Как ИИ применяют в ЭКО и трансплантации эмбрионов у коров

В мире и России применяют метод экстракорпорального оплодотворения, чтобы выводить особей крупного рогатого скота с улучшенными свойствами. В статье рассматриваем, как ИИ применяют при ЭКО и трансплантации эмбрионов у коров.

По мотивам материала Are We Putting Dead Embryos into Cows? How AI Is Rewriting the Rules of IVF and ET Энджи Стамп Дентон (Angie Stump Denton), подготовленного на основе подкаста физиолога-репродуктолога Кары Уэллс (Cara Wells).

Для многих производителей говядины экстракорпоральное оплодотворение (ЭКО) и трансплантация эмбрионов (ТЭ) относятся к категории «мы пробовали это однажды» – большие обещания, большие счета, а оплодотворяемость разочаровывает. На профильных рынках и встречах производителей до сих пор вспоминают случаи выхода на уровент стельности от 15% до 20%.

Более 50 лет оценка качества эмбрионов опиралась на три простых компонента – микроскоп, опытный эмбриолог и система визуальной оценки, выстроенная в основном интуитивно и на основе традиций.

В эпизоде 23 подкаста «Будущее мясной промышленности» (Future of Beef Show) специалист по воспроизводству и основатель компании «ЭмДженэсис» (EmGenisys) Кара Уэллс утверждает, что этот подход, который практически не менялся около 50 лет, приводит к потере реальных денег – и стельностей.

Рекомендация ее команды звучит следующим образом: использовать короткие видео, анализ движения и машинное обучение для количественной оценки жизнеспособности эмбриона. Объединив видеосъемку, ИИ и массив данных более чем о 60 000 эмбрионах, компания «ЭмДженэсис» предоставляет лабораториям и ветеринарам не просто оценку, а конкретное число. Оно помогает решить, какие эмбрионы стоят пересадки за 400 долларов и использования все более дорогой коровы-реципиентки.

Традиционная ТЭ и ЭКО имеют одну и ту же цель – распространение элитных генетических свойств как быка, так и коровы.

По данным Кары Уэллс, в США ЭКО дает около 42 % выхода живых телят. Традиционная ТЭ обычно дает результат, близкий к 50 %, отчасти потому, что эти эмбрионы подверглись меньшему количеству манипуляций. С точки зрения производителя, это означает, что 40-60 % пересадок заканчиваются неудачей — и каждый эмбрион представляет собой реальные затраты.

Кроме того, система оценки Международного общества по эмбриотехнологии (IETS) по своей природе субъективна. Эмбрионы оцениваются по критериям:

«Красивые» эмбрионы 1-го класса считаются превосходными. Эмбрионы 2-го класса часто считают второсортными. Но как отмечают и ведущие, и Кара Уэллс в подкасте, реальность на местах иная.

«Я не видел большой разницы в показателях стельности между этими двумя группами», – отмечает ведущий подкаста «Будущее мясной промышленности» Джим Джонсон (Jim Johnson).

Кара Уэллс добавляет:
«Мы находили прекрасные эмбрионы 1-го класса, которые получали очень низкие оценки в нашей системе и не приводили к стельности. И мы видели эмбрионы более низкого качества с высокими оценками, которые приводили к стельности».

Иными словами, некоторые эмбрионы, которые выглядят идеально, функционально мертвы. А часть тех, что выглядят непривлекательно, способны спокойно производить живых, прибыльных телят.

Уэллс признаёт, что на протяжении многих лет визуальный осмотр был единственным практичным способом оценки этих клеток, однако недавние достижения в области технологий, таких как компьютерное зрение и искусственный интеллект, могут изменить эту ситуацию.

Путь Кары Уэллс к решению этой проблемы начался в ученической научно-исследовательской лаборатории Техасского технологического университета. А продолжился на более глубоком уровне во время работы над докторской диссертацией по физиологии воспроизводства и окончательно сформировался после выступления на платформе TED Talk.

