323ÂÅÑÒÍ. ÌÎÑÊ. ÓÍ-ÒÀ. ÑÅÐ. 2. ÕÈÌÈß. 1999. Ò. 40. ¹ 5

Â íàñòîÿùåå âðåìÿ â âû÷èñëèòåëüíîé ìàòåìàòèêå è

ïðàêòè÷åñêè âî âñåõ ñâÿçàííûõ ñ íåé íàó÷íûõ è òåõíè÷åñ-

êèõ äèñöèïëèíàõ ïðîèñõîäÿò êîðåííûå èçìåíåíèÿ â ïîíè-

ìàíèè ïðèíöèïîâ îðãàíèçàöèè âû÷èñëèòåëüíîãî ïðîöåññà

è ïîäõîäîâ ê ðåøåíèþ ïðèêëàäíûõ çàäà÷, ÷òî âûçâàíî çíà-

÷èòåëüíûì ðîñòîì èíòåðåñà ê òåîðèè è ïðàêòèêå èñïîëüçî-

âàíèÿ èñêóññòâåííûõ íåéðîííûõ ñåòåé (ÈÍÑ). Ýòî óæå

ïðèâåëî ê ïîÿâëåíèþ íîâûõ íàó÷íûõ äèñöèïëèí, òàêèõ êàê

íåéðîèíôîðìàòèêà, íåéðîêîìïüþòèíã è íåéðîìàòåìàòèêà

[1, 2]. Ïîÿâèâøèñü îòíîñèòåëüíî íåäàâíî êàê îäíî èç íà-

ïðàâëåíèé â îáëàñòè èñêóññòâåííîãî èíòåëëåêòà, ïðèçâàí-

íîå ìîäåëèðîâàòü íà êîìïüþòåðå ïðîöåññû îáðàáîòêè èí-

ôîðìàöèè, ïðîèñõîäÿùèå â ÷åëîâå÷åñêîì ìîçãó, ÈÍÑ óò-

âåðäèëè ñåáÿ â êà÷åñòâå âåäóùåãî íàïðàâëåíèÿ ðàçâèòèÿ

âû÷èñëèòåëüíîé ìàòåìàòèêè, ïðåâçîéäÿ ïî ÷èñëó ïóáëèêà-

öèé âñå îñòàëüíûå íàïðàâëåíèÿ, âìåñòå âçÿòûå.

Ïðè÷èíà òàêîãî áåñïðåöåäåíòíîãî ðîñòà èíòåðåñà ê

ÈÍÑ êðîåòñÿ â èçíà÷àëüíî ïðèñóùåé èì ñïîñîáíîñòè

ïîäõîäèòü ê îáðàáîòêå èíôîðìàöèè êàê ê ïðîöåññó ðàñ-

ïîçíàâàíèÿ è êëàññèôèêàöèè îáðàçîâ ñîâåðøåííî ïðîèç-

âîëüíîé è ñêîëü óãîäíî ñëîæíîé ñòðóêòóðû ïðè ïîìîùè

íåôîðìàëèçóåìûõ àëãîðèòìîâ, êîòîðûå ñàìè æå íåéðîí-

íûå ñåòè è íàõîäÿò. Ýòî âûãîäíî îòëè÷àåò èõ îò òðàäèöè-

îííûõ ñïîñîáîâ êîìïüþòåðíîé îáðàáîòêè èíôîðìàöèè

ïðè ïîìîùè îïåðàöèé ñ ÷èñëàìè è ñèìâîëàìè, çàðàíåå

ñïåöèôèöèðîâàííûõ ïî êàêîìó-ëèáî æåñòêîìó àëãîðèòìó.

Ýëåìåíòàðíîé åäèíèöåé îáðàáàòûâàåìîé èíôîðìàöèè â

ÈÍÑ ÿâëÿåòñÿ îáðàç ïðîèçâîëüíîé äëèíû, îáû÷íî ïðåä-

ñòàâëÿåìûé â âèäå ëèáî îäíîìåðíîãî âåêòîðà, ëèáî äâó-

ìåðíîé ìàòðèöû ÷èñåë, à ýëåìåíòàðíîé îïåðàöèåé  ñðà-

áàòûâàíèå èñêóññòâåííîãî íåéðîíà (ðèñ. 1), â ïðîöåññå

êîòîðîãî ïðîèñõîäèò ñðàâíåíèå âíåøíåãî îáðàçà ñ õðà-

íÿùèìñÿ â ñâÿçàííûõ ñ íåéðîíîì ñèíàïñàõ ýòàëîíîì

ïóòåì âû÷èñëåíèÿ ñêàëÿðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ âåêòîðà

