不完全免疫算法入门--AIS学习笔记1

“参考文献 感谢以下论文和论文作者，各位专家教授 ^ _ ^ [1] 人工免疫优化与分类算法及其应用研究 -王炼红

人工免疫算法和遗传算法的区别

• 免疫算法和进化计算都采用群体搜索策略，并且强调群体中个体间的信息交换，因此有许多相似之处。首先在算法结构上，都要经过"初始种群产生一评价标准计算一种群间个体信息交换一新种群产生"这一循环过程，最终以较大概率获得问题的最优解；其次在功能上，二者本质具有并行性，在搜索中不易陷入极小值，都有与其它智能策略结合的固有优势；最后，在主要算子应用上也基本相同。但是，他们之间也存在区别：免疫算法在记忆单元基础上运行，确保了快速收敛于全局最优解，而进化算法只是基于父代群体，标准遗传算法不能保证概率收敛；免疫算法的评价标准是计算亲和力，包括抗体一抗原及抗体一抗体之间的相似度，而进化算法则是简单计算个体的适应度；免疫算法通过促进或抑制抗体的产生，体现了免疫反应的自我调节功能，保证了个体的多样性。而进化算法只是根据适应度选择父代个体，并没有对个体多样性进行调节；虽然交叉变异等固有的遗传操作在免疫算法中广泛应用，但是免疫算法新抗体的产生还可以借助克隆选择、免疫记忆、疫苗接种等传统进化算法中没有的机理

免疫系统的应答

• 抗原性物质进入机体后激发免疫细胞活化，分化和效应过程称之为免疫应答(Immune Response)。图中显示为免疫应答示意图。免疫系统有两种免疫应答类型：

1. 一种是遇到病原体后，首先并迅速起防卫作用的称为固有免疫应答；
2. 另一种是适应性免疫应答。固有免疫应答中，执行固有免疫功能的有皮肤和粘膜的物理阻挡作用及局部细胞分泌的抑菌、杀菌物质的化学作用等。固有免疫一般发生在感染的早期。

• 适应性免疫应答是以T细胞和B细胞为执行载体的。它们在免疫过程中帮助识别和破坏清除一些特定物质(抗原)。抗原就是任何能被T细胞和B细胞识别并刺激T及B细胞进行特异性免疫应答的物质。B细胞是抗体的唯一产生者，但是当B细胞识别到抗原的时候，只有在与抗原的匹配程度超过某一阈值的时候，才有可能分化成浆细胞，否则没有达到阈值的B细胞就会凋亡。即使超过了阈值，B细胞并不能马上分化成浆细胞，而需要在T细胞也同时检测到B细胞提呈的抗原缩氨酸之后，由T细胞分泌刺激物对B细胞进行刺激，B细胞才会分化成浆细胞制造大量的抗体，没有T细胞的协同刺激，B细胞就不能分化。
• B细胞和T细胞表面都存在大量的抗原识别受体，这些受体通过对于特定的抗原决定基高度特异的来识别抗原。T细胞表面的抗原识别受体称为T细胞受体，B细胞表面的抗原识别受体称为B细胞识别受体，简称抗体。B细胞抗体与完整的抗原分子表面上的抗原决定基相互作用，当B细胞的抗体能够完全或者部分识别抗原表面的抗原决定基的时候，B细胞就通过克隆扩增，进入到高频变异和受体编辑阶段，实现对抗原决定基的高度特异识别。T细胞只与细胞表面分子进行相互作用。T细胞分泌能够杀死或者促进其他细胞(如B细胞)生长的化学物质，在免疫调节中起重要的作用，通过识别细胞表面的异常分子，T细胞必须判断是采取直接溶解该细胞，还是寻求与其它细胞进行合作来清除该细胞。
• T细胞和B细胞与抗原结合后开始活化，但活化后并不立刻表现出防卫功能，而是经过免疫应答过程，约4～5天后才生成效应细胞，对已被识别的病原体施加杀伤进行破坏并清除。适应性免疫应答是继固有免疫应答之后发挥效应的，在最终清除病原体、促进疾病治愈及在防止再感染中起主导作用。适应性免疫应答又分为两种类型：初次应答和二次应答。