Кара Уэллс посмотрела презентацию о технологии «Усиление движения в видео» — инструменте, разработанном в Технологическом институте штата Массачусетс, который усиливает мельчайшие движения, скрытые в обычном видео. В одной демонстрации лицо человека выглядело нормально — пока не применили фильтр и не стало видно, как его кожа пульсирует красным и синим цветом от кровотока и биения сердца.

Работая с ветеринаром по ТЭ из региона Техасский Панхандл доктором Расселом Киллингсворт (Russell Killingsworth), Кара Уэллс начала снимать короткие видео эмбрионов крупного рогатого скота, пропускать их через фильтр движения, а затем отслеживать, какие из них привели к стельности в период с 35-го по 60-й день.

На первых порах она буквально сидела у себя за кухонным столом во время карантина COVID-19, измеряя диаметр эмбрионов каждые пять секунд и обрабатывая каждый эмбрион, как «циферблат часов». Ее целью было количественно оценить, как меняется его форма с течением времени.

В результате выявилась четкая закономерность:

За последние шесть лет компания «ЭмДженэсис» превратила эту «кухонную науку» в платформу машинного обучения, обученную на более чем 60 000 эмбрионов с известными результатами стельности. Сегодня после загрузки нового видео эмбриона система выполняет следующие действия:

Уэллс подчеркивает, что это не связано с традиционными оценками качества от 1 до 4. Программное обеспечение не оценивает внешний вид; оно количественно определяет функциональность.

Кара Уэллс говорит, что это не предложение «купить машину за 50 000 долларов». Система разработана с учетом того, что уже используют ветеринары и эмбриологи. «ЭмДженэсис» – только программная платформа, не требующая специальных микроскопов или оборудования. Эмбриолог или ветеринарный врач крепит телефон к существующему микроскопу, записывает 30-секундное видео одного или нескольких эмбрионов и загружает его через веб-приложение emgenisys.app в браузере. Примерно через две минуты в ответ получает отчет с оценками Envision (жизнеспособность) и Engender (пол).

«Около 15-20 % эмбрионов, которые обычно пересаживают сегодня, имеют очень низкий, близкий к 0 % шанс когда-либо привести к стельности, – поясняет Уэллс. – Если просто перестать пересаживать такие эмбрионы, можно повысить показатели стельности примерно на 15-20 %».

Для производителя это может означать:

По словам Кары Уэллс, некоторые лаборатории ЭКО уже настроили такой процесс. Заводчики уже продают эмбрионы с указанием оценок Envision, используя проверку третьей стороной для обоснования отказа от гарантий. Если покупатель не получает желаемую стельность, он больше не может винить изначально нежизнеспособный эмбрион, риск смещается обратно на качество работы с реципиентом и технику пересадки.

В конечном итоге Кара Уэллс считает, что такой отбор на основе данных может помочь перевести ЭКО и ТЭ из категории «рискованный эксперимент», которым они были 30-40 лет назад, в категорию рутинного инструмента разведения как для племенного, так и для товарного стада.

«Сегодня производители очень неохотно внедряют ЭКО и трансплантацию эмбрионов из-за исторически низких показателей стельности, – говорит она. – Улучшение результатов приведет к развитию всей отрасли. Эмбрионы станут вполне обычным инструментом селекционной стратегии, потому что это более практично, доступно и рентабельно, чем сегодня».

Если улучшенный отбор сможет повысить показатели стельности в национальном масштабе даже на 5%, по словам Уэллс, это составит около 148 миллионов долларов добавленной ценности для мясной промышленности в США. И это без учета того, что количество используемых эмбрионов по мере роста доверия увеличится.

Примечание

В текстах наших статей описание целей, задач, дизайна, результатов иностранных и российских исследований и выводов, сделанных их авторами, является кратким пересказом в нашей интерпретации, который не следует считать исчерпывающей и точной информацией об указанных исследованиях.

Если вас интересуют точная и полная информация об этих исследованиях, следует читать источники по ссылкам, приведенным после статей, где применимо.