Lessons on Human Genome Editing: A Conversation with David Baltimore

不到10年前,科学家通过开发一种名为CRISPR-Cas9的工具,获得了改变生物体遗传密码的前所未有的能力。2015年底,一群科学家认识到CRISPR技术的力量,举办了首届人类基因编辑国际峰会。该小组由加州理工学院(Caltech)名誉校长戴维•巴尔的摩(David Baltimore)和生物学教授罗伯特•安德鲁斯•米利肯(Robert Andrews Millikan)领导,他们得出的结论是,基因编辑技术太不发达,无法用于人类。

今年第二次国际峰会召开前夕在香港11月,科学家宣布,他已经编辑的基因组人类胚胎,他们插入了母亲# 39;s uterus—尽管国际协议不执行这种insertion—,双胞胎宝宝刚刚出生。我们与巴尔的摩坐下来讨论了这份报告以及第二次国际会议的结果。

第二次举办峰会的动机是什么?

在第一次峰会上,我们明确区分了体细胞基因编辑(没有经过编辑的基因可以遗传给下一代)和生殖系基因编辑(经过编辑的基因可以遗传给下一代)。我们的结论是,体细胞编辑就像任何其他医疗干预一样:一旦被认为是安全有效的,它就应该成为普通医学的一部分。然而,生殖系编辑提出了许多实际和道德上的问题,我们的结论是,在考虑将其用于人类之前,还需要进行更多的研究。我们鼓励进一步研究以完善这些方法。

第二次峰会是在第一次峰会的三年后召开的,其目的是对过去三年的进展进行评估,并决定未来的发展方向。我们询问了一些关于体细胞编辑的研究进展情况的问题,并认识到许多研究人员正在开展针对多种疾病的临床试验。我们看到,新的、更安全的种质编辑方法已经开发出来,但我们的结论是,道德和实践上的不确定性仍有待解决,我们仍然认为,在人类身上进行试验是不负责任的。

峰会前一天,一位科学家宣布,他已经修改了两个胚胎的基因组,并成功地使它们足月和出生。委员会对此有何反应?

我们很惊讶,至少可以说,就在会议开始之前,我们听说有人要宣布,他实际上已经把基因编辑过的胚胎植入了一名妇女体内,她已经生了两个孩子。原本主要是学术讨论的计划变成了媒体的马戏表演。这个声明是一个非常严重的道德挑战。

从某种意义上说,围绕这一基本上不负责任的行为的宣传有其积极的一面。它把公众的注意力集中在现代科学的某些活动上。有时候,非科学家需要非常戏剧性的情况才能长时间地集中注意力来认识科学的进步;它创造了一个教学时刻。我想你们,我发现许多人在这次会议上在香港现在回到自己的国家和城市,实验室,他们被要求跟当地的广播电台,与当地社区组织,和这# 39;积极,尽管它没有办法证明他Jiankui博士的行为,科学家进行了人类生殖系编辑又是;

您和委员会都表示对这项研究感到不安,但您是否希望有一天能够安全地、负责任地进行生殖系编辑?

我当然希望我们能达到这一点。这是我的普遍信念的一部分,即现代医学将有能力减轻我们作为人类仍然承受的许多疾病的负担,比如癌症、遗传性疾病、心脏病。我希望我们能改善这些,从这个意义上说,世界会因为现代生物学而变得更美好。

除了改善疾病,基因工程还能解决其他全球性问题吗?

大多数全球性问题都有很强的社会维度,而社会问题并不是靠遗传技巧来解决的;它们是我们社会文化特有的。然而,人们普遍担心的是,如果我们开发出修改生殖系的能力,只有富人才能利用这种能力,因此这可能会加剧富人和穷人之间的机会差距。这种担忧适用于所有的医学进步,而不是特定于基因编辑。这是一个由医疗成功造成的社会问题,我们必须考虑如何使这种成功的治疗方法得到广泛应用。

你对基因组编辑领域的未来有什么看法?

科学发展得很快。使用这项技术的新方法不断被发明出来,所以随着时间的推移,它会变得越来越有效和强大。这就是我所看到的,尤其是在体细胞基因治疗领域。

我们可以用体细胞基因编辑做很多事情。其中一些涉及对遗传基因问题的直接修改。例如,镰状细胞病是由血红蛋白β基因的单一突变引起的。我们可以直接纠正或修改其他基因,为有缺陷的贝塔基因提供替代品。这将极大地改善镰状细胞病患者的生活。

体细胞基因编辑的另一个应用是癌症的免疫治疗。我们今天治疗癌症患者的方法是改变他们的免疫细胞,让他们攻击癌细胞并杀死癌细胞。在某种意义上,你实际上是在让身体自我清理。

这两项技术目前都处于临床试验阶段,我们预计在未来几年内将成为医学的一部分。

我怀疑,随着时间的推移,我们会重新思考基因编辑是否应该用于修改种系。

人类有成千上万的单基因缺陷。我认为,我们将看到一些压力,在医疗需求很大的人群中使用生殖系技术,如镰状细胞血红蛋白疾病、亨廷顿舞蹈症等。我想我们会发现收益风险比非常有利于收益的情况。在这一点上,我认为有一个道德上的争论,我们必须使用基因编辑,因为我们可以改善人们的生活。

在进行种质系改造时面临的挑战是什么?我们需要在哪些方面保持谨慎?

