Arriva il Quantum Metabolic Avatar, gemello digitale del metabolismo umano

Per la prima volta, usando algoritmi quantistici è stato creato un avatar del metabolismo umano per studiare tutte le possibili reazioni biochimiche metaboliche all'interno del nostro corpo, con la possibilità di sviluppare avatar personalizzati per pazienti con svariate malattie, dal diabete alla suscettibilità al sovrappeso, sui quali testare le terapie per scegliere la migliore. In pratica siamo di fronte a un “gemello digitale” che impara, si adatta, e simula come funziona il nostro corpo quando mangiamo, ci muoviamo o cambiamo stile di vita.

Battezzato “Quantum Metabolic Avatar”, è stato sviluppato dal team del professor Giuseppe Maulucci, Associato di Fisica per le scienze della vita, l'ambiente e i beni culturali e direttore del Laboratorio di Intelligenza metabolica presso il Dipartimento di Neuroscienze dell’Università Cattolica, campus di Roma. Si tratta del frutto di un lavoro pubblicato su Expert Systems with Applications, insieme con i colleghi della UOC Fisica per le Scienze della Vita della Fondazione Policlinico Universitario A. Gemelli IRCCS diretta dal professor Marco De Spirito, Ordinario di Fisica per le scienze della vita, l'ambiente e i beni culturali all’Università Cattolica, che spiega: «L’informatica quantistica ha oggi pochissime applicazioni pratiche nel mondo reale, e ancora meno nel campo della medicina. Questo progetto rappresenta uno dei primi esempi concreti di utilizzo della computazione quantistica su dati fisiologici reali, con potenziali ricadute dirette sulla salute delle persone. È un traguardo che segna non solo un avanzamento scientifico, ma anche un passo verso una medicina personalizzata, predittiva e intelligente».

Il gruppo include giovani ricercatori dell’Università Cattolica e della Fondazione Policlinico Universitario A. Gemelli IRCCS Cassandra Serantoni, Michele Maria De Giulio, Alessia Riente, e partner industriali impegnati nello sviluppo di tecnologie per la salute digitale (Stefano Capezzone, Rosita Esposito, Fastal S.r.L. e Chirale S.r.L.).

Il Quantum Metabolic Avatar è un modello intelligente, alimentato da dati reali di persone vere, ma ciò che lo rende speciale è che non si basa sull’ intelligenza artificiale classica, spiega il professor Maulucci. «Noi lo abbiamo fatto viaggiare sui binari della meccanica quantistica, usando computer quantistici, disponibili oggi attraverso connessioni cloud. Immaginate di avere a disposizione un “super-cervello” che non pensa in modo lineare, ma che riesce a esplorare tantissimi scenari contemporaneamente, come se guardasse tutte le possibili strade che il metabolismo potrebbe prendere — in un solo sguardo - aggiunge. Nel nostro avatar metabolico, inseriamo informazioni quotidiane: la dieta di una persona, quanto si muove, come varia il suo peso. E il sistema prova a prevedere — con una settimana di anticipo — dove sta andando il suo corpo. È come un navigatore metabolico: anziché dirti il percorso in auto, ti dice dove andrà il tuo metabolismo se continui su quella strada. E la bellezza è che questo sistema può imparare anche da pochi dati, anche se i dati sono “sporchi”, incompleti, irregolari — proprio come succede nella vita vera. Mentre gli algoritmi classici, per dare buoni risultati, hanno bisogno di dati ordinati e abbondanti (come un treno su binari perfetti), gli algoritmi quantistici si comportano più come un fuoristrada, capace di avanzare anche su terreni difficili, e vedere strade alternative».

