hpluswiki

Преобразование Системной схемы старения человека в граф знаний: различия между версиями

Статья Обсуждение

Преобразование Системной схемы старения человека в граф знаний (править)

Версия от 23:29, 17 июля 2022

5982 байта убрано ,  17 июля 2022
нет описания правки
Нет описания правки
Нет описания правки
Строка 13: Строка 13:
Для более эффективной работы сообщества, хорошо было бы иметь единую формальную модель организма и процессов старения, а также некоторый общий контейнер, в котором бы на базе этой формальной модели хранились и все время добавлялись новые актуальные факты предметной области. Далее с этими фактами могли бы производиться различные расчеты, преобразования и моделирование. Что позволило бы автоматически получать новые знания, а также автоматически генерировать гипотезы. То есть полномасштабно применять современные компьютерные мощности к этому сложному направлению биологических исследований.
Для более эффективной работы сообщества, хорошо было бы иметь единую формальную модель организма и процессов старения, а также некоторый общий контейнер, в котором бы на базе этой формальной модели хранились и все время добавлялись новые актуальные факты предметной области. Далее с этими фактами могли бы производиться различные расчеты, преобразования и моделирование. Что позволило бы автоматически получать новые знания, а также автоматически генерировать гипотезы. То есть полномасштабно применять современные компьютерные мощности к этому сложному направлению биологических исследований.


Как одно из возможных решений я хотел бы предложить ***граф знаний***.
Одним из возможных решений может стать ***граф знаний***.


Граф знаний хранит сущности в виде своих вершин и связи между ними в виде ребер. Сущности могут быть патологиями, органами, белками или генами - любыми объектами, фигурирующими в литературе или базах данных. Связи могут быть биохимическими реакциями, следствиями, соответствиями и т.д. Также он может включать в себя онтологию - субграф с классификацией сущностей и связей. Именно онтология позволяет интегрировать данные из различных источников.
Граф знаний хранит сущности в виде своих вершин и связи между ними в виде ребер. Сущности могут быть патологиями, органами, белками или генами - любыми объектами, фигурирующими в литературе или базах данных. Связи могут быть биохимическими реакциями, следствиями, соответствиями и т.д. Также он может включать в себя онтологию - субграф с классификацией сущностей и связей. Именно онтология позволяет интегрировать данные из различных источников.
Строка 19: Строка 19:
Прелесть подобного графа заключается в том, что мы, как и в базах данных, можем осуществлять на нем запросы и находить субграфы по заданному шаблону, то есть производить поиск информации и, собственно, новых фактов через раннее не замеченные взаимосвязи сущностей.
Прелесть подобного графа заключается в том, что мы, как и в базах данных, можем осуществлять на нем запросы и находить субграфы по заданному шаблону, то есть производить поиск информации и, собственно, новых фактов через раннее не замеченные взаимосвязи сущностей.


В этом эссе я покажу, как можно взять небольшую существующую базу данных в области исследований старения и преобразовать ее в граф знаний. А также продемонстрирую некоторые варианты его использования.


== Методы ==
== Методы ==
Строка 49: Строка 48:
Как язык программирования я использовал язык [Clojure](https://clojure.org/), кодирование производил в редакторе кода [Atom](https://atom.io/). Clojure удобен тем, что тесно интегрирован с экосистемой языка Java, на котором имеется богатая коллекция библиотек и приложений, работающих с RDF графами. Помимо этого, Clojure сам по себе является элегантным и эффективным языком, поддерживающим функциональную парадигму программирования, которая ускоряет время разработки и идеально подходит для задач преобразования данных.
Как язык программирования я использовал язык [Clojure](https://clojure.org/), кодирование производил в редакторе кода [Atom](https://atom.io/). Clojure удобен тем, что тесно интегрирован с экосистемой языка Java, на котором имеется богатая коллекция библиотек и приложений, работающих с RDF графами. Помимо этого, Clojure сам по себе является элегантным и эффективным языком, поддерживающим функциональную парадигму программирования, которая ускоряет время разработки и идеально подходит для задач преобразования данных.