在使用该技术方面存在两种实际挑战。一种是脱靶效应:你想在某个位置修改一个基因,却无意中在基因组的其他地方引起了变化。这些都是偶然的错误,会传给后代,需要小心避免。

另一个问题是,如果编辑是在胚胎细胞分裂的时候完成的,你可能会遇到这样的情况,胚胎变成了我们所说的镶嵌体,它的一些细胞被编辑,一些细胞没有被编辑。

我认为使用这种技术的人对能够检测和最小化偏离目标的效果相当满意。但是,我们是否知道如何处理马赛克风格,这是一个真正的问题。

围绕基因编辑的道德和伦理界限是什么?

因为生殖系编辑涉及到基因组的改变,这些改变将会代代相传,所以只有当我们对基因改变的后果有一个清晰的概念时,才应该进行编辑。现在,我认为这限制了对具有可预测行为的基因的使用,比如导致亨廷顿舞蹈症的基因。

有些人反对基因改变主要是出于宗教原因。他们会说永远不应该有基因改造。例如,如果你相信人类是完美的,那么即使他们不健康,你也不会去改变他们。,,

我认为,还有很多人认为,如果有办法让人们的生活变得更好,我们就应该去做。这些人现在必须做出另一种区分:这种区别是只存在于你自己身体中的一种改变和你的后代继承的一种改变之间的区别。这是一个根本的区别,不是因为它的机制而是因为个人的道德地位;通过改变基因,你是否改变了个体的某些本质?同样,这个问题的正反两面都有人。

我们将在未来的几年和几十年里就这些问题展开辩论,而且总会有人站在这个问题的两边。我们将不得不决定走哪条路。我想我的目标很明确,但我在这个讨论中并没有比其他人更重要的地位,所以这将归结于大多数人认为的正确行为方式。

看来,你的研究团队也必须确定哪些修改会真正改善人们的生活,哪些修改是出于审美偏好,或者可能是多余的。

是的,这是一个很难区分的基本区别。什么时候基因改变是改善个人健康的一种方式?什么时候它是一种审美偏好或社会理想的特征?这是今天全世界正在进行的一场对话。我强调了一个简单的例子,即一个人的基因在某种程度上导致了健康问题。但是人们希望在孩子身上看到的基因呢?蓝色的眼睛,或者智慧,或者类似的东西。我认为一般的感觉是,我们不应该这样做,但有一个担忧是,一旦我们完善了改善健康的方法,同样的方法可以用于其他目的。这是一个"滑坡体-斜坡- "的论点,人们甚至说我们不应该用这种方法来处理严重的疾病,因为它打开了滑坡体的担忧。,

预测基因改变的所有后果是困难的。例如,在美国如果可能的话,镰状细胞病显然是我们想要避免的——但是在非洲,镰状细胞特性保护个人不受疟疾的侵害,因此既有积极的后果,也有消极的后果。因此,任何基因改变都需要考虑风险/收益计算,而我们可能只是知道的不够多,无法自信地做出判断。因此,我们必须问问自己,我们是否掌握了足够的知识来做出判断,或者在面对不确定性时,我们最好保持谦逊的态度。因此,我们在科学上的进步给我们带来了许多实际问题和道德问题,以及一些不易解决的机遇。

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首届人类基因编辑国际峰会由中国科学院、英国皇家学会、美国国家科学院和美国国家医学研究院共同主办。第二届人类基因组编辑国际峰会由香港科学院、英国皇家学会、美国国家科学院和美国国家医学研究院联合举办。

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Regulating the Rapidly Developing Fruit Fly

人类从出生到成年几乎需要20年的时间;一只果蝇只需要10天左右。在苍蝇胚胎发育的最初阶段,这种昆虫每分钟看起来都不一样,它的身体结构只需要几个小时就能确定。加州理工学院的研究人员现在对苍蝇的基因如何影响这一快速发育阶段有了新的认识——这项研究最终可能有助于解释在其他情况下(包括人类癌症)细胞的快速增殖。,

这项研究是在生物学教授anglike Stathopoulos的实验室里进行的。一篇描述这项研究的论文发表在12月17日出版的《发育细胞》杂志上。

人类胚胎一开始是一个单细胞分裂成更多的细胞,而果蝇的早期胚胎则不同,它是一个由分裂细胞核组成的足球形状的袋子。原子核的每一次分裂构成一个核循环,需要8到15分钟才能完成。在第14个核循环之后,袋子里大约有6000个核。在这一点上,胚胎分裂成单独的细胞和周期的长度增加。

细胞核包含有机体的遗传信息,可以看作是一个图书馆。每个基因就像一本独立的参考书,里面有关于如何构建蛋白质的说明。这些书——基因——从未离开过基因库,因此,为了让细胞利用这些指令来构建蛋白质,必须复制一份并从细胞核中取出。这种影印的过程叫做抄写。

基因转录的速度是有限制的,因此一些特别长的基因不能在构成一个核循环的有限时间内全部转录。相反,只有一部分基因被转录——只有书中的一章被影印。

在《发育细胞》的论文中,由前研究生杰里米·桑德勒(Jeremy Sandler)(17年博士)领导的加州理工学院(Caltech)科学家团队旨在研究这些较短的转录本在发育中的胚胎中有什么功能(如果有的话)。

特别值得一提的是,该小组研究了果蝇胚胎早期核周期中一种名为短促泌(sog)的长基因的活性。sog基因编码一种负责调节细胞通讯或细胞信号的复杂蛋白质。桑德勒发现,在果蝇快速发育的早期阶段,sog的短转录本被生成,编码为一种部分但仍具有功能的蛋白质。