îáðàçà è âåêòîðà ñèíàïòè÷åñêèõ âåñîâ, âñëåä çà ÷åì

íåéðîí ðåàãèðóåò íà òàêîå ñðàâíåíèå ïóòåì âçÿòèÿ ñïå-

öèàëüíîé ôóíêöèè àêòèâàöèè îò ýòîãî ñêàëÿðíîãî ïðî-

èçâåäåíèÿ. Ïðè ýòîì ôîðìèðóåòñÿ ñèãíàë, âõîäÿùèé â

ñîñòàâ íîâûõ îáðàçîâ, ïîäàþùèõñÿ íà âõîä óæå äðóãèì

íåéðîíàì ñåòè. Ïîñêîëüêó âñëåäñòâèå «êîìáèíàòîðíîãî

âçðûâà» äëÿ ïðîèçâîëüíûõ îáðàçîâ ïðèíöèïèàëüíî íå-

âîçìîæíî ïîëíîñòüþ îïèñàòü ïðîèçâîëüíûé àëãîðèòì

èõ îáðàáîòêè, òî ÈÍÑ ðåøàþò ýòó çàäà÷ó äðóãèì ñïî-

ñîáîì: îíè ïûòàþòñÿ âîññòàíîâèòü àëãîðèòì ïî åãî íå-

ïîëíîìó îïèñàíèþ, çàäàííîìó â âèäå íàáîðà ïðèìå-

ðîâ. Èíûìè ñëîâàìè, â îñíîâå ðàáîòû ÈÍÑ ëåæèò èñ-

ïîëüçîâàíèå àëãîðèòìîâ, ïîëó÷àåìûõ ïðè ïîìîùè

îáó÷åíèÿ íà ïðèìåðàõ. Ýòè àëãîðèòìû êîäèðóþòñÿ â

ÈÍÑ â âèäå çíà÷åíèé âåñîâ ñèíàïñîâ. Îáó÷åííàÿ òàêèì

îáðàçîì ÈÍÑ ñïîñîáíà ðåøàòü çàäà÷ó àïïðîêñèìàöèè

íåëèíåéíîé ôóíêöèè ïðîèçâîëüíîãî âèäà îò ìíîãèõ ïåðå-

ìåííûõ è, êàê ÷àñòíûé ñëó÷àé ýòîãî, çàäà÷ó îòíåñåíèÿ

îáðàçîâ ê îäíîìó èç êëàññîâ, à òàêæå çàäà÷ó êàòåãîðèçà-

öèè äàííûõ è îïðåäåëåíèÿ èõ âíóòðåííåé ñòðóêòóðû.

ÈÍÑ ðàçíîãî ñòðîåíèÿ ïî-ðàçíîìó îðèåíòèðîâàíû íà ðå-

øåíèå ýòèõ çàäà÷.

Äëÿ ðåøåíèÿ ïåðâîé çàäà÷è îáû÷íî ïðèìåíÿþò ñåòè

ïðÿìûõ ñâÿçåé (feed-forward) (ðèñ. 2), îáó÷àåìûå ïðè ïî-

ìîùè àëãîðèòìà îáðàòíîãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ îøèáîê

(backpropagation), íî èñïîëüçóþòñÿ òàêæå ñåòè âñòðå÷íî-

ãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ (counterpropagation), à òàêæå ñåòè

ðàäèàëüíûõ ãàóññîâûõ ôóíêöèé RBF, êàñêàäíûå ñåòè êîð-

ðåëÿöèé (cascade correlation networks) è ñåòè ôóíêöèî-

íàëüíûõ ñâÿçåé (functional links networks). Äëÿ ðåøåíèÿ

âòîðîé çàäà÷è ÷àùå ïðèìåíÿþò ñåòè Õîïôèëäà (Hopfield)

è ñåòè àäàïòèâíîãî ðåçîíàíñà ART, òîãäà êàê äëÿ ðåøåíèÿ

òðåòüåé çàäà÷è îáû÷íî èñïîëüçóþò ñàìîîðãàíèçóþùèåñÿ

ÓÄÊ 541.6

ÏÐÈÌÅÍÅÍÈÅ ÈÑÊÓÑÑÒÂÅÍÍÛÕ ÍÅÉÐÎÍÍÛÕ ÑÅÒÅÉ

Â ÕÈÌÈ×ÅÑÊÈÕ È ÁÈÎÕÈÌÈ×ÅÑÊÈÕ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈßÕ

È. È. Áàñêèí, Â. À. Ïàëþëèí, Í. Ñ. Çåôèðîâ

(êàôåäðà îðãàíè÷åñêîé õèìèè)

Â ñòàòüå ðàññìîòðåíû îñíîâíûå íàïðàâëåíèÿ ïðèìåíåíèÿ èñêóññòâåííûõ íåéðîííûõ ñåòåé â

õèìè÷åñêèõ è áèîõèìè÷åñêèõ èññëåäîâàíèÿõ. Íàèáîëüøåå âíèìàíèå óäåëåíî ðàáîòàì ïî êîð-

ðåëÿöèÿì ìåæäó ñòðîåíèåì õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé è ïðîÿâëÿåìûìè èìè ôèçèêî-õèìè÷åñ-

êèìè ñâîéñòâàìè è áèîëîãè÷åñêîé àêòèâíîñòüþ, êîòîðûå îòêðûâàþò âîçìîæíîñòü èñïîëüçî-

âàíèÿ íåéðîñåòè äëÿ äèçàéíà ìàòåðèàëîâ ñ çàðàíåå çàäàííûìè ñâîéñòâàìè è íîâûõ ôàðìà-

êîëîãè÷åñêèõ ïðåïàðàòîâ. Ñôîðìóëèðîâàíû îñíîâíûå íàïðàâëåíèÿ ðàáîò ïî ïðèìåíåíèþ

èñêóññòâåííûõ íåéðîííûõ ñåòåé â îðãàíè÷åñêîé, àíàëèòè÷åñêîé, ôèçè÷åñêîé è áèîëîãè÷åñ-

êîé îáëàñòÿõ õèìèè.

Ðèñ. 1. Ñõåìà ðàáîòû íåéðîíà

ÂÅÑÒÍ. ÌÎÑÊ. ÓÍ-ÒÀ. ÑÅÐ. 2. ÕÈÌÈß. 1999. Ò. 40. ¹ 5324

êàðòû Êîõîíåíà (Kohonen). Êðîìå òîãî, ÈÍÑ ìîãóò áûòü

èñïîëüçîâàíû äëÿ èçâëå÷åíèÿ ÿâíûõ çíàíèé èç íàáîðà

äàííûõ (data mining). Äëÿ ýòèõ öåëåé ñëóæàò ñïåöèàëüíûå

ïðîöåäóðû ïðîðåæèâàíèÿ, óïðîùåíèÿ è «âåðáàëèçàöèè»

íåéðîííûõ ñåòåé [1, 2]). ÈÍÑ ìîãóò áûòü ðåàëèçîâàíû ñ

ïîìîùüþ êàê íåéðîêîìïüþòåðîâ, òàê è ýìóëÿòîðîâ íåé-

ðîííûõ ñåòåé íà êîìïüþòåðàõ îáû÷íîé àðõèòåêòóðû.

