المتصلة بالشيخوخة على وجه الخصوص. في الوقت الحاضر، المزيد من الأجهزة التي تستخدم نظرية المعلومات (الانتروبي) بدأت في الظهور , منها  الثابتة ، المحمولة ،او عن طريق التشخيص على الانترنت. وبالتالي، فإن تطبيق مثل الانتروبي يتم تضمينه اليوم في حزم برامج التحليل الرئيسية
مثل SPSS والتي يمكن استخدامها بشكل روتيني ويومي.

 

                                                

                                                                                                 د. عادل ابراهيم خليل

                                                                                     جامعة ديالى / كلية التربية للعلوم الصرفة

                                                                                                    قسم الحاسوب