以前,研究人员在胚胎发育的早期就发现了sog基因,他们认为sog的存在一定是错误的,因为部分转录的基因通常不会被翻译成工作蛋白。但是加州理工学院的研究小组发现,sog的截短版本在胚胎中有自己的重要作用。

通常,完整的Sog蛋白调节细胞之间的一种化学的通道称为TGF-ß(转化生长因子β)信号通路。TGF-ß通路就像一个特定的无线电频率:在胚胎早期,细胞用TGF-ß信息交流的发展飞# 39;神经系统。(如果细胞想要交流一些其他的过程,它们使用不同的信号通路。)细胞通过配体分子传递信息。

完整的Sog蛋白抓住配体,将它们运送到胚胎周围,并将它们储存在合适的地方,以便开始交流。短形式的Sog蛋白是由一个截短的转录产物产生的,它也可以抓住配体,但不能放开。这个沉默的任何企图通过TGF-ß通信通路。

桑德勒解释说:"The短形式的Sog蛋白质,期间产生的形式非常年轻阶段的胚胎# 39;发展,减弱TGF-ß信道上的所有通信通过回收所有的配体。就像short Sog在说,‘嘿,伙计们,我们还不能发送信号。现在考虑神经元的发育还为时过早

在果蝇发育的后期,有更多的时间来转录完整的sog基因,并产生完整的sog蛋白。这个完整的蛋白质可以抓取和释放配体,所以它能够发起TGF-ß信号。

桑德勒说:“我们很高兴地得知,这种基因的短形式不仅仅是一个仓促的、偶然的、部分的转录本。它实际上控制着信号通路何时开启。这是一个以前未被描述的正在开发的程序,它控制着整个胚胎中信号传递的时间

尽管果蝇与人类是非常不同的生物体,但它们为研究基因在快速发育过程中的表达提供了一个强有力的模型。了解短转录本在健康机体中所起的作用,还可能有助于了解发育出错时发生了什么,比如癌症。当细胞发生癌变时,就会产生许多基因的短转录本,而如果复制并使用说明书的某一章,就会发生这种情况。Stathopoulos实验室计划继续研究这些短转录本是如何产生的,以及它们如何影响正常发育。

这篇论文的题目是"A发育计划截断长转录本,以暂时调节细胞信号。除了Sandler和Stathopoulos,其他合著者还有研究生Jihyun Irizarry、博士后学者Vincent Stepanik、研究技术员Leslie Dunipace和基因组信息专家Henry Amrhein。资金由美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)和加州理工学院贝克曼研究所(Beckman Institute)的功能基因组资源中心(Functional Genomics Resource Center)提供。

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Mission IMPossible

整合膜蛋白(IMPs):它们毫无疑问是重要的,而且是出了名的难以捉摸。加州理工学院的生物化学教授比尔·克莱蒙斯肩负着一项使命,他的任务是消除我们对它们研究的一些猜测。

第一步:定义问题

细胞膜只有几纳米厚,它将细胞内部与细胞环境分离开来。整合膜蛋白,顾名思义,是嵌入细胞膜的。imp与细胞内部和细胞周围的一切都有联系,是信息的看门人、转运者和管道,它们使细胞能够彼此通信。

由于它们复杂的习性——在细胞的中途,中途,部分在细胞膜中——研究人员发现很难成功地提取出IMPs用于研究。

请阅读《加州理工学院效应》的全文

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Researchers Make World’s Smallest Tic-Tac-Toe Game Board with DNA

移开蒙娜丽莎,井字游戏来了。

就在大约一年前,加州理工学院(Caltech)生物工程学助理教授钱璐璐(Lulu Qian)实验室的科学家们宣布,他们已经使用了一种名为“DNA折纸”(DNA origami)的技术,创造出可以自我组装成更大纳米结构的瓦片,这种结构可以携带预先设计好的图案。他们选择制作世界上最小版本的标志性的蒙娜丽莎。

这一壮举令人印象深刻,但这项技术有一个类似于达芬奇油画的局限性:一旦图像被创造出来,它就不容易被改变。

现在,加州理工学院的团队在这项技术上又向前迈进了一大步。他们创造了更有活力的新瓦片,让研究人员能够重塑已经构建好的DNA结构。十多年前,加州理工学院的Paul Rothemund (BS ‘ 94)开创了DNA折纸的先声,他用这项技术创造了一个笑脸。钱的团队现在可以把微笑变成皱眉,然后,如果他们愿意,把皱眉倒过来。他们甚至走得更远,形成了一个微观的井字游戏,在这个游戏中,玩家通过在棋盘上添加特殊的DNA块来放置X和O。

钱说:“我们开发了一种机制来对复杂DNA纳米结构之间的动态相互作用进行编程。使用这个机制,我们创造了世界上最小的玩井字游戏的棋盘,其中的每一步都涉及到分子的自我重组,以便同时交换数百条DNA链

把碎片拼在一起

这种交换机制结合了两种先前开发的DNA纳米技术。它使用了来自一个的积木和来自另一个的一般概念:自组装瓷砖,用来创造微型的蒙娜丽莎;钱学森的团队已经用链置换技术制造了DNA机器人。

这两种技术都利用了DNA通过分子排列来编程的能力。每条DNA链都由一个主链和四种称为碱基的分子组成。这些碱基——腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶(缩写为A、T、C和g)——可以以任何顺序排列,其顺序表示细胞可以使用的信息,或者在本例中表示工程纳米机械可以使用的信息。