[[Файл:process_hasd.clj.png|thumb|500px|left|Пример кода на языке Clojure, конвертирующего исходный CSV файл в файл RDF графа знаний]]
[[Файл:process_hasd.clj.png|thumb|500px|right|Пример кода на языке Clojure, конвертирующего исходный CSV файл в файл RDF графа знаний]]




Строка 62: Строка 61:
Запуск кода чтения и преобразования CSV в Tabtree, а затем в RDF/Turtle производился просто из линукс-консоли c загруженной REPL-сессией Clojure проекта.
Запуск кода чтения и преобразования CSV в Tabtree, а затем в RDF/Turtle производился просто из линукс-консоли c загруженной REPL-сессией Clojure проекта.


<img src="граф_знаний_СССЧ/repl_1.png" alt="REPL в консоли Linux" width=500px />
[[Файл:repl_1.png|thumb|500px|right|REPL (Read-Eval-Print Loop) - интерактивная среда программирования с полным доступом к разрабатываемому коду, его переменным и функциям]]
 
*Рис. 4. REPL (Read-Eval-Print Loop) - интерактивная среда программирования с полным доступом к разрабатываемому коду, его переменным и функциям.*


`(build-hasd)` *&ndash; головная функция, которая производит все действия по созданию RDF/Turtle файла через вызов других функций. Создана специально для удобства вызова из REPL сессии.*
`(build-hasd)` *&ndash; головная функция, которая производит все действия по созданию RDF/Turtle файла через вызов других функций. Создана специально для удобства вызова из REPL сессии.*
Строка 78: Строка 75:
* классификация по уровню системы, на которой мы можем локализовать патологический процесс.
* классификация по уровню системы, на которой мы можем локализовать патологический процесс.


<img src="граф_знаний_СССЧ/classification_by_pathology_level.png" alt="REPL в консоли Linux" width=600px />
[[Файл:classification_by_pathology_level.png|thumb|600px|left|Классификация по уровню системы, как она задана в файле онтологии]]
 
*Рис. 5. Последняя классификация, как она задана в файле онтологии*
 
 


=== Пример работы с графом знаний ===
=== Пример работы с графом знаний ===
Строка 92: Строка 85:
Данный редактор способен отображать списки элементов графа и классы онтологии, и даже показывать графически части графа знаний, как видно ниже на скриншоте.
Данный редактор способен отображать списки элементов графа и классы онтологии, и даже показывать графически части графа знаний, как видно ниже на скриншоте.


<img src="граф_знаний_СССЧ/webprotege_1.png" alt="Пример кода на языке Clojure" width=700px />
[[Файл:webprotege_1.png|thumb|700px|right|Онлайн редактор онтологий Webprotege. Слева панель со списком экземпляров (изначально узлов диаграммы - патологических процессов), справа - визуализация части схемы, начинающейся с процесса 'Кальцификация миоцитов'. Все остальные связи между узлами, кроме причинно-следственной (followsTo) отфильтрованы для ясности визуализации]]
 
*Рис. 6. Онлайн редактор онтологий Webprotege. Слева панель со списком экземпляров (изначально узлов диаграммы - патологических процессов), справа - визуализация части схемы, начинающейся с процесса 'Кальцификация миоцитов'. Все остальные связи между узлами, кроме причинно-следственной (followsTo) отфильтрованы для ясности визуализации.*


==== GraphDB ====
==== GraphDB ====
Строка 100: Строка 91:
К сожалению, Webprotege не позволяет делать запросы к графу знаний. Для этого следует воспользоваться другим бесплатным приложением, [https://www.ontotext.com/products/graphdb/graphdb-free/ GraphDB]
К сожалению, Webprotege не позволяет делать запросы к графу знаний. Для этого следует воспользоваться другим бесплатным приложением, [https://www.ontotext.com/products/graphdb/graphdb-free/ GraphDB]