初次免疫应答

• 初次免疫应答发生在免疫系统遭遇某种病原体第一次入侵时。此时免疫系统对感染产生大量抗体，帮助清除体内抗体。图为免疫应答过程示意图，x轴表示时间天数，y轴表示抗体浓度。

• 由图中可以看出，当免疫系统第一次遭遇病原体时的初次应答中，抗体浓度开始升高，但在几天以后抗体的浓度水平又开始下降，直到再次遇到同种抗原。初次应答是对以前从未见过的病原体的应答过程，因此应答的过程很慢，需要较长的时间来清除病原体。

二次免疫应答

• 初次免疫应答时，免疫系统首次遭遇抗原并将其清除出体外，但免疫系统中仍保留一定数量的B细胞作为免疫记忆细胞，这使得免疫系统能够在再次遭遇异物后仍能快速识别并清除抗原，这个过程称为二次免疫应答。二次免疫应答是在初次免疫应答分化遗留下来的记忆细胞的基础上实现的，如图中所示，当初次免疫应答遭遇过的相同抗原或类似抗原出现时，免疫记忆细胞迅速从休眠状态活化，并通过克隆增生过程产生大量的B细胞和抗体，中和入侵的抗原， 因此应答的反应速度非常快，省去了学习的时间，这就是免疫系统的实现自适应应答的一种重要机制，即免疫记忆。 二次免疫应答中，对引起初始免疫反应及造成免疫系统B细胞和抗体数量迅速增加的抗原是特异的，必须是以前曾经遭遇过的相同或类似的抗原。

克隆选择与扩增

克隆选择

• 克隆选择原理的基本思想是只有那些能够识别抗原的细胞_才能进行扩增，只有那些细胞才能被免疫系统选择并保留下来，而那些不能识别抗原的细胞则不被选择，也不进行扩增。克隆选择与达尔文变异和自然选择过程类似，只是应用于细胞群体：克隆竞争结合病原体，亲和力最高的是最适应的，因此复制得最多。
• 1959年Bumet提出了克隆选择学说，该学说认为，免疫细胞是随机形成的多样性的细胞克隆，每一克隆的细胞表达同一特异性的受体，当受到抗原的刺激，细胞表面受体特异识别并结合抗原，导致细胞进行克隆扩增，产生的大量后代细胞，合成大量相同的特异性抗体。
• 免疫系统中大量抗体分子的多样性是其能够识别抗原，并有效保护机体的关键所在。人类免疫系统的淋巴细胞群在任何时候都能表达高达10^7个不同类型的抗体，虽然。所以当机体遭遇一个外部生物体入侵的时候，淋巴细胞能够以非常高的概率有效识别并清除它。克隆选择原理中的克隆是对那些能够识别抗原具有高亲和力的细胞的克隆，那些不能识别抗原的细胞将会死亡或者被其他的高亲和力的细胞或机体新产生的细胞所替代。而且免疫系统中的克隆也是自适应的，也呈现出一种变异机制，在克隆过程中，抗体的可变区将会发生高频的点变异，使抗体有可能对抗原具备更高的亲和力。当抗体对抗原具有很高的亲和力时，B细胞将开始复制分化出大量的浆细胞，这种短期存活的浆细胞将会分泌大量的抗体。与此同时，B细胞也会分化出少量的带有抗体的免疫记忆细胞，记忆细胞不分泌抗体，且一般处于休眠状态，只有受到相同的抗原再次刺激后才会迅速分化成浆细胞。

克隆扩增

• 克隆扩增是指少数与抗原结合亲和力较高的B细胞通过分裂产生大量相同的B细胞。B细胞抗体识别并特异结合抗原分子而活化，在B细胞生长因子的作用下细胞进行扩增，导致克隆扩增，即由表达一种抗体决定基的一个B细胞分裂产生很多后代B细胞，它们均表达同一种抗体决定基。当B细胞克隆扩增时，它经历一个自我复制超变异的随机过程，免疫系统此时产生大量的抗体从体内清除感染的抗原，并为抵制下一次某个时候类似但不同的感染做好准备 在某些情况下，克隆是通过细胞变异形式完成的，这一机制使免疫系统具有自适应性，也就是通过调整特殊的变异机制产生抗体分子基因密码变异。在克隆扩增过程之中，同时也会产生一定数量的自由抗体，图为克隆选择扩增原理示意图。