Â ïîñëåäíèå ãîäû ÈÍÑ íàõîäÿò âñå áîëåå øèðîêîå

ïðèìåíåíèå ïðè ðàçðàáîòêå íîâûõ õèìè÷åñêèõ ñîåäèíå-

íèé è ìàòåðèàëîâ ñ çàðàíåå çàäàííûìè ñâîéñòâàìè

(áèáëèîãðàôèþ ïî ïðèìåíåíèþ ÈÍÑ â èçó÷åíèè ñâÿçè

õèìè÷åñêàÿ ñòðóêòóðà  ñâîéñòâî è õèìè÷åñêàÿ ñòðóêòó-

ðà  áèîëîãè÷åñêàÿ àêòèâíîñòü ìîæíî íàéòè â êîìïü-

þòåðíîé ñåòè Èíòåðíåò ïî àäðåñó http://org.chem.msu.su/

~baskin/neurchem.html), à òàêæå ïðè ñîçäàíèè íîâûõ ëå-

êàðñòâåííûõ ïðåïàðàòîâ [3–7]. Ïîäîáíûå ïîäõîäû îáû÷íî

îñíîâàíû íà ñâîéñòâàõ ÈÍÑ ðàñïîçíàâàòü ñëîæíûå îáðà-

çû è àïïðîêñèìèðîâàòü íåïðåðûâíûå ôóíêöèè ïðîèç-

âîëüíîãî âèäà. Äëÿ ýòîãî íàèáîëåå ÷àñòî èñïîëüçóþò ìå-

òîäèêè, âêëþ÷àþùèå ïðåäâàðèòåëüíûé ïåðåâîä èíôîðìà-

öèè î ñâÿçíîñòè ìîëåêóëÿðíîãî ãðàôà, îäíîçíà÷íî îïè-

ñûâàþùåãî ñòðîåíèå õèìè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ, â âåêòîð

èíâàðèàíòîâ ãðàôà, íàçûâàåìûõ ìîëåêóëÿðíûìè äåñêðèï-

òîðàìè. Â äàëüíåéøåì âåêòîðû ìîëåêóëÿðíûõ äåñêðèïòî-

ðîâ, âû÷èñëåííûå äëÿ ñòðóêòóð õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé ñ

èçâåñòíûìè ñâîéñòâàìè, âìåñòå ñ ïðèñîåäèíåííûìè çíà-

÷åíèÿìè ñâîéñòâ èñïîëüçóþò â êà÷åñòâå ìíîæåñòâà ïðè-

ìåðîâ äëÿ îáó÷åíèÿ ÈÍÑ êîððåêòíî âîñïðîèçâîäèòü çíà-

÷åíèå ïðîãíîçèðóåìîãî ñâîéñòâà èñõîäÿ èç ïîäàâàåìî-

ãî íà âõîä ÈÍÑ âåêòîðà ìîëåêóëÿðíûõ äåñêðèïòîðîâ

(ðèñ. 3). Äëÿ ýòîé öåëè èñïîëüçóþò, êàê ïðàâèëî, ìíî-

ãîñëîéíûå ÈÍÑ ñ ïðÿìûìè ñâÿçÿìè (feed-forward), îáó-

÷àåìûå ïî ìåòîäó îáðàòíîãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ îøèáîê

(backpropagation), õîòÿ â ðÿäå ðàáîò óñïåøíî èñïîëü-

çîâàëè ÈÍÑ äðóãèõ òèïîâ, íàïðèìåð ñåòè âñòðå÷íîãî

ðàñïðîñòðàíåíèÿ (counterpropagation), ãàóññîâû ñåòè,

ñåòè êàñêàäíûõ êîððåëÿöèé (cascade correlation) è ñåòè

ôóíêöèîíàëüíûõ ñâÿçåé. Â ïðîöåññå îáó÷åíèÿ îñóùåñòâ-

ëÿåòñÿ êîíòðîëü çà ïðîãíîçèðóþùåé ñïîñîáíîñòüþ ÈÍÑ

ïðè ïîìîùè çàðàíåå âûáðàííîé êîíòðîëüíîé âûáîðêè

ïðèìåðîâ, ÷òî ïîçâîëÿåò èçáåæàòü ïåðåîáó÷åíèÿ (íàìè

áûëî ïîêàçàíî, ÷òî íàèáîëåå îáúåêòèâíûå îöåíêè ïðî-

ãíîçèðóþùåé ñïîñîáíîñòè ÈÍÑ ïðè ïðåæäåâðåìåííîì

ïðåðûâàíèè îáó÷åíèÿ äàåò èñïîëüçîâàíèå äâóõ êîíò-

ðîëüíûõ âûáîðîê [8]). Êðîìå òîãî, âî ìíîãèõ ñëó÷àÿõ ïðè

îáó÷åíèè ïðèìåíÿþòñÿ ðàçëè÷íûå âèäû ðåãóëÿðèçàöèè

ñåòè è ïðóíèíãà (÷àñòè÷íîãî óäàëåíèÿ íåíóæíûõ íåéðî-

íîâ è ðàçðåæåíèÿ ñâÿçåé ìåæäó íèìè) äëÿ óïðîùåíèÿ

ñòðóêòóðû ÈÍÑ, óìåíüøåíèÿ ÷èñëà íåîáõîäèìûõ ìîëåêó-

ëÿðíûõ äåñêðèïòîðîâ, ñëåäñòâèåì ÷åãî ÿâëÿåòñÿ ïîâûøå-

íèå ïðîãíîçèðóþùåé ñïîñîáíîñòè ñåòè [8, 9]. Â äàëüíåé-

øåì îáó÷åííàÿ òàêèì îáðàçîì ÈÍÑ ìîæåò áûòü èñïîëü-

çîâàíà äëÿ ïðîãíîçèðîâàíèÿ ñâîéñòâ õèìè÷åñêèõ ñîåäèíå-

íèé ñ öåëüþ ïîèñêà òåõ èç íèõ, êîòîðûå óäîâëåòâîðÿþò

çàðàíåå çàäàííûì ïàðàìåòðàì.