<img src="граф_знаний_СССЧ/graphdb_3.png" alt="Интерфейс GraphDB" width=700px />
[[Файл:graphdb_3.png|thumb|700px|left|Интерфейс GraphDB, доступный через браузер]]
 
*Рис. 7. Интерфейс GraphDB, доступный через браузер*


GraphDB устанавливается локально на компьютере и предоставляет доступ к своему пользовательскому интерфейсу через браузер, запуская локальный сервер (localhost). Но при необходимости командной работы, возможно настроить доступ к одному и тому же графу знаний через интернет. Я сделал это на своем арендуемом сервере VDS (Virtual Dedicated Server) на котором имеется операционная система Linux Ubuntu с возможностью установки любых приложений. Доступ к интефейсу работает по адресу https://demo.denis-shirshov.ru/graphdb. Там можно проверить изложенные далее примеры или составить собственные SPARQL запросы к графу знаний СССЧ.
GraphDB устанавливается локально на компьютере и предоставляет доступ к своему пользовательскому интерфейсу через браузер, запуская локальный сервер (localhost). Но при необходимости командной работы, возможно настроить доступ к одному и тому же графу знаний через интернет. Я сделал это на своем арендуемом сервере VDS (Virtual Dedicated Server) на котором имеется операционная система Linux Ubuntu с возможностью установки любых приложений. Доступ к интефейсу работает по адресу https://demo.denis-shirshov.ru/graphdb. Там можно проверить изложенные далее примеры или составить собственные SPARQL запросы к графу знаний СССЧ.
Строка 110: Строка 99:
Допустим, нужно найти все переходы, где начальный и конечный процессы принадлежат различным системам организма и при этом оба они происходят на тканевом уровне. Вот как это будет выглядеть в интерфейсе GraphDB
Допустим, нужно найти все переходы, где начальный и конечный процессы принадлежат различным системам организма и при этом оба они происходят на тканевом уровне. Вот как это будет выглядеть в интерфейсе GraphDB


<img src="граф_знаний_СССЧ/graphdb_1.png" alt="Пример SPARQL запроса в GraphDB" width=700px />
[[Файл:graphdb_1.png|thumb|700px|right|Интерфейс ввода SPARQL запросов в приложении GraphDB: Слева располагается панель редактора SPARQL с развитым функционалом редактирования и сохранения запросов, что существенно превосходит возможности "классики жанра" &ndash; окна редактирования SPARQL в редакторе онтологий Protege (десктопная версия). Справа находится панель с результатом запроса в виде таблицы. Колонки таблицы задаются в самом запросе]]
 
*Рис. 8. Интерфейс ввода SPARQL запросов в приложении GraphDB: Слева располагается панель редактора SPARQL с развитым функционалом редактирования и сохранения запросов, что существенно превосходит возможности "классики жанра" &ndash; окна редактирования SPARQL в редакторе онтологий Protege (десктопная версия). Справа находится панель с результатом запроса в виде таблицы. Колонки таблицы задаются в самом запросе*


Как видно, на данный запрос нашлось три перехода. Посмотрим теперь сколько переходов будет если мы потребуем не точного совпадения по тканевому уровню, а лишь ограничим локализацию тканевым уровнем. То есть также попадут процессы, соответствующие клеточному, ядерному и т.д. уровням, то есть уровням более локальным, нежели тканевой.
Как видно, на данный запрос нашлось три перехода. Посмотрим теперь сколько переходов будет если мы потребуем не точного совпадения по тканевому уровню, а лишь ограничим локализацию тканевым уровнем. То есть также попадут процессы, соответствующие клеточному, ядерному и т.д. уровням, то есть уровням более локальным, нежели тканевой.
Строка 120: Строка 107:
Благодаря логическому выводу, вместо трех мы получаем уже пять результатов:
Благодаря логическому выводу, вместо трех мы получаем уже пять результатов:


