人工免疫系统用于中药马钱子功效归类的研究
作者：缪珠雷 李玉虎 程国强 包寅 徐栋梁 王易
【摘要】 目的：研究中药马钱子的功效归类。方法：建立中药药性特征数据库，构建能够完成中药药性特征和功效归类之间映射的人工免疫系统。结果：将马钱子的药性特征输入经人工免疫系统优化后的神经，其输出值提示，马钱子的归类偏向于活血化淤类药。结论：用人工免疫系统来辅助进行中药的功效归类，可以为某些中药的功效归类研究提供。
【关键词】 马钱子； 人工免疫系统； 功效
Abstract Objective: To study the function classification of Ma Qian-zi (Strychnos muxvomica L.).Methods: A database of the characters of traditional Chinese drugs was established and an artificial immune system(AIS) was set up, which can be used to predict the function classification of traditional Chinese drugs. Results: The characters of traditional Chinese drugs was coded and imported into the optimized AIS.The output shows that Ma Qian-zi should be categorized into the group of drugs,which can promote blood circulation and remove blood stasis. Conclusion: The AIS can be a help for study on the function classification of traditional Chinese drugs.
Key words strychnos muxvomica L.; artificial Immune system; funtion
人工神经网络（NN）、遗传算法(GA)以及最近若干年起来的人工免疫系统(AIS)，被认为是目前三大人工智能仿生信息处理系统，其中人工神经网络主要模仿大脑神经元，遗传算法模拟生物进化，而人工免疫系统则是基于对人体免疫系统的认识而发展起来的。NN特长在于其出色的映射能力，GA和AIS则主要用于优化。人工免疫系统仿生人体免疫系统，其理论基础十分坚实，得到免疫学基础理论和实验观察的强有力支持。免疫系统通过基因重排、克隆选择、记忆细胞库建立、体细胞突变、抗体亲和力成熟、独特型-抗独特型网络调节等一系列机制，保证了能在最短的时间内产生与相应抗原亲和力最高的抗体，从而达到及时中和清除抗原，保护人体的目的。形象来说，如果把要的疾病作为抗原（问题）来看待的话，那么相应的治疗方法就可以被看作为抗体（答案），经过将研究对象进行适当的编码，利用人工免疫系统来优化，就可以在较短的时间内找到相应的最优解决方案。根据比较研究发现，AIS其优化机制独特，要优于GA等算法，收敛更快而不易陷入局部极值，因此可被广泛用于信息处理，数据挖掘，故障诊断，机病毒监测等［1］。
中药品种繁多，来源复杂。一般为了便于指导临床用药，确保用药的安全和有效，普遍采用根据中药的不同功效将其归为不同的类，如解表药、清热药、泻下药等。中药功效的概括，是在中医理论的指导下，依据机体的用药反应，通过审证求因，辨证论治等方法归纳而来。但是，由于中药成分十分复杂，在临床上具有多种疗效，因此导致不同医家对其认识也有所不同，对于某些中药的归类尚存在分歧，可以发现在不同的中被归于不同的类别。例如：马钱子在人民卫生出版社出版的21世纪课程教材《中药学》［2］中被归于祛风湿药，而在中医药出版社出版的“十五”国家级规划教材《中药学》［3］中则被划为活血化淤药。
中药的性能，又称药性，主要包括四气，五味，归经等，是对中药作用性质和特征的概括，其依据是观察用药后的机体反应，通过逻辑推理得到的性结论。因此中药的药性特征作为中医药理论的核心内容，是中药功效确定的重要参考指标。由此，本研究考虑能否尝试通过中药的药性特征，利用人工免疫系统来辅助进行中药的功效归类，为某些中药的功效归类研究提供参考。
1 材料和方法
1.1 中药药性数据库建立
选取人民卫生出版社出版的21世纪课程教材《中药学》收录的534味中药（不包括性味归经记载不全的药），分别按其性、味、归经、毒性进行不同的数值编码，输入数据库。编码方案分别见如下表格和说明：表1四气的数值编码；表2 五味的编码；表3 毒性的编码；表4 归经的编码。表1 四气的数值编码（略）表2 五味的编码（略）注：五味编码，若有归入该味的，则在相应栏内填入相应编码，其它均填0。表3 毒性的编码（略）表4 归经的编码（略）注：归经编码，若有归入该经的，则在相应栏内填入1，其它均填0。