Â ðàìêàõ èçëîæåííîé âûøå ìåòîäîëîãèè ìû îäíè èç

ïåðâûõ ïðîâåëè ïðè ïîìîùè ÈÍÑ ðàáîòû ïî ïðîãíîçè-

ðîâàíèþ òåìïåðàòóðû êèïåíèÿ, îêòàíîâîãî ÷èñëà, ìî-

ëÿðíîãî îáúåìà, ìîëÿðíîé ðåôðàêöèè, òåïëîòû èñïàðå-

íèÿ, êðèòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ è ïîâåðõíîñòíîãî íàòÿæåíèÿ

àëêàíîâ [10], ìóòàãåííîñòè ãåòåðîöèêëè÷åñêèõ àíàëîãîâ

àðîìàòè÷åñêèõ óãëåâîäîðîäîâ [11], à òàêæå çíà÷åíèé êîí-

ñòàíò çàìåñòèòåëåé [12].

Â êà÷åñòâå àëüòåðíàòèâû ðàññìîòðåííîé âûøå ìåòîäî-

ëîãèè, ïîäðàçóìåâàþùåé èñïîëüçîâàíèå ìîëåêóëÿðíûõ

äåñêðèïòîðîâ è ñòàíäàðòíûõ ÈÍÑ, áûëè ðàçðàáîòàíû è

óñïåøíî îïðîáîâàíû íà ïðàêòèêå ñåòè îñîáîãî ñòðîå-

íèÿ, ïîçâîëÿþùåãî îáó÷àòüñÿ çàâèñèìîñòè ñâîéñòâ õèìè-

÷åñêèõ ñîåäèíåíèé íåïîñðåäñòâåííî îò ñòðóêòóð ñîîòâåò-

ñòâóþùèõ èì ïîìå÷åííûõ ãðàôîâ, ìèíóÿ ñòàäèþ ïðîèç-

âîëüíîãî âûáîðà ìîëåêóëÿðíûõ äåñêðèïòîðîâ [13]. ÈÍÑ

òàêîãî ñòðîåíèÿ áûëà óñïåøíî ïðèìåíåíà íàìè äëÿ ïðî-

ãíîçèðîâàíèÿ òåìïåðàòóðû êèïåíèÿ àëêàíîâ, âÿçêîñòè,

ïëîòíîñòè è òåïëîòû èñïàðåíèÿ óãëåâîäîðîäîâ, òåïëîòû

ñîëüâàòàöèè è ïîëÿðèçóåìîñòè ïðîèçâîëüíûõ îðãàíè÷åñ-

êèõ ñîåäèíåíèé, à òàêæå äàâëåíèÿ ðàçëè÷íûõ ãàçîâ, äîñòà-

òî÷íîãî äëÿ ïðîÿâëåíèÿ àíåñòåçèðóþùåãî ýôôåêòà [14].

Â ïîñëåäíèå ãîäû äëÿ ïðîãíîçèðîâàíèÿ áèîëîãè÷åñêîé

àêòèâíîñòè õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé è ñîçäàíèÿ íîâûõ ëå-

êàðñòâåííûõ ïðåïàðàòîâ âñå áîëåå øèðîêî ïðèìåíÿþòñÿ

Ðèñ. 3. Ñõåìà èñïîëüçîâàíèÿ èñêóññòâåííîé íåéðîííîé ñåòè äëÿ

ïðîãíîçèðîâàíèÿ ñâîéñòâ õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé

Ðèñ. 2. Ñòðîåíèå ìíîãîñëîéíîé èñêóññòâåííîé íåéðîííîé ñåòè ñ

ïðÿìûìè ñâÿçÿìè

325ÂÅÑÒÍ. ÌÎÑÊ. ÓÍ-ÒÀ. ÑÅÐ. 2. ÕÈÌÈß. 1999. Ò. 40. ¹ 5

ïîäõîäû, îñíîâàííûå íà ñâîéñòâàõ ñàìîîðãàíèçóþùåéñÿ

ñåòè Êîõîíåíà. Â îäíîì èç èñïîëüçóåìûõ ïðè ýòîì ïîä-

õîäîâ èñïîëüçóþò ñåòü Êîõîíåíà íèçêîãî ðàçðåøåíèÿ äëÿ

îòîáðàæåíèÿ ñîçäàâàåìîãî âîêðóã ìîëåêóëû ýëåêòðîñòà-

òè÷åñêîãî ïîòåíöèàëà íà ïëîñêîñòü. Ïðè ýòîì îêàçûâàåò-

ñÿ, ÷òî ìîëåêóëû ñîâåðøåííî ðàçíîãî ñòðîåíèÿ, íî äåé-

ñòâóþùèå íà îäíó è òó æå áèîëîãè÷åñêóþ ìèøåíü (íà-

ïðèìåð, ðåöåïòîð èëè ôåðìåíò), äàþò ñõîäíîå

îòîáðàæåíèå, ÷òî ïîçâîëÿåò ïðåäñêàçûâàòü áèîëîãè÷åñ-

êóþ àêòèâíîñòü ìîëåêóë íà êà÷åñòâåííîì óðîâíå [15].

Äðóãîé íå ìåíåå ïåðñïåêòèâíûé ïîäõîä âêëþ÷àåò çàäàíèå

êðèòåðèÿ «áëèçîñòè» õèìè÷åñêèõ ñòðóêòóð è èñïîëüçîâà-

íèå ýòîãî êðèòåðèÿ äëÿ îòîáðàæåíèÿ ëèáî áîëüøèõ áàç

ïîòåíöèàëüíî âîçìîæíûõ áèîëîãè÷åñêè àêòèâíûõ ñîåäè-

íåíèé, ëèáî ñïåöèàëüíî ñêîíñòðóèðîâàííûõ êîìáèíàòîð-

íûõ áèáëèîòåê õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé («ïåðâàÿ áàçà») íà

