杜克大學(xué)(Duke University)的生物醫(yī)學(xué)工程師設(shè)計(jì)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，可以對(duì)工程細(xì)菌中復(fù)雜變量之間的相互作用進(jìn)行建模，否則這些變量將很難預(yù)測(cè)。他們的算法可推廣到多種生物系統(tǒng)。

在這項(xiàng)新研究中，研究人員訓(xùn)練了一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以預(yù)測(cè)由嵌入細(xì)菌培養(yǎng)物中的生物回路產(chǎn)生的圓形圖案。該系統(tǒng)的工作速度比現(xiàn)有的計(jì)算模型快30,000倍。

為了進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種方法來多次重新訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型，以比較他們的答案。然后他們用它來解決第二個(gè)生物系統(tǒng)，該系統(tǒng)以不同的方式計(jì)算要求很高，表明該算法可以應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)。

結(jié)果于9月25日在線發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

杜克大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)教授尤凌崇表示：“這項(xiàng)工作的靈感來自Google，表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以學(xué)習(xí)在棋盤游戲Go中擊敗人類。”

你說：“盡管游戲規(guī)則簡(jiǎn)單，但計(jì)算機(jī)要確定性地計(jì)算出最佳下一個(gè)選項(xiàng)的可能性仍然很大。” “我想知道這種方法在應(yīng)對(duì)我們所面臨的生物復(fù)雜性的某些方面是否有用。”

您和他的博士后研究員王尚英面臨的挑戰(zhàn)是確定在基因工程改造后哪些參數(shù)集可以在細(xì)菌培養(yǎng)中產(chǎn)生特定模式。

經(jīng)過基因編輯以包括基因回路的細(xì)菌菌落隨著其生長(zhǎng)而形成一個(gè)紫色環(huán)。研究人員正在使用機(jī)器學(xué)習(xí)來發(fā)現(xiàn)影響環(huán)的性質(zhì)的數(shù)十個(gè)變量之間的相互作用，例如環(huán)的厚度，形成速度和形成環(huán)的數(shù)量。圖片提供：杜靈崇，杜克大學(xué)

在先前的工作中，您的實(shí)驗(yàn)室對(duì)細(xì)菌進(jìn)行了編程，以產(chǎn)生蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)根據(jù)培養(yǎng)物的生長(zhǎng)特性相互影響，形成環(huán)。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過控制諸如生長(zhǎng)環(huán)境的大小和提供的養(yǎng)分的數(shù)量之類的變量，他們可以控制環(huán)的厚度，出現(xiàn)的時(shí)間以及其他特征。

通過改變數(shù)十個(gè)潛在變量，研究人員發(fā)現(xiàn)它們可以做更多的事情，例如引起兩個(gè)甚至三個(gè)環(huán)的形成。但是，由于一次計(jì)算機(jī)仿真需要五分鐘，因此搜索任何大型設(shè)計(jì)空間以獲取特定結(jié)果變得不切實(shí)際。

對(duì)于他們的研究，該系統(tǒng)由13個(gè)細(xì)菌變量組成，例如生長(zhǎng)，擴(kuò)散，蛋白質(zhì)降解和細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的速率。僅計(jì)算每個(gè)參數(shù)六個(gè)值將花費(fèi)一臺(tái)計(jì)算機(jī)600多年。在具有數(shù)百個(gè)節(jié)點(diǎn)的并行計(jì)算機(jī)群集上運(yùn)行它可能會(huì)將運(yùn)行時(shí)間縮短到幾個(gè)月，但是機(jī)器學(xué)習(xí)可以將其減少到幾個(gè)小時(shí)。