耗时3年,400万名游戏玩家终于联手打败了最先进的计算机算法

作者: 黄⾬佳

来源: 环球科学

发布日期: 2024-05-16 22:01:41

《⽆主之地·科学》是一款结合了游戏与科学的迷你游戏,通过400万名玩家的参与,成功设计出超越现有最先进算法的多序列比对算法,并发表在国际顶级期刊《自然·生物技术》上。这款游戏利用玩家的直觉和全局视角,帮助科学家解决了基因序列比对中的复杂问题,特别是在肠道微生物基因组序列的比对上取得了重大突破。

众⼈拾柴⽕焰⾼。《⽆主之地》(Borderlands)是⼀款第⼀⼈称射击类⻆⾊扮演游戏。如果你玩过它的最新作——《⽆主之地3》,或许会对这样⼀个场景有些印象:“避难所3号”(Sanctuary III)⻜船上有⼀个街机,点击它,你便会离开游戏主线剧情,进⼊⼀个复古的迷你游戏界⾯。这个街机游戏看上去有些像俄罗斯⽅块,不同颜⾊的图案⽅块排成7~20列。

你的任务是通过放置有限的间隔⽅块(下图中的⻩⾊箭头⽅块),使每⼀列的图案⽅块尽可能地与最左侧的参考图案“对⻬”,即将相同图案放置在同⼀⾏。对⻬程度越⾼,分数就越⾼,奖励的游戏代币也越多,最⾼甚⾄可达数千枚代币,⽽代币能⽤来购买游戏⽪肤和多种增加主线游戏武⼒值的升级包。

全球共有超过400万名游戏玩家玩过这款名为《⽆主之地·科学》(Borderlands Science)的迷你游戏,你或许也是其中⼀员。你⼀定难以想象,如今,这款游戏创造的数据打败了最先进的计算机算法,并作为论⽂的“核⼼科技”,发表在国际顶刊《⾃然·⽣物技术》(Nature Biotechnology)上。

其实,这款迷你游戏中的每⼀列图案⽅块并⾮随机排列,⽽是有着真实世界的依据——肠道微⽣物的基因组序列。每⼀列图案⽅块都代表⼀个DNA⽚段,每种图案⽅块都对应⼀种DNA核苷酸(A、T、C和G)。这些序列来⾃⼈类微⽣物组研究项⽬Microsetta Initiative的⼀个⼦项⽬,共包含95.3万条肠道微⽣物的基因组⽚段,均位于16S核糖体RNA(rRNA)基因的特定区域。

在我们的身体上,只有43%的细胞属于⾃⼰,剩下的⼤多数“居⺠”都是外来的微⽣物。科学研究表明,肠道微⽣物与糖尿病、抑郁症和⾃闭症等多种疾病有关。如果能得知肠道中有哪些种类的微⽣物以及它们的亲缘关系,就能更多地了解肠道微⽣物的功能。⽽特定的基因序列越相似,通常也意味着两个物种的亲缘关系更近。

在《⽆主之地·科学》中,玩家看似是在对⻬多列图案⽅块,其实是在帮科学家设计⼀种同时⽐对多条基因组序列的“算法”。游戏界⾯最左侧的参考图案是经计算机分析得出的这近⼀百万条序列的共同点,⽽玩家的操作实际上是在同时⽐对多个序列与样本“中间值”的差异。你⼀定⼗分疑惑,⽐对相似的序列并获得⾼分,这听上去是计算机⼗分擅⻓的事情。我们的⼈⼯智能如今已如此发达,为何还需要游戏玩家来做这种事呢?

这是因为,序列⽐对并没有标准答案,科学家⽆法给⼈⼯智能提供⼀个参考“题库”,告诉它输⼊某种序列后应该⽣成怎样的⽐对。⽐对序列实际上是在两个相互⽭盾的⽬标——对⻬核苷酸和减少缺⼝(即游戏中的间隔⽅块)数量——之间寻找平衡点。2020年4⽉7⽇,《⽆主之地·科学》正式上线。上线仅⼀年,玩家就贡献出了7500万个序列⽐对的解决⽅案(平均每个谜题43个⽅案)。

截⾄2023年5⽉,共有超过400万名游戏玩家完成了⾄少⼀道谜题(不含教学关卡),参与率⾼达90%。实验结果表明,利⽤《⽆主之地·科学》数据得到的多序列⽐对算法,已经超过了其他此前最先进的多序列从头⽐对算法(PASTA、MUSCLE和MAFFT),它绘制了迄今质量最⾼的肠道微⽣物组的系统发育树。《⽆主之地·科学》也成了迄今规模最⼤、成就最⾼的公⺠科学项⽬之⼀。

其实,《⽆主之地·科学》背后的团队——⼤型多⼈在线科学(MMOS)公司早已推出过其他类似的项⽬。2010年,他们曾推出⼀款名为Phylo的在线休闲益智游戏。

与《⽆主之地·科学》⼗分类似,Phylo同样是让玩家⽐对DNA序列,只不过数据来源是约⼀百个哺乳动物基因(包括⼈类基因)的启动⼦序列,规模远⼩于此次;⽽且科学家事先知道每条序列的来源,因此可以根据已有的信息评估玩家解法的优劣,但《⽆主之地·科学》中序列的这类信息并不为⼈所知。从上图的游戏界⾯你就能看出,这款游戏⻓得⼗分“硬核”,很容易劝退普通玩家(参与率只有10%)。

于是,MMOS公司在2019年决定开发⼀款规则更简单、更有趣、更容易被普通玩家接受的游戏。他们不仅缩短了游戏时⻓,还将它与⼀款热⻔的在线游戏结合,适配了游戏⼿柄,⽽且引⼊了奖励机制,甚⾄给⼩游戏的载体(街机)创作了⼀段故事,让它与游戏中最受欢迎的⻆⾊之间产⽣关联,以吸引该⻆⾊的粉丝。《⽆主之地·科学》就是这样诞⽣的。

《⽆主之地·科学》帮科学家重建了肠道微⽣物组的演化史,极⼤程度增进了⼈们对该领域的了解。因此,如果你也曾经玩过这款游戏,记得给⾃⼰点个赞,毕竟这项科学突破(和这篇顶刊)也有你的⼀份功劳哦!

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