少吃點(diǎn)真的能改變“命運(yùn)”？——人如其食：人工智能和人類微生物組

最近，研究人員正在努力證明，我們的胃、腸道和身體其它部位發(fā)生的事情對我們的生活質(zhì)量有著巨大的影響，而且這種影響往往是無形的。

我們消化道和皮膚上的細(xì)菌、真菌、病毒和原生動(dòng)物——也就是我們所說的微生物群落，或微生物組——可能在決定我們的健康、幸福感、情緒、壽命甚至體重方面發(fā)揮著巨大的作用。微生物組研究人員認(rèn)為，在決定個(gè)人命運(yùn)方面，微生物組可能發(fā)揮著與DNA同樣重要的作用。

和DNA一樣，微生物組也非常復(fù)雜。它由超過100萬億生物組成，包含的遺傳物質(zhì)是人類基因組的200倍。僅僅分析一個(gè)人的腸道菌群就可能需要一生的時(shí)間。

而在人工智能(AI)和最先進(jìn)的計(jì)算硬件的幫助下，這項(xiàng)任務(wù)已經(jīng)縮短到幾分鐘，只需掃視一眼，就能識(shí)別人體生物群系中的每一種微生物，檢測人眼看不到的模式和變化，并分析它們之間的相互作用。

“美國國立衛(wèi)生研究院人類微生物組計(jì)劃”這樣的微生物組研究的目標(biāo)就是證明對人類微生物組進(jìn)行表征的可行性，以期更好地診斷和治療疾病。

你的身體密碼：除了基因，還有微生物組

說到技術(shù)和人類健康，遺傳學(xué)近年來最受矚目。

人類基因組計(jì)劃的DNA測序項(xiàng)目于2003年完成，繪制了由30億個(gè)化學(xué)堿基對組成的20500個(gè)人類基因的圖譜?，F(xiàn)在，科學(xué)家們可以了解哪些基因位于DNA鏈中的哪個(gè)位置，以及它們的功能可能是什么，從而為每個(gè)患者量身定制醫(yī)學(xué)治療方案。

近年來，為了了解人類健康及改善健康的途徑，微生物組受到了越來越多的關(guān)注。盡管微生物組早已為人所知，但其復(fù)雜的構(gòu)成限制了研究人員理解它的能力。直到現(xiàn)在也是如此。

我們的身體至少包括和人類一樣多的微生物細(xì)胞——這些細(xì)胞在組成和結(jié)構(gòu)上與我們身體的細(xì)胞有所不同。事實(shí)上，微生物組本身就是一個(gè)有生命的有機(jī)體，重約5磅。這些細(xì)胞充斥著我們的消化道;內(nèi)部器官;以及我們的嘴，鼻子，眼睛和皮膚。微生物群落的組成因人而異，它由數(shù)百萬個(gè)基因組成，人們普遍認(rèn)為，它們與人體基因組以及免疫系統(tǒng)相互作用，從而產(chǎn)生健康或生病的條件。

基因組學(xué)和生物組學(xué)就像兩個(gè)復(fù)雜的謎題一樣，可能會(huì)揭示出許多造就人類的秘密，正如美光執(zhí)行副總裁兼首席商務(wù)官Sumit Sadana在最近于舊金山舉行的 Micron Insight’18大會(huì)上所述，“這些就是研究人員試圖破解的密碼?！?/span>

微生物組如何定義我們?

基因組學(xué)和生物組學(xué)研究最令人興奮和困惑的方面之一就是它們可能提供通向未來的窗口。我們的DNA和微生物組如何定義現(xiàn)在和未來的我們?它們?yōu)槲覀兊慕】底龀隽四男╊A(yù)測?我們?nèi)菀谆寄男┘膊?

在遺傳學(xué)中，科學(xué)家尋找一個(gè)基因或一組基因的缺陷，以確定一個(gè)人患某些疾病(如阿爾茨海默氏癥或糖尿病)的可能性。未來，治療方式可能包括替換或修復(fù)這些突變基因(也被稱為基因療法)。不過，就目前而言，我們只能依靠基因;我們能做的最好的事情就是選擇能提高我們健康幾率的生活方式。

然而，一個(gè)人的微生物組可能會(huì)通過飲食變化、某些藥物甚至鍛煉而迅速改變。因此，能夠通過檢查腸道來發(fā)現(xiàn)正在發(fā)展或即將發(fā)生的疾病的跡象——這對于改善健康，甚至延長壽命，都是非常寶貴的。

利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)，科學(xué)研究旨在隨著時(shí)間的推移捕捉盡可能多的人的微生物學(xué)特征，以了解哪些變化預(yù)示著潛伏的疾病。研究人員也可能通過操縱生物群系而找到預(yù)防甚至治愈疾病的方法。