BACKGROUND

Se un algoritmo classico è come un treno che corre su un solo binario, esplorando una sola soluzione possibile alla volta, un algoritmo quantistico è come un treno magico capace di percorrere simultaneamente tutti i binari, esplorando in parallelo tutte le soluzioni possibili a un problema. Questo è possibile grazie a due straordinarie proprietà della fisica quantistica: la sovrapposizione e l’entanglement, spiega il professore. Un qubit, cioè l’unità base dell’informazione in un computer quantistico (l’equivalente quantistico del bit), non è solo acceso o spento, 0 o 1, come nei computer tradizionali. Un qubit può essere in una combinazione di entrambi gli stati allo stesso tempo: questa è la sovrapposizione. È come se in un quiz tu potessi contemporaneamente scegliere tutte le risposte, aspettando che sia la realtà — o la misurazione — a svelare quella giusta. E poi quando più qubit vengono interconnessi tra loro in modo profondo, allora anche se li separi fisicamente, il loro comportamento resta collegato. È come se due strumenti musicali, anche in stanze diverse, suonassero in perfetta armonia senza bisogno di comunicare: se uno cambia nota, l’altro si adegua all’istante. Questo fenomeno, chiamato entanglement, permette agli algoritmi quantistici di cogliere relazioni complesse tra dati che i modelli classici non riescono nemmeno a immaginare.

LO STUDIO

Nel lavoro gli esperti sono partiti da dati fisiologici reali: ad esempio, i cibi mangiati da una persona, il suo consumo energetico, come è cambiato il suo peso negli ultimi sette giorni. Questi dati vengono trasformati in una “forma quantistica”: codificati in diverse probabilità all’interno di uno stato quantico. Questa informazione viene poi ‘metabolizzata’ dai computer quantistici e il risultato è un “vettore quantico”, “cioè un insieme di probabilità che ci raccontano qual è la direzione in cui si sta muovendo il metabolismo di quella persona. Ad esempio, ci può dire quanto peserà tra una settimana, o se è in una fase in cui il corpo tende ad accumulare energia o a bruciarla, o se aumenterà la sua massa magra, o se il suo microbiota muterà – spiegano i professori. È una previsione intelligente, costruita su una dinamica temporale che non si limita a ripetere il passato, ma lo interpreta per generare futuri possibili, tutti valutati in parallelo. In pratica consente di vedere più strade nello stesso momento, e scegliere quella che funziona meglio per rappresentare la realtà biologica di ciascuno”.

LE PROSPETTIVE

L’ambizione è che ogni persona potrà avere il suo avatar metabolico personale, un modello che lo rappresenta in modo dinamico, unico. Questo gemello digitale potrà aiutarci a rispondere a domande complesse come ‘perché questa persona ingrassa facilmente anche se mangia poco? Perché un’altra fatica a dimagrire nonostante la dieta? Quale farmaco sarebbe più adatto al suo metabolismo? Quale dieta potrebbe proteggerla da malattie future?’ «In questo senso, il nostro avatar diventa un alleato della medicina di precisione. Non più trattamenti standard, ma strategie costruite su misura, come un abito sartoriale cucito sul corpo e sulla biologia di ciascuno. Potremmo inoltre usare questi modelli per testare digitalmente — in silico — l’effetto di nuovi farmaci o di integratori, prima ancora che vengano somministrati a un paziente. Non per sostituire gli studi clinici, ma per renderli più rapidi, mirati, sicuri».

«Abbiamo già messo alla prova il nostro avatar su dati reali, raccolti da persone monitorate quotidianamente con bilance intelligenti, dispositivi indossabili e app. In quasi tutti i casi, il modello quantistico ha superato il modello classico in precisione, soprattutto quando i dati erano pochi o rumorosi. È un segnale molto forte: questi sistemi potrebbero davvero funzionare in ambienti clinici reali, dove i dati non sono mai perfetti», spiega Maulucci.  

I prossimi passi sono emozionanti. «Vogliamo estendere l’avatar anche ad altri processi metabolici, come il comportamento del glucosio, dei lipidi, o del microbiota intestinale. Inoltre, vogliamo costruire una versione generalizzata, che possa funzionare anche su persone nuove, anche se non abbiamo dati storici dettagliati. L’obiettivo è renderlo pronto per l’utilizzo pratico, come strumento di supporto per il clinico e per il paziente», aggiunge.  

Il Quantum Metabolic Avatar è uno dei primi esempi di uso della quantistica su dati reali, fisiologici, legati alla salute quotidiana di persone comuni. Rispetto all’intelligenza artificiale classica, che oggi è già nei reparti ospedalieri, la quantistica ha ancora bisogno di tempo per diffondersi. Ma quel tempo è iniziato ora, e non è un futuro lontano: è già in corso.