DNA用于构建纳米结构的第二个特性是,A、T、C和G碱基有与对应碱基配对的自然倾向。A碱基对和T, C碱基对和g,通过扩展,任何碱基对的序列都想和一个互补序列配对。例如,阿塔格卡将希望与TAATCGT合作。

一对互补的DNA序列结合在一起。

然而,序列也可以与部分匹配的序列配对。如果将ATTAGCA和TAATACC放在一起,它们的ATTA和TAAT部分将配对,不匹配的部分将悬挂在末端。两条链相互补充得越紧密,它们相互吸引的程度就越高,它们之间的联系也就越紧密。

部分配对的DNA链在末端留下未配对的序列。

为了描绘线位移发生的情况,想象两个人正在约会,他们有几个共同点。艾米喜欢狗、徒步旅行、看电影和去海滩。亚当喜欢狗、徒步旅行和品酒。他们因共同对狗狗和徒步旅行的兴趣而结下了不解之缘。然后另一个人进入了画面。艾迪碰巧喜欢狗、徒步旅行、电影和保龄球。艾米意识到她和埃迪有三个共同点,和亚当只有两个共同点。艾米和埃迪发现自己被对方强烈吸引,亚当被抛弃了——就像一条移位的DNA链。

艾米和亚当像互补的DNA链一样配对。

埃迪和艾米有更多的共同点,他们的关系也更紧密。就像DNA链置换一样,艾米和埃迪离开了


亚当现在是一个人,很像一条移位的DNA链。

另一种技术,自组装瓷砖,则更容易解释。从本质上讲,尽管所有的瓦片都是正方形的,但它们的设计就像拼图一样。每一块瓷砖在组装的图片中都有自己的位置,而且它只适合那个位置。

在创造这项新技术的过程中,钱的团队给自组装瓷砖注入了置换能力。结果是,瓦片可以在结构中找到它们指定的位置,然后将已经占据该位置的瓦片踢出。艾迪只是和一个人在一起,导致另一个人被踢到路边,而这些瓷砖更像是一个被收养的孩子,他们与一个新家庭联系得如此紧密,以至于他们从亲生子女那里夺走了"favorite"的称号。

在这项工作中,我们发明了瓦片位移的机制,它遵循了链位移的抽象原理,但发生在DNA折纸结构之间的规模更大。这是第一个可以用来在多个相互作用的DNA折纸结构系统中编程动态行为的机制

还是# 39;年代戏

为了让井字游戏开始,钱的团队在试管中混合了一种由白板砖组成的溶液。一旦棋盘自己组装好了,玩家们就会轮流向解决方案中添加X块或O块。由于DNA的可编程性,这些磁砖被设计成可以滑到黑板上的特定位置,取代了原先的空白磁砖。例如,可以将X tile设计为只滑到黑板的左下角。玩家可以将X或O放在任何他们想要的空白位置,通过使用设计成他们想去的地方的tile。经过六天引人入胜的游戏,玩家X终于取得了胜利。

这项研究的第一作者之一、高级博士后学者格里戈里•蒂霍米洛夫(Grigory Tikhomirov)表示,显然,没有父母会急着给孩子买一款几乎需要一周时间才能玩完的井字游戏,但井字游戏并不是真正的意义所在。其目标是利用这项技术开发出纳米机器,这些机器在制造完成后可以进行修改或修复。

当你的车胎没气的时候,你很可能会把它换了,而不是买一辆新车。"说,这样的手工修理对于纳米级的机器是不可能的。但是我们发现,通过这种瓷砖置换过程,可以替换和升级工程纳米机器的多个部件,使它们更高效、更精密

他们的论文题为《DNA纳米结构相互作用系统中基于信息的自主重组》,发表在12月18日的《自然通讯》杂志上。基金由Burroughs Wellcome基金、Shurl和Kay Curci基金会、美国国立卫生研究院和美国国家科学基金会提供。

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Murray Lab Helps Scientists See Themselves on Mars

去年11月,美国国家航空航天局(NASA)宣布,即将到来的2020年火星漫游者(Mars 2020 rover)任务将被送往Jezero陨石坑。Jezero陨石坑位于Isidis Planitia西部边缘,宽28英里,是一个巨大的撞击盆地,位于火星赤道以北。

前往Jezero陨石坑的决定是2020年火星科学家们争论的主题。最后,它要在两个非常受欢迎的着陆地点之间做出选择,一个是Jezero,另一个是附近的一个叫做Northeast Syrtis的地点,每个地点都提供了不同的研究机会。为了确定目标,“火星2020”团队依赖于加州理工学院(Caltech)布鲁斯·默里行星可视化实验室(Bruce Murray Laboratory for Planetary Visualization)的帮助。该实验室的研究人员汇编了关于火星的不同数据集,创建了多层次、易于阅读的着陆地点地图和一个三维可视化工具。

凯克基金会地球化学教授、喷气推进实验室2020火星项目科学家肯·法利说:“默里实验室对我们决定2020年的发展方向非常有帮助。这个实验室有能力收集和处理数据,使任何人都能存取这些数据,而不管他们的背景如何