1.2 用于中药功效归类的人工免疫系统的建立
我们可以把人工免疫系统中的抗原具体化为某中药归于某一类中药的指标（用不同大小的数字表示），而把中药药性的相关特征作为编码某一个抗体的若干候选基因片断（以不同的数字来表示）。根据免疫学的原理，一条编码免疫球蛋白的mRNA是由若干基因片断转录拼接而来，然后再翻译成相应的多肽链，组成一个完整的免疫球蛋白，即抗体。而不同的基因片断组合决定了某个抗体能否识别某一特定的抗原；也就是说不同的中药药性特征的组合决定了某中药倾向于归为哪一类中药。由于中药的药性特征与其功效归类之间逻辑关系可能十分复杂，很难用一个简单的数学公式来表达。因此，考虑建立一个可以完成两者之间非线性映射的三层前馈人工神经网络，将中药的药性特征指标赋值给输入神经元，通过改变组成网络的各个神经元之间的连接权值大小以及非线性函数的转换，来对输入的数值加以影响和改变（增大或缩小），最后累加汇总到一个输出神经元，得到相应的归类指标。在这里，可以把人工神经网络各个神经元之间的连接权值修改看作为免疫系统挑选哪些候选基因片断作为最优抗体的编码基因的优化过程。我们可以通过一组已知其确切归类的中药，将它们的药性特征编码输入神经网络，然后由人工免疫系统优化连接权值，使其能够完成中药药性特征和归类指标之间的非线性映射。
人工免疫系统建模主要利用机完成，编程语言采用美国Mathwork公司的MATLAB6.0数值分析软件包，人工免疫系统的构建依照［1］的方法进行，神经结构和人工免疫优化流程图见图1，2。
选取归属于祛风湿药和活血化淤药的两类中药，将其中被21世纪课程教材《中药学》及"十五"国家级规划教材《中药学》均收入，且无分歧的中药药性特征编码后输入神经网络，由人工免疫系统对之进行权值优化，使之实际输出与预期输出相符（属于祛风湿药则输出为1，属于活血化淤药则输出为2），然后将归类有分歧的马钱子的药性特征输入训练好的神经网络，看其输出偏向于哪一类药物。
2 结果
经人工免疫系统反复优化，得到最佳的神经网络权值矩阵，此时输出的平均误差最小，为2.53％。将文献［2］所载之马钱子的药性特征（苦，温，有大毒，归肝、脾经）输入神经网络后，得到的输出为1.82，明显偏向于2，表明如果仅就其性味归经等特征看，马钱子应归于活血化淤类药，与文献［3］的归类相符。有趣的是，在文献［3］中，对马钱子的药性特征归纳为苦，寒，有大毒，归肝、脾经，如果按照这个药性特征输入的话，得到的实际输出为2.3，距离祛风湿药的预期输出1更远。因此综合来看，经人工免疫系统优化后的神经网络，倾向于把马钱子归类于活血化淤类药。
3 讨论
马钱子为马钱科常绿乔木植物马钱Strychnos muxvomica L.及同科木质大藤本皮氏马钱（云南马钱）S.pierriana A.W.Hill的成熟种子。马钱的种子又称番木鳖。马钱主产于印度、越南、泰国；皮氏马钱产于云南、海南等地。马钱子最早记载于《本草纲目》，曰：其性味苦寒，无毒，归肝、脾经，主要功效散结消肿，通络止痛。《本草原始》载：苦寒，有大毒，这一毒性描述为以后临床实践所证实。但是，对马钱子的性寒热的归属问题，还存在不同看法。例如：管氏［4］认为马钱子性温，和文献［2］同；而宁氏有自己独特的看法，他根据别人及其本人的临床经验，认为该药应为味苦性平，不寒不燥［5］。于是我们根据宁氏的观点，取马钱子的药性特征（苦，平，有大毒，归肝、脾经）输入，得到的输出为1.9，其结果也偏向于活血化淤类药。另外，我们根据李时珍《本草纲目》的记载，取马钱子的药性特征（苦，寒，无毒，归肝、脾经）输入，得到的输出为2.29，与药性特征（苦，寒，有大毒，归肝、脾经）的输出2.3接近，提示马钱子的药性特征归纳中是否包含有无毒性，对其功效归类影响不大。
当然，中药功效归类依据，除了要考虑性味归经等重要因素外，还应加入升降浮沉，用药禁忌，以及对其功效的具体描述等方面的内容。但遗憾的是，目前各种文献对于这些内容的表述，还达不到完整、规范和符合统一标准的程度，很难实现编码的要求，有待于进一步完善、归纳和。
【文献】
1 莫宏伟.免疫算法原理与应用.航空计算技术，2002，32(4)：49~51.
2 黄兆胜.中药学.上海：上海技术出版社，2001，153~328.
3 高学敏.中药学.北京：人民卫生出版社，2000，197~403.
4 管建新，周超凡.马钱子性温之探讨.中药杂志，1994,19(9)：567~569.
5 熊平，黄兆胜，蒋灵.马钱子性味及其中毒解救的考释.中医药学刊，2003,21(9)：1489~1490.