óçëû äâóìåðíîé ðåøåòêè ïðè ïîìîùè ñåòåé Êîõîíåíà

âûñîêîãî ðàçðåøåíèÿ [16]. Ïîñëå ýòîãî îáó÷åííàÿ òàêèì

îáðàçîì ÈÍÑ èñïîëüçóåòñÿ äëÿ îòîáðàæåíèÿ ìíîæåñòâà

õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, îáëàäàþùèõ çàäàííîé áèîëîãè-

÷åñêîé (íàïðèìåð, ôàðìàêîëîãè÷åñêîé) àêòèâíîñòüþ

(«âòîðàÿ áàçà»), íà ýòó æå ðåøåòêó íåéðîíîâ. Âñëåä çà

ýòèì ñîåäèíåíèÿ èç «ïåðâîé áàçû», îòîáðàçèâøèåñÿ íà

òå æå óçëû, ÷òî è ñîåäèíåíèÿ «âòîðîé áàçû», âûáèðàþò-

ñÿ äëÿ äàëüíåéøåãî èññëåäîâàíèÿ êàê ïîòåíöèàëüíî àêòèâ-

íûå ñîåäèíåíèÿ. Íàêîíåö, òðåòèé ïîäõîä ê èñïîëüçîâàíèþ

ñåòåé Êîõîíåíà [17] (à òàêæå ñåòåé ART-2 [18]) â ýòîé îá-

ëàñòè âêëþ÷àåò èõ èñïîëüçîâàíèå äëÿ êëàñòåðèçàöèè áàç

äàííûõ ñ öåëüþ èõ ðàçáèâêè íà îáó÷àþùóþ è êîíò-

ðîëüíóþ âûáîðêè.

Êðîìå ïðîãíîçèðîâàíèÿ ôèçèêî-õèìè÷åñêèõ ñâîéñòâ

îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé è èõ áèîëîãè÷åñêîé àêòèâíîñòè

ÈÍÑ ïðèìåíÿþò òàêæå è äëÿ ïðåäñêàçàíèÿ ñïåêòðîâ.

Âîçìîæíîñòü ïðåäñêàçàòü ñïåêòð ïîçâîëÿåò, âî-ïåðâûõ,

îñóùåñòâëÿòü èäåíòèôèêàöèþ õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé,

÷òî êðàéíå âàæíî, íàïðèìåð, äëÿ ýêîëîãè÷åñêîãî êîíòðî-

ëÿ, è ïîëó÷åíèÿ íîâûõ õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé ñ çàäàííû-

ìè ñïåêòðàëüíûìè ñâîéñòâàìè (íàïðèìåð, ñ öåëüþ ñîçäà-

íèÿ íîâûõ ëàçåðíûõ êðàñèòåëåé). Ïðè ïðîãíîçèðîâàíèè

ìàññ-ñïåêòðîâ [19, 20] è ñïåêòðîâ ïîãëîùåíèÿ ñâåòà â èí-

ôðàêðàñíîé îáëàñòè [20–22] â êà÷åñòâå âõîäíîãî íàáîðà

äåñêðèïòîðîâ èñïîëüçóþò îáû÷íî ïðèçíàêè íàëè÷èÿ îï-

ðåäåëåííîé ïîäñòðóêòóðû â ñîñòàâå õèìè÷åñêîé ñòðóêòó-

ðû, ïðè ýòîì â ðÿäå ñëó÷àåâ õîðîøî ñåáÿ çàðåêîìåíäîâà-

ëî èñïîëüçîâàíèå êîìáèíèðîâàííîé ñåòè, ñîñòîÿùåé èç

ìíîæåñòâà ïðîñòûõ ÈÍÑ. Ïðè ïðîãíîçèðîâàíèè ñïåêòðîâ

ÿäåðíîãî ìàãíèòíîãî è ýëåêòðîííîãî ïàðàìàãíèòíîãî ðå-

çîíàíñà â êà÷åñòâå âåêòîðîâ äåñêðèïòîðîâ èñïîëüçóþò

ëèáî, êàê è â ïðåäûäóùåì ñëó÷àå, ôîðìàëüíî-ñòðóêòóð-

íûå ïàðàìåòðû, ëèáî ðåçóëüòàòû êâàíòîâîìåõàíè÷åñêèõ

ðàñ÷åòîâ [23]. Ñëåäóåò, îäíàêî, óïîìÿíóòü ðàáîòû, â êîòî-

ðûõ ýòè ñïåêòðû ïðîãíîçèðîâàëèñü áåç èñïîëüçîâàíèÿ

âõîäíîãî âåêòîðà äåñêðèïòîðîâ çà ñ÷åò ââåäåíèÿ èíôîð-

ìàöèè î õèìè÷åñêîé ñòðóêòóðå íåïîñðåäñòâåííî â ÈÍÑ

[24]. Íàêîíåö, ïðè ïðîãíîçèðîâàíèè ñïåêòðîâ ïîãëîùåíèÿ

â óëüòðàôèîëåòîâîé è âèäèìîé îáëàñòÿõ ïðè ïîìîùè

ÈÍÑ õîðîøî ñåáÿ çàðåêîìåíäîâàëî, êàê ìû ïîêàçàëè â

îäíîé èç ðàáîò íà ïðèìåðå äëèííîâîëíîâûõ ïîëîñ ïîãëî-

ùåíèÿ öèàíèíîâûõ êðàñèòåëåé, ñî÷åòàíèå êâàíòîâîìåõà-

íè÷åñêèõ è ôîðìàëüíî-ñòðóêòóðíûõ äåñêðèïòîðîâ [25].