该实验室简称默里实验室(Murray Lab),于2016年建立在地质科学查尔斯·阿玛斯实验室(Charles Arms Laboratory of the Geological Sciences)的二楼,旨在为行星科学家开发下一代图像处理能力。该设施以已故行星科学先驱布鲁斯·默里(Bruce Murray)的名字命名。默里在加州理工学院任教近50年,1976年至1982年担任喷气推进实验室主任。从表面上看,这个实验室似乎只是一个房间,里面有一台巨大的电视,一张长长的沙发,还有许多在后台嗡嗡作响的电脑服务器。实际上,它既是一个最先进的图像处理设施,也是一个检查和讨论这些图像的会议空间。

在2020年的火星任务中,由默里实验室经理杰伊·迪克森(Jay Dickson)领导的一个团队,图像处理方面的研究科学家,从nasa的图像、地形图、热数据等数据中处理了数百gb的数据,并将这些数据转换成可以使用谷歌Earth打开的文件。科学家们可以在一个免费、易用的界面上做立交桥,并根据数据生成透视图。


A谷歌地球飞越Jezero陨石坑,数据来自默里实验室。资料来源:加州理工学院

在之前的火星任务中,专家科学家们会仔细研究地面特征的数据集和卫星图像,然后用PowerPoint演示文稿对可能的着陆点进行辩论。

迪克森在2017年夏天加入了火星2020工作小组。他说,仅仅以一种有用的方式来观察火星的图像并不容易。一个挑战是大多数可用的信息来源于卫星测量潜在的着陆地点,然而许多科学家负责帮助决定哪些着陆点选择地质学家更习惯于工作直接与样品或景观,从上面而不是学习。

克服,穆雷实验室团队首先缝合图像上下文摄像机记录了在喷气推进实验室(CTX) # 39; s火星勘测轨道飞行器(MRO)然后折叠信息从不同的数据sets—矿物学数据,例如,地图和温度显示是否一片地面岩石或土壤又是;

最终产品,它允许用户导航区域和无缝调用相关的数据,代表了一种信息处理的民主化,因为它允许更多元化的研究小组对着陆地点做出明智的决定,不管他们的技能集,伯大尼Ehlmann说行星科学教授喷气推进实验室科学家,2020年火星小组的成员之一。默里实验室允许2020年火星探测小组的更多成员参与评估着陆地点

默里实验室的参与并没有随着这些多层地图的创建而结束。他们还开发了一个三维可视化的工具,可以在穆雷实验室。84英寸,分辨率4 k 3 d显示,穆雷实验室成为例会地点火星2020科学家可以"fly"风景的两个主要潜在的着陆地点(以及第三、"Midway "位于二者之间的)和辩论他们的优点又是;

火星2020团队最终达成了法利所说的"优秀妥协方案"。火星车将在Jezero着陆,如果任务持续足够长时间,最终将前往中途岛。

"我们知道如何在两个地点着陆,所以缓存在任何一个地方都是安全的。"法利说,多个缓存的样本的价值将得到提高,超过你在任何一个着陆地点所能得到的。

迪克森说,撇开样本检索不谈,默里实验室已经改变了评估着陆地点的方式,这可能会为未来的项目带来更多潜在的合作伙伴。他说:“这是向人们介绍实验室的一个很好的工具。

默里实验室生产的所有高分辨率数据都可以通过默里实验室的网站(murray-lab.caltech.edu/Mars2020/)使用谷歌Earth进行流媒体传输。默里实验室得到了福斯特、科科·斯坦贝克和27个基金会的支持。

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Q&A: Creating a “Virtual Seismologist”

理解地震是一个具有挑战性的问题,不仅因为它们具有潜在的危险性,而且因为它们是难以研究的复杂现象。对地震监测网络记录的大量、往往错综复杂的数据集进行解释,对地震学家来说是一项艰巨的任务,但进行准确分析所涉及的努力,可能会显著改善可靠地震预警系统的发展。

加州理工学院的地震学家和计算机科学家利用人工智能(AI)进行了一项很有前景的新合作。人工智能是一种能够学习和执行以前需要人类完成的任务的计算机系统。这项合作包括来自地质和行星科学、工程和应用科学部门的研究人员,也是加州理工学院(Caltech) AI4Science项目的一部分,该项目旨在将人工智能应用于整个研究所的科学家所面临的大数据问题。在先进硬件和机器学习算法的支持下,现代人工智能有潜力彻底革新地震数据工具,让我们所有人在地震面前都更安全。

最近,加州理工学院的计算机和数学科学助理教授岳一松与他的合作者、地球物理学研究教授豪克森、地球物理学博士后学者扎卡里·罗斯和地震学家门-安德林·迈耶讨论了人工智能和地震科学的新项目和未来。

是什么地震问题促使你在研究中加入人工智能?

迈耶:我的工作之一就是地震预警。早期预警要求我们努力非常迅速地探测地震,并预测地震之后会产生的震动,这样你就可以在地震开始前得到几秒到几十秒的预警。

豪克森:必须非常快地完成——这就是游戏规则。地震波将首先袭击最近的监测站,如果我们能立即识别出它们,那么我们就能在地震波进一步传播之前发出警报。

迈耶:你只有几秒钟的地震记录来判断这是地震,这意味着发出警报,还是发出令人讨厌的信号——一辆卡车经过我们的地震检波器或类似的东西。我们有太多的错误分类,太多的错误警报,人们不喜欢这样。这是一个经典的机器学习问题:你有一些数据,你需要做出一个现实和准确的分类。因此,我们联系了加州理工学院的计算和数学科学(CMS)部门,并开始与他们合作。

为什么人工智能是改善地震监测系统的好工具?

