亞馬遜河及其周?chē)纳鷳B(tài)系統(tǒng)是世界上生物多樣性最豐富的。但考慮到大約30英尺的人體胃腸(GI)道，它有一些競(jìng)爭(zhēng)。這種微生物組 - 特定環(huán)境中微生物的總和 - 一直是卡內(nèi)基梅隆電氣和計(jì)算機(jī)工程(ECE)教授Radu Marculescu最近的研究重點(diǎn)。

“結(jié)果發(fā)現(xiàn)，人類(lèi)[GI]微生物組中發(fā)生的相互作用比我們?cè)认胂蟮囊嗟枚啵?rdquo;Marculescu說(shuō)。“人們將微生物組的變化與抑郁，感染甚至癌癥聯(lián)系起來(lái)，因此它有點(diǎn)像人類(lèi)的第二腦。”

Marculescu和ECE博士。學(xué)生Chieh Lo開(kāi)發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法 - 稱(chēng)為MPLasso--它使用數(shù)據(jù)來(lái)推斷GI微生物組中微生物之間的關(guān)聯(lián)和相互作用。MPLasso從過(guò)去幾十年開(kāi)始挖掘醫(yī)學(xué)和科學(xué)文獻(xiàn)，尋找關(guān)注各種微生物相互作用和關(guān)聯(lián)的研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。MPLasso將這些不同的信息提取到一個(gè)集中的數(shù)據(jù)集中，該數(shù)據(jù)集對(duì)人體胃腸道內(nèi)的微生物相互作用進(jìn)行編目。

機(jī)器學(xué)習(xí)是這種調(diào)查的一種新方法。Marculescu基于CMU的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)組負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)研究，似乎是解決此類(lèi)項(xiàng)目的最佳場(chǎng)所。通過(guò)這樣做，他找到了一種方法，可以為醫(yī)學(xué)研究人員和專(zhuān)業(yè)人員提供推斷的微生物相互作用目錄，從而加強(qiáng)對(duì)這些相互作用如何影響和影響人類(lèi)健康的理解。

到目前為止，要好好了解微生物如何在人體胃腸道中相互作用一直存在挑戰(zhàn)。Marculescu知道，在設(shè)計(jì)可吸收藥丸和細(xì)菌等先進(jìn)技術(shù)為主流應(yīng)用做好準(zhǔn)備之前還需要數(shù)年時(shí)間，但他認(rèn)為MPLasso是幫助研究人員更好地了解人體胃腸道中微生物如何共存的重要一步。

Marculescu說(shuō)這種類(lèi)型的信息對(duì)于預(yù)防醫(yī)學(xué)非常有價(jià)值，因?yàn)樗鼮榻沂疚⑸锵嗷プ饔萌绾无D(zhuǎn)化為健康或生病的人奠定了基礎(chǔ)。如果研究人員首先了解微生物存在以及它們?nèi)绾喂餐饔?，那么他們就可以開(kāi)始建立微生物相互作用和各種類(lèi)型疾病之間的因果關(guān)系。

“研究人員還觀察了真實(shí)的實(shí)驗(yàn)。他們觀察到微生物在身體各種事件中的存在和相互作用，”Marculescu說(shuō)。“基于此，人們可以推斷出具有預(yù)測(cè)性的互動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。”

MPLasso在其推斷的關(guān)聯(lián)和相互作用中表現(xiàn)出95%的準(zhǔn)確性，因?yàn)樗鉀Q了人類(lèi)微生物組數(shù)據(jù)的高維度和組成性問(wèn)題。高維度是指存在的潛在微生物關(guān)聯(lián)和相互作用的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于任何給定數(shù)據(jù)庫(kù)中可用的樣品數(shù)量。成分?jǐn)?shù)據(jù)提供的數(shù)字占整體的百分比，而不是精確的測(cè)量值。

Marculescu和Lo通過(guò)GitHub公開(kāi)發(fā)布了MPLasso。當(dāng)研究人員將其下載供自己使用時(shí)，他們也可以將自己的數(shù)據(jù)上傳到平臺(tái)。MPLasso為數(shù)據(jù)庫(kù)提供了用戶友好的界面，該界面不斷更新，因?yàn)樗粩嗤诰蛐律蟼鞯南嚓P(guān)數(shù)據(jù)。

“你會(huì)看到昨天和幾個(gè)月之前的差異，因?yàn)樗惴〞?huì)自動(dòng)收集和改進(jìn)你的模型，”Marculescu說(shuō)。“你今天的模型比兩周前或兩個(gè)月前的模型更好，僅僅是因?yàn)槿绻袌?bào)道說(shuō)你所看到的東西與你所看到的東西一致，那么這種聯(lián)想會(huì)變得更強(qiáng)大。”

人體胃腸道是Marculescu所說(shuō)的“為人體帶來(lái)巨大潛在問(wèn)題”的東西。由于其生物多樣性可與亞馬遜的生物多樣性相媲美，因此了解我們胃腸道中的所有生物如何相互作用并影響我們將是一個(gè)強(qiáng)大的有用工具。Marculescu的工作將有助于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

閱讀Marculescu和Lo的研究論文，最近發(fā)表在PLOS Computational Biology上。