Êðîìå ïðîãíîçèðîâàíèÿ ñâîéñòâ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäè-

íåíèé è èõ ñïåêòðîâ ÈÍÑ èñïîëüçóþò òàêæå äëÿ ïîèñêà

ìåòîäîâ èõ ñèíòåçà è ïðåäñêàçàíèÿ õèìè÷åñêîé ðåàêöè-

îííîé ñïîñîáíîñòè [26, 27]. Â ýòèõ ðàáîòàõ â êà÷åñòâå

âõîäíîé èíôîðìàöèè äëÿ ÈÍÑ èñïîëüçóþòñÿ ëèáî ôîð-

ìàëüíî-ñòðóêòóðíûå ïàðàìåòðû, ëèáî íåïîñðåäñòâåííî

ìàòðèöà ñìåæíîñòè ìîëåêóëÿðíîãî ãðàôà, ñîîòâåòñòâóþ-

ùåãî õèìè÷åñêîìó ñîåäèíåíèþ, à â êà÷åñòâå âûõîäà 

íàïðàâëåíèå ëèáî ñèíòåòè÷åñêîé, ëèáî ðåòðîñèíòåòè÷åñ-

êîé ðåàêöèè. Âî âñåõ ýòèõ ðàáîòàõ èñïîëüçîâàíà ñòàíäàð-

òíàÿ ÈÍÑ ñ ïðÿìîé ñâÿçüþ è ñ îáðàòíûì ðàñïðîñòðàíå-

íèåì îøèáêè.

Åùå îäíèì íàïðàâëåíèåì ÿâëÿåòñÿ èñïîëüçîâàíèå ÈÍÑ

â àíàëèòè÷åñêîé õèìèè äëÿ îïðåäåëåíèÿ õèìè÷åñêîãî ñî-

ñòàâà àíàëèçèðóåìîé ñìåñè, ÷òî êðàéíå âàæíî äëÿ êîíò-

ðîëÿ õèìè÷åñêîãî ïðîèçâîäñòâà è ýêîëîãè÷åñêîãî ìîíèòî-

ðèíãà. Â ýòîì ñëó÷àå ðàáîòà ìîæåò ïðîòåêàòü â äâóõ âà-

ðèàíòàõ: äèíàìè÷åñêîì è ñòàòè÷åñêîì.

Â ïåðâîì ñëó÷àå èñïîëüçóþò ÈÍÑ, îáó÷åííóþ ïî

çíà÷åíèþ ïîñòóïàþùèõ íà åå âõîä ñèãíàëîâ, ñíÿòûõ ñ äàò-

÷èêîâ (â êà÷åñòâå òàêèõ ñèãíàëîâ ìîãóò, íàïðèìåð, âûñòó-

ïàòü ïîòåíöèàëû, ñíÿòûå ñ èîí-ñåëåêòèâíûõ ýëåêòðîäîâ

èëè ñ ãàçîâûõ ñåíñîðîâ), âîñïðîèçâîäèòü ïðîöåíòíûé ñî-

ñòàâ àíàëèçèðóåìîé ñìåñè [28, 29].

Âî âòîðîì ñëó÷àå ÈÍÑ ìîæåò áûòü îáó÷åíà, íàïðè-

ìåð, ðàçëàãàòü ñïåêòð ñìåñè íà ñïåêòðû èíäèâèäóàëüíûõ

êîìïîíåíòîâ [30].

Èç ðàáîò ïî ïðèìåíåíèþ ÈÍÑ â ôèçè÷åñêîé õèìèè

íàèáîëåå èíòåðåñíû èññëåäîâàíèÿ, ñâÿçàííûå ñ ìîäåëè-

ðîâàíèåì êèíåòèêè õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ ñ èñïîëüçîâà-

íèåì ðåêóððåíòíûõ ñåòåé Õîïôèëäà. Áûëî ïîêàçàíî, ÷òî

ìîäåëèðîâàíèå âîçìîæíî â äâóõ íàïðàâëåíèÿõ. Â îäíîì

ñëó÷àå ïðè ïîìîùè ÈÍÑ ìîæíî ìîäåëèðîâàòü ïðîòåêà-

íèå õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé [31], à â äðóãîì  ñ ïîìîùüþ

ñïåöèàëüíî ïîäîáðàííîãî íàáîðà õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé

ìîäåëèðîâàòü äèíàìèêó ðàáîòû ðåêóððåíòíûõ íåéðîííûõ

ñåòåé, ÷òî, â ñóùíîñòè, ýêâèâàëåíòíî ïðîâåäåíèþ âû÷èñ-

ëåíèé ïðè ïîìîùè «õèìè÷åñêîãî êîìïüþòåðà» [32]. Áîëü-

øîé èíòåðåñ âûçûâàåò òàêæå ìîäåëèðîâàíèå ãèïåðïîâåð-

õíîñòè ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè ìîëåêóë ïðè ïîìîùè ÈÍÑ

ñ ïðÿìûìè ñâÿçÿìè. Â ýòîì ñëó÷àå ïîñëå ïîäà÷è íà âõîä

îáó÷åííîé ÈÍÑ ñèãíàëîâ, îïèñûâàþùèõ ãåîìåòðèþ ìî-

ëåêóëû, íà âûõîäíîì íåéðîíå ôîðìèðóåòñÿ ñèãíàë, ñîîò-

âåòñòâóþùèé ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè ìîëåêóëû. Îáó÷åí-

íûå òàêèì îáðàçîì ÈÍÑ ìîãóò áûòü â äàëüíåéøåì èñ-

ïîëüçîâàíû äëÿ ìîäåëèðîâàíèÿ äèíàìè÷åñêèõ ñâîéñòâ

ìîëåêóë è ìîëåêóëÿðíûõ ñèñòåì [33–35].

