激发科学和医学领域的下一代发现

人如其食:人工智能和人类微生物组

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“相信你身体发出的信号”,的确是一个很好的建议。研究人员在不遗余力地向我们展示,我们体内的肠胃等器官状态对我们的生活质量有着具有巨大且往往看不见的影响。

消化道和皮肤上的细菌、真菌、病毒和原生动物被称为微生物群系或微生物组,会对我们的健康、福祉、情绪、寿命甚至体重产生重大影响。微生物组研究人员认为,就人类生命而言,微生物组扮演的角色可能与 DNA 同等重要。

微生物组与 DNA 一样,都很复杂。其包含超过 100 万亿个生物体,其遗传物质比人类基因组多 200 倍。若要分析一个人的肠道菌群,可能一辈子的时间也不够。

在人工智能(AI)和先进的计算机硬件帮助下,该项任务的时间被缩短到以分钟计算,可虚拟识别人体生物群系中的每个微生物,检测人眼不可见的模式和变化,并分析其相互作用。

NIH 人类微生物组项目”等微生物组研究旨在显示人类微生物组的可行性,目标是能够更好地诊断、治疗疾病。

遗传学和微生物学

近年来,遗传学占据了科技和人类健康类新闻的大部分版面。“人类基因组计划”的测序项目于 2003 年完成,绘制了所有 20,500 个人类基因,由 30 亿个化学碱基对组成。现在,科学家们可以了解基因在 DNA 链中的位置及其可能的功能,便于更具针对性地向患者提供医疗服务。

最近,为了解人类健康及其改善方法,微生物群系受到了越来越多的关注。之所以对其产生兴趣是因为:尽管微生物组的存在早已为人熟知,但其复杂的组成限制了研究人员理解微生物组的能力。直至现在。

我们的体内都包含很多微生物细胞,这些微生物细胞的组成和结构与我们的身体细胞大不相同。实际上,微生物组本身就是一种有生命的有机体,约 5 磅重。这些细胞填充我们的消化道、内脏器官、嘴、鼻子、眼睛和皮肤。微生物组的组成因人而异,由数百万个基因组成,与身体的基因组以及我们的免疫系统相互作用,从而形成健康的状态或产生疾病。

基因组学和生物组学就像两个精心设计的谜题一样,揭示了很多人类构成的秘密。正如 Micron 美光副总裁 Sumit Sadana 最近在旧金山举行的 Micron Insight 2018 年大会上所言,“研究者们正在致力于破解这些代码。”

隐藏的奥秘

激动人心又令人费解的基因组学和生物组学研究可能会为我们打开一扇了解未来的窗口。我们的 DNA 和微生物组状态可以提供哪些关于我们自身、现在和未来的信息?可以如何预测我们的健康情况?我们容易患有哪些疾病?

在遗传学领域,科学家们寻找个体基因或基因组的缺陷,以确定一个人染上阿尔茨海默氏症等某些疾病的可能性。将来,治疗过程可能会变成替换或修复那些突变基因(即基因治疗)。不过我们现在还是无法改变基因;我们能做的选择是改善我们的健康。

然而,通过饮食改变、药物、甚至锻炼,人类的微生物组可能很快发生改变。因此,通过仔细检查肠道,我们能够发现疾病出现和扩散的迹象,这对于改善我们的健康状况,甚至延长寿命都至关重要。

借助科学研究领域的人工智能和机器学习,科学家尽可能多地采集人的微生物学特征,以了解发生疾病变化的表征。研究者也可通过操纵生物群系,找到抵御、甚至治愈疾病的方法。

如果我们认为每个微生物组都不同,则可根据个体基因突变和生物组成对症下药。据此,研究者正在从简单的诊断向预防医学和个人医学转变。

  • 预测性:研究认为,在发病或病情发展之前的几个月、甚至是几年内,人类的微生物组都有可能发生变化。但饮食、压力、锻炼和其他因素也可以改变微生物组。医学科学家正在努力了解哪些变化是由于生活方式的不同,又有哪些变化表示疾病的出现。检测健康人体的微生物组,提供基线指标,借此分析这段时间内的变化。
  • 预防性:研究者正在寻找填充人体系统及其活动的微生物类型,以找到抵御糖尿病、癌症和痴呆症等疾病的建议。研究者希望将基因数据与微生物组数据相结合,以提供预防性护理。
  • 个性化:直至今日,基于人体独特生物学特点的“个性化”或“精确”治疗主要依赖家族史和 DNA 分析。研究者希望通过微生物组包含的数据做出更为准确的治疗选择。

在每个人的生物群系中检测数百万亿微生物,分析速度可能比预期速度慢。通过改进后的、高级计算机系统(采用 Micron 美光内存设备)支持的人工智能技术,研究者可在几分钟内完成数年的人力工作(人力工作也并不一定能成功完成)。

比如,国家人类基因组研究所认为需考虑到技术如何加速基因测序(并减少成本):