這個(gè)理念就是：既然每個(gè)微生物組各不相同，那么每種治療方式都可以根據(jù)個(gè)體基因突變和生物構(gòu)成而進(jìn)行調(diào)整。因此，研究人員正努力從簡單的診斷轉(zhuǎn)向預(yù)防和個(gè)性化醫(yī)療。

預(yù)測性：人們認(rèn)為，在生病前的幾個(gè)月甚至幾年，人體微生物組就會(huì)發(fā)生變化。但是飲食、壓力、鍛煉和其它因素也會(huì)改變微生物組。醫(yī)學(xué)科學(xué)家正在努力了解哪些變化是由于生活方式的差異而造成的，哪些預(yù)示著新生疾病。檢查健康人的微生物組可以提供一個(gè)基線，以便分析任何隨時(shí)間而發(fā)生的變化。

預(yù)防性：研究人員希望利用充斥人體系統(tǒng)的微生物種類及其活動(dòng)，幫助提出有可能預(yù)防糖尿病、癌癥和癡呆癥等疾病的建議。研究人員希望把基因數(shù)據(jù)與微生物組數(shù)據(jù)相結(jié)合，作為預(yù)防保健的兩連擊。

個(gè)性化：到目前為止，“個(gè)性化”或“精準(zhǔn)”醫(yī)療主要依賴于家族史和DNA分析。在“個(gè)性化”或“精準(zhǔn)”醫(yī)療中，治療方法因個(gè)人獨(dú)特的生物學(xué)特性而異。研究人員正在通過來自微生物組的數(shù)據(jù)，尋求更精確的治療方案。

由于每個(gè)人的生物群系中都有數(shù)以萬億計(jì)的微生物需要檢測，因此分析速度一直低于預(yù)期。隨著先進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及美光內(nèi)存驅(qū)動(dòng)的人工智能的進(jìn)步，研究人員有望在幾分鐘內(nèi)完成人類需要多年才能完成的事情。

讓我們來看看技術(shù)是如何加快基因組測序并降低成本的吧!根據(jù)美國國家人類基因組研究所的數(shù)據(jù)：

第一次人類基因組測序開始于1990年，耗時(shí)13年完成，耗資10億美元。

10年后，DNA測序耗時(shí)兩三天，花費(fèi)5000美元。

如今，對一個(gè)人的完整基因組進(jìn)行測序只需要20分鐘，花費(fèi)僅600美元。

“隨著內(nèi)存技術(shù)的進(jìn)步，完成這項(xiàng)對人類健康至關(guān)重要的分析的時(shí)間和成本只會(huì)越來越少。微生物組分析也是如此，通過更快、容量更大和更復(fù)雜的人工智能技術(shù)，分析微生物組成為可能。”

“2021年，我們預(yù)計(jì)，用于人工智能的服務(wù)器將需要比標(biāo)準(zhǔn)的非人工智能服務(wù)器多7倍DRAM內(nèi)存、2倍NAND閃存?！皟?nèi)存是人工智能越來越離不開的原材料?！?/span>

微生物組到底能幫人類解決什么健康問題?

研究人員正在研究微生物樣本并針對健康診斷和護(hù)理進(jìn)行分析。不久之后，護(hù)理人員除了采集我們的血液和尿液，可能會(huì)采集我們的微生物組樣本，作為常規(guī)健康檢查的一部分。

然而，要想以有意義的方式分析這些樣本，科學(xué)家們需要一個(gè)數(shù)據(jù)庫。美國國立衛(wèi)生研究院的“我們所有人”計(jì)劃旨在采集100多萬人的數(shù)據(jù)，包括微生物組樣本數(shù)據(jù)，以造福精準(zhǔn)醫(yī)療。美國國立衛(wèi)生研究院現(xiàn)已中斷的人體微生物組項(xiàng)目進(jìn)行了多項(xiàng)研究，探索腸道菌群在人類健康的各個(gè)方面所發(fā)揮的作用。其它許多項(xiàng)目正在進(jìn)行中，以下領(lǐng)域有望得到改進(jìn)：

改善免疫系統(tǒng)。微生物作為免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的作用已經(jīng)被廣泛接受。根據(jù)科學(xué)網(wǎng)站ScienceNordic上的一篇文章，從我們的嬰兒時(shí)代開始，腸道中的細(xì)菌就開始教我們的免疫系統(tǒng)“如何才能表現(xiàn)好”。這些微生物也會(huì)影響我們消化道和其它器官的炎癥程度。