Íàêîíåö, ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî îäíèì èç íàèáîëåå âàæ-

íûõ íàïðàâëåíèé ïðèìåíåíèÿ ÈÍÑ â îáëàñòÿõ, ñìåæíûõ ñ

õèìèåé, ÿâëÿåòñÿ èõ èñïîëüçîâàíèå â áèîõèìèè è ñòðóêòóð-

íîé ìîëåêóëÿðíîé áèîëîãèè. Íàèáîëåå âàæíûì ïðèìåíå-

íèåì ÈÍÑ â ýòîé îáëàñòè ÿâëÿåòñÿ ïðîãíîçèðîâàíèå âòî-

ðè÷íîé ñòðóêòóðû áåëêà ïî åãî ïåðâè÷íîé àìèíîêèñëîò-

íîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè [36, 37]). Àêòóàëüíîñòü ýòîé çàäà÷è

îïðåäåëÿåòñÿ òåì, ÷òî çíàíèå ïðîñòðàíñòâåííîé ñòðóêòóðû

áåëêà êðàéíå âàæíî äëÿ âîçìîæíîñòè ïðîâîäèòü öåëåíàï-

ðàâëåííîå ñîçäàíèå íîâûõ ëåêàðñòâåííûõ ïðåïàðàòîâ, ìå-

õàíèçì äåéñòâèÿ êîòîðûõ çàêëþ÷àåòñÿ â ñâÿçûâàíèè ñ ýòèì

ÂÅÑÒÍ. ÌÎÑÊ. ÓÍ-ÒÀ. ÑÅÐ. 2. ÕÈÌÈß. 1999. Ò. 40. ¹ 5326

áåëêîì. Â ýòîì ñëó÷àå â êà÷åñòâå âõîäíûõ ñèãíàëîâ ìîæ-

íî èñïîëüçîâàòü ñâîéñòâà àìèíîêèñëîò, íàõîäÿùèõñÿ ðÿ-

äîì ñ òåêóùåé àìèíîêèñëîòîé. Âûõîäíîé ñèãíàë äàåò èí-

ôîðìàöèþ î êëàññèôèêàöèè êîíôîðìàöèè îñíîâíîé

öåïè àìèíîêèñëîòû íà òèïû, ñîîòâåòñòâóþùèå âòîðè÷íîé

ñòðóêòóðå áåëêà (α-ñïèðàëü, β-ñëîé è ò.ä.). Äëÿ ýòîé öåëè,

êàê ïðàâèëî, èñïîëüçóåòñÿ ñòàíäàðòíàÿ ÈÍÑ ñ ïðÿìûìè

ñâÿçÿìè è îáðàòíûì ðàñïðîñòðàíåíèåì îøèáîê ïðè îáó-

÷åíèè. Åùå áîëüøèé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿþò ðàáîòû ïî

ïðîãíîçèðîâàíèþ òðåòè÷íîé ñòðóêòóðû áåëêà èñõîäÿ èç

åãî ïåðâè÷íîé àìèíîêèñëîòíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè [38,

39], îäíàêî â ýòîì ñëó÷àå äîñòèãíóòûå óñïåõè íå òàê çíà-

ÑÏÈÑÎÊ ËÈÒÅÐÀÒÓÐÛ

1. Ãîðáàíü À.Í., Ðîññèåâ Ä.À. Íåéðîííûå ñåòè íà ïåðñîíàëüíîì

êîìïüþòåðå. Íîâîñèáèðñê, 1996.

2. Åæîâ À.À., Øóìñêèé Ñ.À. Íåéðîêîìïüþòèíã è åãî ïðèìåíåíèå

â ýêîíîìèêå è áèçíåñå. Ì., 1998.

3. Zupan J., Gasteiger J. Neural Networks for Chemists - An

Introduction. Weinhem, 1993.

4. Gasteiger J, Zupan J. // Neural Networks in Chemistry, Angew.

Chem. Int. Ed. Engl. 1993. 105. ¹ 4. Ð. 503.

5. Neural Networks in QSAR and Drug Design / Ed. J. Devillers. L.,

1996.

6. Áàñêèí È.È., Ãàëüáåðøòàì Í.Ì., Ïàëþëèí Â.À., Çåôèðîâ Í.Ñ.

// Èíôîðìàöèîííûå òåõíîëîãèè. 1997. ¹ 9. C. 27.

7. Áàñêèí È.È., Ïàëþëèí Â.À., Çåôèðîâ Í.Ñ. // Íåéðîêîìïüþòåð.

1997. ¹3/4. C. 17.

8. Baskin I.I., Skvortsova M.I., Palyulin V.A., Zefirov N.S. //

Foundations of Computing and Decision Sciences. 1997. 22. ¹ 2.

P. 107.

9. Tetko I.V., Villa A.E.P., Livingstone D.J. // J. Chem. Inf. Comput.

Sci. 1996. 36. ¹ 4. P. 794.

10. Áàñêèí È.È., Ïàëþëèí Â.À., Çåôèðîâ Í.Ñ. // ÄÀÍ. 1993. 332.

¹ 6. C. 713.

11. Abilev S.K., Lyubimova I.K., Baskin I.I., Halberstam N.M.

Palyulin V.A. // Karadeniz Journal of Medical Sciences 1995. 8.

¹ 4. P. 227.

12. Baskin I.I., Palyulin V.A., Zefirov N.S. 12th European Symposium

on Quantitative Structure-Activity Relationships «Molecular

Modelling and Prediction of Bioactivity», August 2328, 1998.

Copenhagen, Denmark, P. 140.

13. Áàñêèí È.È., Ïàëþëèí Â.À., Çåôèðîâ Í.Ñ. // ÄÀÍ. 1993. 333.

¹ 2. C. 176.

14. Baskin I.I., Palyulin V.A., Zefirov N.S. // J. Chem. Inf. Comput.

Sci. 1997. 37. ¹ 4. P. 715.

15. Holzgrabe U., Wagener M., Gasteiger J. // J. Mol. Graphics

1996. 14. ¹ 4. P. 185.

16. Kireev D.B., Ros F., Bernard P., Chretien J.R., Rozhkova N.I.

Computer-Assisted Lead Finding and Optimization. Current

Tools for Medicinal Chemistry. Wiley-VCH, 1997. P. 255.

17. Domine D., Devillers J., Wienke D., Buydens L. // Quant. Struct.-

Act. Relat. 1996. 15. ¹ 5. P. 395.

18. Domine D., Devillers J., Wienke D., Buydens L. // J. Chem. Inf.

Comput. Sci. 1997. 37. ¹ 1. P. 10.

19. Curry B., Rumelhart D.E. // Tetrahedron Comput. Methodol.

1990. 3. P. 213.