岳:人工智能之所以能成为一个好工具,是因为它的规模和复杂性,以及大量的数据。地震监测系统生成大量的数据集,需要对这些数据集进行处理,以便为科学家提供有用的信息。人工智能能比人类更快、更准确地做到这一点,甚至能发现人类肉眼看不到的模式。此外,我们希望提取的模式很难被基于规则的系统充分捕获,因此现代深度学习的高级模式匹配能力可以提供比现有的自动地震监测算法更好的性能。

例如,在一个大的余震序列中,你可能会有每10秒间隔一次的事件,一整天的快速射击。我们在南加州使用了大约400个监测站来监测地震,每次不同的地震引起的海浪都会在不同的时间袭击它们。

岳:当发生多次地震时,传感器都在不同的位置发射,你希望能够解读哪些数据属于哪个地震。清理和分析数据需要时间。但是,一旦你训练了一个机器学习算法——一个通过学习例子而不是通过显式程序来学习的计算机程序——来做这件事,它就能很快地做出评估。这# 39;s值。

人工智能还将如何帮助地震学家?

岳:我们不仅仅对每隔几年就会发生的大地震感兴趣。我们对每天发生的各种规模的地震感兴趣。人工智能有潜力识别目前无法与背景噪音区分的小地震。

罗斯:南加州每天平均发生50次左右的地震,美国地质调查局授权我们监测每一次地震。还有很多,但它们太小了,我们无法用现有的技术探测到。它们越小,发生的频率就越高。我们正在努力做的是监测、定位、探测和描述每一个地震事件,以建立一个6035地震目录。所有这些分析都开始揭示驱动地震的物理过程中非常复杂的细节。这些细节以前并不明显。

为什么以前没有人把人工智能应用到地震学上?

直到最近一两年,地震学才开始认真考虑人工智能技术。这在一定程度上与我们在过去十年中看到的计算机处理能力的急剧增长有关。

这次合作的长期目标是什么?

迈耶:最终,我们想建立一个模拟人类专家的算法。一个人类地震学家可以感觉到地震或者看到地震记录,仅仅凭经验就能立即说出关于地震的许多事情。把这一点教给电脑真的很难。有了人工智能,我们可以更接近于人类专家如何处理这个问题。我们离创建一个"虚拟地震学家越来越近了

为什么我们需要一个虚拟的地震学家

岳:从根本上说,无论是地震学还是其他学科,你想做这种事情的原因是规模和复杂性。如果你能训练一个会学习的人工智能,那么你就能获得一套专门的技能,让任何人都可以使用它。另一个问题是复杂性。你可以让人类长时间观察详细的地震数据,然后发现小地震。或者你也可以让算法更快地找出重要的模式。

迈耶:我们正在收集的详细信息帮助我们弄清地震的物理性质——为什么它们沿着某些断层熄灭,而沿着其他断层触发大地震,以及它们发生的频率。

创建一个"虚拟地震学家意味着人类地震学家的终结吗?

罗斯:我跟很多学生谈过,我敢肯定他们大多数人都不想做编目工作。(笑。他们宁愿做更令人兴奋的工作。

岳:想象一下你是一个音乐家,在你成为音乐家之前,你必须先建造自己的钢琴。所以你花了五年的时间建造你的钢琴,然后你成为了一名音乐家。现在我们有了一种自动制造钢琴的方法——我们要毁掉音乐家的钢琴吗?工作吗?不,我们实际上是在赋予新一代音乐家力量。我们还有其他问题需要他们解决。

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Community College Students Thrive at Caltech

今年夏天,圣莫尼卡社区大学(Santa Monica Community college)的学生玛丽亚•赫尔南德斯(Maria hernandez)住在加州理工学院(Caltech)的学生宿舍里,在贝弗利•麦肯(Beverley McKeon)的实验室里度过了她的日子,从零开始建造了一个自主潜水机器人。

这是埃尔南德斯连续第二个夏天参加非营利组织“基地11”(Base 11)的一个项目。该组织把全美社区大学成绩优异、但代表性不足的学生与加州理工学院(Caltech)等顶尖研究机构联系起来。Base 11将其使命描述为解决STEM(科学、技术、工程和数学)领域缺乏合格工人的问题,而这反过来又因为女性和少数族裔的代表性不足而加剧。基地11基地位于加利福尼亚州,旨在为社区大学的理工科学生提供就业渠道。,

埃尔南德斯,他和她的父母住在东洛杉矶,是第一代大学生离开她的房子每个工作日上午5 o # 39;时钟和校园花一整天在圣莫尼卡,在课堂上或者做家教来帮助支付学费,终于午夜回家睡觉。通过11号基地,她有机会在整个南加州的实验室里度过暑假,包括和像麦基恩这样的女工程师一起工作,她们给了她需要的鼓励和指导,让她规划自己的职业道路。

埃尔南德斯说:“这个项目给了我成为一名工程师的灵感。高中时,我数学一直很好,但我从来都不知道工程学是什么。在我成长的社区里,最接近工程师的东西是一台机械

加州理工学院与基地11合作,每年将大约12名学生带到校园,与加州理工学院的教员一起工作。加州理工学院# 39;最初发起的年代参与计划Guruswami Ravichandran,约翰·e·古德,Jr .)航空和机械工程和奥蒂斯布斯教授领导的部门的工程和应用科学,与加州理工学院的志愿者和供体培育Stanback音乐会,与基地11有密切的关系。