預(yù)防霍亂。來自杜克大學(xué)、麻省總醫(yī)院和孟加拉國達(dá)卡國際腹瀉病研究中心的研究人員正在使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來檢測生活在消化系統(tǒng)中的細(xì)菌群落的模式——人類用肉眼肯定看不到這些模式。由于并非所有接觸過霍亂的人都會(huì)感染這種導(dǎo)致腹瀉的疾病，人工智能可以幫助研究人員了解哪些人有患病風(fēng)險(xiǎn)，以及患病原因。它還可以幫助開發(fā)疫苗。

藥物的相互作用。根據(jù)美國國家醫(yī)藥圖書館的摘要，我們假設(shè)微生物組的構(gòu)成會(huì)影響我們對藥物治療的反應(yīng)以及我們對某些藥物的代謝程度。

老化。微生物組與健康衰老之間的關(guān)系是加州大學(xué)圣地亞哥分校和IBM研究院健康生活人工智能中心關(guān)注的焦點(diǎn)之一。該中心研究基因、環(huán)境因素、日常習(xí)慣和人體微生物組對老年人認(rèn)知能力的影響。該研究已經(jīng)證實(shí)，帕金森癥及其它與衰老有關(guān)的疾病在微生物組中有一定的基礎(chǔ)。該中心使用人工智能技術(shù)對研究和抽樣提供的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和分析。

道理我都懂，但這能對個(gè)人產(chǎn)生什么影響?

人工智能算法可以幫助醫(yī)學(xué)領(lǐng)域更好地理解微生物組的復(fù)雜組成和相互作用，并找到人類研究人員無法找到的關(guān)聯(lián)。最終可能在治療包括糖尿病和癌癥在內(nèi)的一系列疾病方面取得突破。然而，目前的分析僅限于把一個(gè)人的微生物組與數(shù)據(jù)庫中的其它微生物組進(jìn)行比較。

微生物組研究可幫助預(yù)防糖尿病

美光公司員工PatriciaReiter委托提供這項(xiàng)服務(wù)的一家公司對她的微生物組進(jìn)行分析。參與該項(xiàng)目時(shí)，客戶首先要在郵件中寄去少量糞便物質(zhì)，然后就會(huì)收到書面分析報(bào)告。Reiter之所以選擇這項(xiàng)服務(wù)，是因?yàn)樗邢瘑栴}。這份報(bào)告讓她大吃一驚：盡管她是一名魚素者(不吃肉但是可以吃魚類和海產(chǎn))，但該公司認(rèn)為她沒有攝入足夠多樣化的食物。

Reiter說：“他們排除了很多可能性，包括乳糜瀉和克羅恩病。我一度對這個(gè)監(jiān)測過程持懷疑態(tài)度，我想一定是某種疾病或什么東西引起了我的消化問題。讓我安心的是，檢測結(jié)果讓我知道我的身體并沒有患這些病的傾向，但愿增加飲食多樣性能讓患病風(fēng)險(xiǎn)會(huì)更低?！?/span>

特別值得一提的是，專家建議她增加“益生元”(蘆筍，香蕉，燕麥和蘋果)和“益生菌”(酸奶，康普茶，泡菜和其它發(fā)酵食品和飲料)食品的攝入量。一些推薦的食物——如菊芋和牛蒡根——在她看來很奇怪，但她希望膳食的改變能改善她的整體健康狀況。

美光：人工智能支撐醫(yī)療技術(shù)變革

要分析這些復(fù)雜微生物的組成、結(jié)構(gòu)和相互作用，人類需要機(jī)器的幫助。幸運(yùn)的是，帶寬、內(nèi)存和速度方面的進(jìn)步正在為人工智能技術(shù)鋪平了道路——其中美光處于領(lǐng)先地位。

為了滿足這些新功能，美光開發(fā)了三種重要的內(nèi)存產(chǎn)品：低功耗、高密度DRAM;快速NAND閃存;以及3DXPoint?技術(shù)。

Sadana說：“美光的產(chǎn)品組合是云數(shù)據(jù)中心人工智能最全面的產(chǎn)品組合，它涵蓋了方方面面。”

研究人員希望告別“一刀切”方案、告別猜測。基因組學(xué)、生物組學(xué)、活檢、虛擬和預(yù)測診斷以及其它人工智能輔助領(lǐng)域致力于實(shí)現(xiàn)比以往更具預(yù)防性、預(yù)測性和個(gè)性化的精準(zhǔn)醫(yī)療，從而讓人們過上更長久、更美好、更幸福的生活。

Sadana 說：“人工智能將改變醫(yī)學(xué)?！?/span>

而這些變革，現(xiàn)在正在由內(nèi)而外地發(fā)生著。