20. Gasteiger J., Li X., Simon V., Novic M., Zupan J. // J. Mol. Struct.

1993. 292. P. 141.

21. Robb E.W., Munk M.E. // Mikrochim. Acta [Wien], 1990.

Ð. 131.

22. Munk M.E., Madison M.S., Robb E.W. // Microchim. Acta [Wien]

1991. II. Ð. 505.

23. Thomsen J.U., Mayer B. // J. Magn. Res. 1989. 84. P. 212.

24. Kvasnicka V. // J. Math. Chem. 1991. 6. P. 63.

25. Áàñêèí È.È., Àéò À.Î., Ãàëüáåðøòàì Í.Ì., Ïàëþëèí Â.À.,

Àëôèìîâ Ì.Â., Çåôèðîâ Í.Ñ. // ÄÀÍ. 1997. 357. ¹ 1. C. 57.

26. Elrod D.W., Maggiora G.M., Trenary R.G. // J. Chem. Inf.

Comput. Sci. 1990. 30. P. 477.

27. Elrod D.W., Maggiora G.M., Trenary R.G. // Tetrahedron

Comput. Methodol. 1990. 3. P. 163.

28. Bos M., Bas A., Van-der-Linden W.E. // Anal. Chim. Acta. 1990.

233. ¹ 1. P. 31.

29. Sundgren H., Winquist F., Lukkarl I., Lundstroem I. // Meas. Sci.

Technol. 1991. 2. P. 464.

30. Wythoff B.J., Levine S.P., Tomellini S.A. // Anal. Chem. 1990. 62.

P. 2702.

31. Lebender D., Schneider F.W. // J. Phys. Chem. 1993. 97. ¹ 34.

P. 8764.

32. Hjelmfelt A. Ross J. // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1992. 89.

P. 398.

33. Blank T.B., Brown S.D., Calhoun A.W., Doren D.J. // J. Chem.

Phys. 1995. 103. P. 4129.

34. Tafeit E., Estelberger W., Horejsi R., Moeller R., Oettl K., Vrecko

K., Reibnegger G. // J. Mol. Graphics. 1996. 14. P. 12.

35. No K.T., Chang B.H., Kim S.Y., Jhon M.S., Scheraga H.A. /Chem.

Phys. Lett. 1997. 271. P. 152.

36. Qian N., Sejnowski T.J. // J. Mol. Biol. 1988. 202. P. 865.

37. Bohr H., Bohr J., Brunak S., Cotterill R.M.J., Lautrup B.,

Norskov L., Olsen O.H., Petersen S.B. // FEBS Lett. 1988. P. 223.

38. Friedrichs M.S., Wolynes P.G. // Science. 1989. 246. P. 371.

39. Bohr H., Bohr J., Brunak S., Cotterill R.M.J., Fredholm F.,

Lautrup B., Olsen O.H., Petersen S.B. // FEBS Lett. 1990. 261.

P. 43.

40. Brunak S., Engelbrecht J., Knudsen S. // J. Mol. Biol. 1991. 220.

¹ 1. P. 49.

41. Ezhov A.A., Kalambet Yu.A., Cherny D.I. // Stud. Biophys. 1989.

129. P. 183.

42. Åæîâ À.À., Òîêàåâ À.Ã., ×å÷åòêèí Â.Ð. // Íàó÷íàÿ ñåññèÿ

ÌÈÔÈ  99. Âñåðîññèéñêàÿ íàó÷íî-òåõíè÷åñêàÿ êîíôåðåíöèÿ

«Íåéðîèíôîðìàòèêà-99»: Ñáîðíèê íàó÷íûõ òðóäîâ. ×. 3. Ì.,

1999. Ñ. 182.

43. Ïðîõîðîâ Ð.Â. // Íàó÷íàÿ ñåññèÿ ÌÈÔÈ  99. Âñåðîññèéñêàÿ

íàó÷íî-òåõíè÷åñêàÿ êîíôåðåíöèÿ «Íåéðîèíôîðìàòèêà-99».

Ñáîðíèê íàó÷íûõ òðóäîâ. ×. 3. Ì., 1999. Ñ. 204.

44. Hirst J.D., Sternberg M.J. // Protein Eng. 1991. 4. ¹ 6. P. 615.

45. Hirst J.D., Sternberg, M.J.E. // Biochemistry. 1992. 31. ¹ 32.

P. 7211.

Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 23.04.99

÷èòåëüíû, êàê ïðè ïðîãíîçèðîâàíèè âòîðè÷íîé ñòðóêòóðû

áåëêà. Äðóãèì íàïðàâëåíèåì ïðèìåíåíèÿ ÈÍÑ â ìîëåêó-

ëÿðíîé áèîëîãèè ÿâëÿåòñÿ àíàëèç ãåíåòè÷åñêîé ïîñëåäîâà-

òåëüíîñòè è ðàñïîçíàâàíèå âàæíûõ ó÷àñòêîâ ãåíîâ, íàïðè-

ìåð ïðîìîòîðîâ èõ ýêñïðåññèè, ó÷àñòêîâ êîäèðîâàíèÿ áåë-

êîâ, ó÷àñòêîâ ñâÿçûâàíèÿ ñ áåëêàìè, à òàêæå âûäåëåíèå

ñêðûòûõ ïåðèîäè÷íîñòåé (ìîòèâîâ) [40–43]. ÈÍÑ òàêæå

èñïîëüçóþòñÿ äëÿ ïðîãíîçèðîâàíèÿ ìåñò ñâÿçûâàíèÿ â áåë-

êàõ ñ íóêëåèíîâûìè êèñëîòàìè, äðóãèìè áåëêàìè èëè ñ

íèçêîìîëåêóëÿðíûìè ëèãàíäàìè [44, 45]. Ðåçóëüòàòû ïî-

äîáíûõ ïðîãíîçîâ ìîãóò áûòü â äàëüíåéøåì èñïîëüçîâàíû

ïðè ðàçðàáîòêå íîâûõ ýôôåêòèâíûõ ëåêàðñòâåííûõ ñðåäñòâ.