<img src="граф_знаний_СССЧ/graphdb_2.png" alt="SPARQL с OWL-инферингом" width=700px />
[[Файл:graphdb_2.png|thumb|700px|left|Запрос с включением логически выведенных данных в результат. Переключение в этот режим происходит при клике на иконке с двойной стрелкой в правой части панели редактора SPARQL запрос]]
 
*Рис. 9. Запрос с включением логически выведенных данных в результат. Переключение в этот режим происходит при клике на иконке с двойной стрелкой в правой части панели редактора SPARQL запроса*
 
== Обсуждение ==
 
Какие варианты дальнейшего развития данной работы? Как стратегический ориентир я вижу создание графа знания процессов старения в целом. Возможно, имеет смысл продолжать двигаться в эту сторону небольшими шагами. Например интегрировать уже имеющийся граф знаний с другими диаграммами и таблицами, такими как
* Таблица [All aging diagnostics approaches](https://docs.google.com/spreadsheets/d/1suMEVlMHKyTHwWzafBF0rmEAIPY0CowxxjEFvhO2TIA/edit#gid=853086944) составленной Open Longevity.
* База данных генов, ассоциированных со старением [Open genes](https://open-genes.com), тоже проект Open Longevity
* Таблицы генов, упоминаемых в абстрактах Pubmed рядом с ключевыми словами связанными со старением. Составлены Еленой Смирновой.
 
При интеграции будет необходимо расширять и улучшать саму онтологию предметной области (старения), оттачивать точность используемых в графе знаний понятий и концепций (классов онтологии, их свойств и экземпляров). Чем более это будет командная работа, с обсуждениями и дискуссиями экспертов - тем качественнее получится конечный граф знаний и тем точнее можно будет извлекать из него желаемые факты.
 
В качестве инcтрументов для работы над онтологией, хотелось бы предложить два приложения. Первое уже упоминалось в данном эссе, это WebProtege. В этом приложении возможно работать с онтологией, используя всю терминологию языка OWL, создавать треды обсуждения конкретных артефактов онтологии, экспортировать результат в RDF/XML и RDF/Turtle. WebProtege сегодня широко задействуется в инженерии знаний, в частности он [использовался](https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-642-16438-5_6) при работе над последней редакцией международного классификатора болезней ICD-11.
 
Второе приложение - это Miro. В нем удобно коллективно работать над майндмапами (деревьями понятий). [Пример майндмапа](https://miro.com/app/board/uXjVOnUzFwY=) относительно понятия **Старение**, созданного Еленой Смирновой. Этот майндмап может использоваться как источник экспертного мнения для последующего его переноса в онтологию на языке OWL и интеграцию в граф знаний.
 
<img src="граф_знаний_СССЧ/miro_1.png" alt="Майндмап в Miro" width=700px />
 
*Рис. 10. Начало работы над майндмапом концепции старения. Также в Miro возможно добавлять на доску сопутствующую информацию: рисунки-диаграммы, статьи и т.д.*


Под вопросом пока остается инструментарий визуализации. В идеале хотелось бы иметь возможность генерировать графическую диаграмму по читабельности сравнимую с существующей диаграммой Системной схемы старения. Это будет заметный шаг вперед, т.к. можно будет генерировать целую плеяду схем на основе данных по разным срезам графа знаний.
===Приложения для работы с графами знаний===


Есть еще ряд идей относительно графа знаний, которые я не стал излагать в тексте эссе, чтобы не перегружать его деталями. Например интеграция со стандартом SBGN, слияние онтологии старения с онтологией BioPAX, онтологическая аннотация текстов научных публикаций и т.д. Эти темы можно будет обсудить отдельно, в зависимости от предпочтений и заинтересованности коллег.
* [[WebProtege]]
* [[Miro]]
Источник — https://transhumanist.ru/Служебная:Сравнение_версий/8302