拉维坎德兰说,这些学生资源少,潜力大,他们正在创造高质量的研究产品。

在加州理工学院(Caltech)或其他以11名合作伙伴为基地的学术机构度过暑假,其影响不仅限于学术。基地11的执行董事英格丽德埃勒贝说:“这些学生大多数都是家里第一个上大学的,所以他们从来没有想象过自己身处加州理工学院这样的环境。让他们有宾至如归的感觉,从他们可以联系的人那里接受指导,并意识到他们可以为研究做出有意义的贡献,这是一种真正改变人生的经历,它使他们相信,他们能够实现自己从未想过可能实现的事情

在过去两年中,西奥多·冯·卡门航空学教授、2018年诺斯罗普·格鲁曼卓越教学奖获得者贝弗利·麦肯(Beverley McKeon)牵头协调了与11号基地的关系。学生们参加两个项目中的一个,一个是全年的,另一个是夏季的。学年计划每月吸引社区学院的学生到校园一次,一年九次,与加州理工学院的研究生一起研究项目。

在这个暑期项目中,每年有四名学生通过加州理工学院的师生项目办公室来到校园,在教员的实验室里从事一个研究项目,类似于本科生暑期研究奖学金(SURF)。这些基地11的学生与来自实验室的学生导师一起工作,最终在夏末的研讨会上展示他们的发现。

David Huynh是McKeon实验室的一名研究生,从2014年到2017年担任学生导师,帮助学生完成物理和流体力学相关的项目。

" Huynh说:“他们都很卖力地工作,但他们不知道自己到底想做什么,这是一种完美的心态。”他们对学习很兴奋,但对任何事情都很兴奋,而不仅仅是他们想做什么。他们有动力从这次经历中学习和收获,这使它很有趣

这种精力和好奇心转化为令人印象深刻和成功的最终项目。"I被基地11名实习生所做的报告给震住了。" Ravichandran说,他们的表现和来自最好的暑期研究奖学金学校的本科生一样好,甚至更好。

麦肯表示同意。"的学生非常优秀,他们所做的研究与其他暑期项目没有什么区别。"她说,他们在一个新的、充满挑战的环境中茁壮成长。

她说,接触实验室是“基础11”学生项目的关键组成部分之一,让参与项目的学生有机会进行研究,然后决定他们是否想从事这一职业。

" McKeon补充说,这个项目的部分目的是让那些最初可能在加州理工学院这样的地方感到不自在的人在技术环境中感到自在,看看他们对研究或研究生院是否感兴趣。对一些人来说,这是迈向漫长而辉煌的学术生涯的第一步。同样有效的结果是,学生发现学术不是他们想要的。她说,不管怎样,他们已经能够对样本进行取样并做出决定。

该项目目前由福斯特·斯坦巴克和他的妻子可可资助。加州理工学院的技术转让和企业伙伴关系办公室目前正在寻求与航空航天行业的额外合作和伙伴关系,以确保该项目在加州理工学院继续进行。

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Watson Lecture Preview: The Long-Run Behavior of Random Walks

一百多年来,随机行走——由随机步骤的连续形成的轨迹——作为物理、计算机科学、金融和经济学中的重要模型,以及本身作为有趣的数学对象,一直被研究着。尽管如此,许多简单的问题仍然没有得到解答,这也是当前研究的主题。沃森在他1月16日讲座,俄梅珥Tamuz,这个年# 39;s Biedebach纪念讲师,将描述一些经典结果,引入随机漫步在团体和图表,目前一些开放式问题关于他们的长期行为,并讨论解决一个长期存在的问题以及经济学又是一个令人惊讶的连接;

Tamuz是加州理工学院经济学和数学助理教授,主要研究微观经济理论,包括博弈论、学习与信息以及概率、遍历理论和群体理论。他还学习机器学习和统计学。Tamuz于2006年在特拉维夫大学获得计算机科学和物理学学士学位,2013年在魏茨曼科学研究所获得数学博士学位。从2013年到2015年,Tamuz是麻省理工学院数学系/微软研究院的Schramm博士后。

讲座将于1月16日星期三下午8点在贝克曼礼堂举行,是一场免费活动;不需要订票。

“沃森讲座”以已故加州理工大学教授欧内斯特·c·沃森的名字命名,他于1922年创办了这套丛书。过去沃森的许多讲座都可以在加州理工学院的YouTube网站上找到。

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Caltech Mourns the Passing of Harold Brown

哈罗德·布朗,加州理工学院院长,名誉退休;加州理工学院董事会终身成员;前美国国防部部长于2019年1月4日去世。享年91岁。

从1969年到1977年,布朗一直担任加州理工学院的校长。在他的总统任期内,他对本科课程进行了重大改革,设立了独立研究和应用物理学的课程,并将环境工程项目变成了一个学位选择。他还制定了一个校园总体规划,购买周围的地块,为新建筑腾出空间,并为学院创造了一个可识别的特征。或许最重要的是,他努力让加州理工学院向女本科生开放。1970年,董事会投票决定接纳女性。但是,委员会将招收妇女的条件定在建造新的学生宿舍,他们知道这至少需要两年的时间。布朗不想再等下去了,他迫切要求为现有房屋中的女性留出走廊。由于他的坚持,加州理工学院从那年秋天开始招收女生。