  • 基因测序开始于 1990 年,历时 13 年完成,花费了 10 亿美元。
  • 10 年后,DNA 测序只花了两至三天,花费 5,000 美元。
  • 如今,单人基因测序仅需 20 分钟,花费 600 美元。

Micron 美光业务开发经理 Eric Caward 表示:“完成这个重要的人类健康分析所需的时间和成本只会随着内存技术的改进而降低。”微生物组分析领域同样可通过更快速度、更高容量和更复杂的人工智能技术实现。

Sadana 认为到 2021 年,人工智能服务器所需的 DRAM 内存预计将较标准、非人工智能服务器多 7 倍,较 NAND 闪存多两倍。“内存是人工智能技术需要的原材料。”

众多项目

研究者正在探究微生物组采样和分析对健康诊断和护理的益处。很快,护理人员就可收集我们的微生物组样本、血液和尿液,作为常规健康检查的一部分。

为了使该样本分析更有意义,科学家需要数据库的辅助。美国国家卫生研究院的“我们所有人”计划旨在采集 100 多万人的数据,包括微生物组采样数据,以有助于更准确的医疗用途。美国国家卫生研究院的“人类微生物组计划”(已停止)开展了许多关于肠道菌群对人类各方面健康作用的研究。目前很多其他项目正在进行中,希望可以实现以下目标:

  • 改善免疫系统。将微生物组看作免疫系统调节剂的这一观点已被广泛接受。从婴儿时期开始,肠道中的细菌就开始教我们的免疫系统“如何好好表现”(引用 ScienceNordic 中的一篇文章)。这些生物也会影响消化道和其他器官的炎症情况。
  • 预防霍乱。来自杜克大学、麻省综合医院和孟加拉国达卡国际腹泻病研究中心的研究者正在通过机器学习算法检测消化系统中的细菌群落活动模式 - 人类通过肉眼基本无法看到这些活动。由于并非所有接触霍乱的人都患上腹泻疾病,因此人工智能可以帮助研究人员了解其被研究者是否有风险及其原因。其还有助于疫苗的开发。
  • 药物相互作用。根据美国国家医学图书馆摘要,我们认为微生物组的组成影响药物治疗的反应,以及某些药物的代谢程度。
  • 老化。微生物组对健康老化的作用是加州大学圣地亚哥分校和 IBM 研究院的健康生活人工智能中心的研究重点之一。该中心研究遗传学、环境因素、日常生活习惯和人类微生物组对老年人认知能力的影响。现已证实,帕金森病和其他老龄疾病都与微生物组有关。该中心采用人工智能技术,筛选并分析抽样中提供的大量数据。

视脐或仔细检查肠道

医疗领域可通过人工智能算法,更好地了解微生物组的复杂组成和相互作用,并查找人类研究者无法发现的相关联系。结果可能会为糖尿病、癌症等众多疾病的治疗带来突破性进展。但是,目前的分析主要限于将数据库中的个人微生物组与其他人比较。

Micron 美光公司的 Patricia Reiter 委托其中一家提供该服务的公司对其微生物组进行分析。客户先邮寄少量粪便过去,接下来就可以收到书面的分析结果了。Reiter 之所以选择该项服务,是因为她有消化方面的问题。报告结果令她感到惊讶:她是一名鱼素者,但报告显示她的饮食不够多样化。

送回样本时,她对此还持怀疑态度。Reiter 表示:“他们排除了很多可能性,如乳糜泻和克罗恩病。我原本以为是疾病或其他原因导致这些问题。这个报告结果令我安心,我知道了我没有生病,而且如果饮食再多样化一点,报告的结果还会更好。”

特别值得一提的是,报告建议她增加“益生元”(芦笋、香蕉、燕麦和苹果)和“益生菌”食品(酸奶、康普茶、泡菜和其他发酵食品与饮料)的摄取。尽管菊芋和牛蒡等一些推荐的食品对她来说很陌生,但是她希望通过饮食的改变来改善整体健康。

人工智能的力量

在分析这些复杂的微观生物的组成、结构和相互作用时,人类需要机器的帮助。幸运的是,带宽、内存和速度的进步为人工智能技术铺平了道路 - Micron 美光在上述领域名列前茅

为实现上述新功能,Micron 美光开发了三款必要的内存产品:低功耗、高密度的 DRAM;高速运行的 NAND 闪存和 3D XPoint™ 技术。

Sadana 表示:“Micron 美光云数据中心的产品组合是完整的人工智能产品组合,它可以扩展到各个层次。

研究者希望可以告别‘一刀切’的模式。”不再猜测。基因组学、生物组学、活体组织检查、虚拟和预测诊断以及其他人工智能辅助领域可实现比以往更具预防性、预测性和个性化的精准用药,为人类带来更长寿命、更加优质和幸福的生活。

Sadana 表示:“人工智能将改变医疗领域。”那些转变正在由内而外地进行中。

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