Co to jest biocybernetyka?
W nagłówku każdego felietonu jestem przedstawiany jako naukowiec AGH. Konkretyzując tę informację, trzeba dodać, że pracuję w Katedrze Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej. O Inżynierii Biomedycznej pisałem kilka razy, więc zasiałem odrobinę wiedzy, czym jest ta broniąca zdrowia i życia ludzi dziedzina techniki. Natomiast dzisiaj chcę opowiedzieć o biocybernetyce. Jest to nauka łącząca biologię i medycynę z naukami ścisłymi i z techniką.
Po co takie połączenie jest potrzebne? Po pierwsze po to, żeby technicy i fizycy mogli lepiej zrozumieć potrzeby biologii i medycyny. Obecnie wszystkie te dyscypliny bardzo się rozwinęły, ale każda z nich stworzyła własną metodologię realizowania praktycznych i naukowych zadań, każda posługuje się odmienną terminologią i każda ma swoje priorytety. Lekarz z biologiem jeszcze się dogadają, fizyk z inżynierem także, ale inżynier jest bez szans przy studiowaniu publikacji lekarza, a biolog niewiele zrozumie z wywodów fizyka.
A tymczasem porozumienie jest konieczne, by można było skutecznie projektować urządzenia techniczne dla medycyny albo zapożyczać mechanizmy wykryte przez biologów dla rozwoju innowacyjnych konstrukcji.
Biocybernetyka opiera się na używaniu modeli. To jest fundamentalne pojęcie. Najpierw dążymy do znalezienia modelu formalnego (matematycznego), który jak najwierniej opisze rozważany obiekt lub proces biologiczny. Potem tworzymy także model komputerowy, pozwalający badać wiele rzeczy metodą symulacji.
Model można zbudować dla struktur biologicznych o różnych rozmiarach: molekuł związków chemicznych mających znaczenie w biologii, komórek, tkanek, całych narządów i wreszcie całego człowieka lub nawet grup ludzi. Model biocybernetyczny można też zbudować dla biologicznych procesów: rozwój organizmu, przebieg choroby, działania podczas leczenia, dynamika epidemii. W tym zakresie modele wykorzystywane są jako narzędzie prognostyczno-kontrolne. Ale są to też narzędzia komunikacji między specjalistami różnych dyscyplin naukowych. Posługując się modelami biocybernetycznymi lekarze mogą skutecznie przekazać swoje dezyderaty inżynierom, a fizycy mogą coś zasugerować biologom.
Możliwości jest wiele i stale odkrywane są nowe. Możemy na przykład zbudować model biocybernetyczny określonej choroby. Jeśli do takiego modelu podstawimy dane konkretnego pacjenta, to będziemy mogli przewidzieć, co się z nim stanie. Będziemy też mogli - na zasadzie komputerowego modelowania - wybrać najlepszą terapię, bo na modelu będzie można sprawdzić skutki różnych zabiegów, zanim się je zastosuje w praktyce. Ma to zresztą zastosowanie między innymi w kształceniu studentów medycyny i w doskonaleniu umiejętności lekarzy, bo biocybernetycy stworzyli wirtualnych pacjentów.
Jest jeszcze jeden aspekt budowania biocybernetycznych modeli: ograniczenie badań biologicznych na zwierzętach. Jeśli na przykład powstaje nowy lek, to zanim poda się go ludziom - jego działanie sprawdzane jest na hodowanych sztucznie tkankach („experiment in vitro”), a potem na zwierzętach („experiment in vivo”). Jest to okrutne, ale niestety obecnie konieczne. Gdyby jednak można było badania prowadzić wyłącznie na biocybernetycznych modelach („experiment in computo”), byłby to ogromny postęp.
Dla niektórych prostych obiektów biologicznych, a także dla niektórych zjawisk i procesów mamy już dostatecznie dobre modele matematyczne. Dla większości złożonych problemów medycznych jeszcze nie. Ale może za kilka lat moralniej (i taniej!) będziemy badać oddziaływania nowego leku na symulowaną komputerowo wątrobę, niż na zwierzęta doświadczalne. A efekt będzie ten sam!