加州理工学院董事会主席大卫·l·李(74年博士)说,哈罗德·布朗在任何一个领域的成就都足以成就他令人满意的一生。总的来说,哈罗德一生中不同的篇章反映了他对他人无私奉献的精神——无论是学生、各行各业的同事,还是我们国家的公民。我们感谢哈罗德在我们学院和我国历史的关键时刻所作的贡献

在接受Engineering &《科学》杂志在其任期内,布朗表示,他惊讶很快成为"extremely proud"加州理工学院的:"It& # 39;年代精神具有高度的传染性,正如你可以看到你们# 39;年代,你看到的质量研究在科学和技术,它的品种,真正杰出的人的本质。你不可避免地会为这个地方感到非常自豪,非常保护它,非常忠诚

哈罗德的一生是为同事和国家服务的光辉典范,得益于他不安分的才智和对人才的宽阔胸怀,加州理工学院院长托马斯·罗森鲍姆、索尼娅和威廉·达维多校长兼物理教授说

1977年1月20日,布朗被吉米·卡特总统任命为国防部长,并在同一天得到美国参议院的批准。他于1月21日宣誓就职,成为第一位担任该职位的科学家,并一直担任到1981年1月。

在担任国务卿期间,布朗帮助开发和主持了美国的洲际弹道导弹、轰炸机和核潜艇核武库,并参与了美苏战略武器限制谈判II条约的谈判。

在国防部任职之后,布朗成为约翰·霍普金斯大学保罗·h·尼采高级国际研究学院外交政策研究所的主席,直到1992年,他一直是尼采学院杰出的客座教授。他是华平投资有限责任公司(Warburg Pincus LLC)的退休合伙人、化学工程合伙人和菲利普莫里斯国际公司(Philip Morris International)的董事、兰德公司(RAND)和三边委员会(North America)的退休受托人。从1992年到去世,布朗一直担任战略与国际研究中心的顾问。

哈罗德·布朗1927年9月19日出生在纽约。1945年,21岁的他从哥伦比亚大学毕业,获得AB学位,1946年获得AM学位,1949年获得物理学博士学位。在做了一段时间的教师和博士后研究之后,布朗于1950年加入了加州大学伯克利分校的辐射实验室。当该实验室的分支机构——位于加利福尼亚州利弗莫尔的E.O.劳伦斯辐射实验室于1952年成立时,布朗成为了该实验室的一名工作人员。1960年,他成为该实验室的主任。

1961年至1965年,他担任国防部国防研究与工程主任,1965年至1969年担任空军部长。

在其他咨询职位中,布朗曾于1956-57年担任空军科学咨询委员会顾问,1958-61年担任该委员会成员;1956-58年北极星指导委员会成员;参加1958年11月至1959年2月停止核武器试验会议的美国代表团高级科学顾问;1958年至1961年担任国防部长的弹道导弹科学咨询委员会成员。从1958年到1960年,布朗还担任过总统科学咨询委员会几个小组的顾问,并于1961年被任命为委员会成员。

布朗于1985年再次当选加州理工学院董事会成员,并于2010年成为终身会员。在董事会任职期间,布朗曾担任执行委员会、审计和合规委员会、建筑和场地委员会、商业和财务委员会、投资委员会和提名委员会的成员。在他去世时,他是技术转让委员会和喷气推进实验室委员会的咨询参与者。

在他的众多荣誉中,布朗是总统自由勋章(1981年)和费米奖(1993年)的获得者,并且是美国国家科学院和美国国家工程学院的成员。

与他结婚60多年的妻子科琳·布朗(Colene Brown)去年去世。他身后还有女儿黛博拉、艾伦和其他家庭成员。

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Caltech’s New CARE Team Provides Coordinated Support for Students

加州理工学院最近成立了一个由多学科专业人员组成的团队,以确定和帮助学生满足学术、社会和心理健康方面的需求。

学生健康服务执行董事詹妮弗•豪斯(Jennifer Howes)表示,该护理团队于去年秋季成立,目的是“采取一种统一的方法来识别那些正在挣扎的学生,并帮助他们与适当的早期干预策略建立联系。”

Howes是CARE团队的主席,他补充说:“我们想要创造一种简单的方式,让人们提出他们的担忧,并让学生参考资源。”

CARE团队是通过学生事务办公室、校园安全办公室、教职员工咨询中心等部门的合作组建的,由加州理工学院安全网(Caltech Safety Net)和加州理工学院关怀运动(Caltech Cares campaign)发展而来。这两个组织强调校园周边的支持资源,特别关注自杀预防。该团队通过提供心理健康教育和培训,以及通过加州理工学院的Connect,来继续这项工作,这是一种互动的学习体验,帮助参与者识别自杀的风险因素和警告信号,以便他们能够进行干预。

此外,豪斯指出,护理团队负责对来自社区的威胁行为或对学生安全的担忧进行初步评估。

护理团队an 在线推荐形式,这可能是使用的教师、员工和学生,使学生的团队意识到可能受益于援助只,团队成员将接触到的学生,并邀请他们在一对一的谈话开始更多地了解他们的需求和发展计划的支持。例如,一个在学业上苦苦挣扎的学生可能会从辅导支持或与注册主任讨论课程规划的联系中受益。

她说:“这个团队让我们能够以一种旨在帮助和支持学生的方式,回应社区对安全的担忧。”“我们使用观察实际行为或数据的工具来减少情感驱动或基于恐惧的反应。这是为了保护社区和个人的权利。”

社区成员可以通过caltechcares.caltech.edu了解更多关于团队的信息,进行推荐,并报名参加培训。

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