科學與醫學

人如其食:人工智慧和人類微生物體

「相信你的直覺,」事實證明,這僅是字面上看來不錯的建議。研究得到令人震驚的結果,我們的胃、腸和身體其他部位中所發生的事,都對我們的生活品質有著巨大的影響,但我們往往看不見。

我們的消化道和皮膚上的細菌、真菌、病毒和原生動物(也被稱為微生物體),確實能強烈影響著我們的健康、安泰、情緒、壽命甚至體重方面的狀態。微生物體研究人員認為,實際上微生物體對於一個人而言可能有著與 DNA 一樣重要的影響力。

如同 DNA,微生物體極為複雜。微生物體包含超過 100 兆個有機體,其遺傳物質比人類基因組多了 200 倍。分析一個人的腸道菌群可能要花上一輩子的時間。

在人工智慧 (AI) 和最先進的電腦計算硬體的協助下,這項工作已經減少到幾分鐘,能虛擬辨識出人體生物群系中每個微生物、觀察到人眼無法看見的模式和變化,並分析其相互作用。

對微生物體研究的目標,如「NIH 人類微生物群計劃」,是為了能夠證明找出人類微生物體的表徵,希望能夠做出更好的診斷以治療疾病。

遺傳學和微生物體

在技術及人類健康方面,遺傳學近年來已經得到許多令人振奮的進展。人類基因組計畫的 DNA 測序計畫於 2003 年完成,繪製出由 30 億個化學鹼基對組成的所有 20,500 個人類基因。現在,科學家們可以了解基因在 DNA 鏈中的位置以及它們的功能可能為何,從而能為個別患者量身打造醫學上的療法。

近來,為了要深入了解人類健康及改善健康的方法,微生物體一直備受關注。造成這種現象的原因有一部分是由於儘管人們早已知道微生物體存在,但其複雜的構造限制了研究人員了解它們的能力。現在終於有所改變。

我們身體組成包含至少與人體細胞一樣多的微生物細胞,那些細胞在組成和結構上與我們身體細胞不同。實際上,微生物體本身就是活生生的有機體,重約 5 磅。這些細胞棲息在我們的消化道、內臟以及嘴巴、鼻子、眼睛和皮膚等處。每個人的構造都是獨一無二的,微生物體由數百萬個基因組成,被認為與身體的基因組及免疫系統相互作用,影響著健康或疾病的狀態。

基因體學和生物體學就如兩道精心設計的謎題,可以藉由它們發現人體構造的許多奧秘。正如 Micron 副總裁 Sumit Sadana 最近於舊金山舉行的2018 年 Micron Insight 大會上所提到的,「這些是研究人員試圖解出的謎團。」

隱藏的奧秘

基因體學和生物體研究中最令人振奮(同時奧妙)的面向是,它們可能是通往解開謎團的未來之窗。人體 DNA 和微生物體可以於現在及未來向我們揭示什麼?它們如何預測健康情形的發展?我們容易罹患哪些疾病或病症?

在遺傳學中科學家們在尋找個別基因或基因群中的缺陷,來確知罹患阿茲罕默症或糖尿病等疾病的可能性。未來有一天,治療的方法可能會是替換或修復那些突變基因(意即基因治療)。不過,目前我們仍然無法掌控基因之謎,因此我們能做的最好選擇就是依循能改善健康的方式來生活。

然而,一個人的微生物體可能是會改變的,而且非常迅速——經由飲食變化、某些藥物,甚至是運動。因此,藉由仔細檢查腸道來發現發展中或即將發生疾病的跡象,對於改善健康甚至延長壽命來說,是非常重要的。

科學利用人工智慧和機器學習,致力於隨時間的推移盡可能找到更多人類微生物體特徵,以了解哪些變化與即將發生的疾病有關。研究人員也可能藉由操縱生物群系,而找到抵抗甚至治癒疾病的方法。

如果每個微生物體都不同,可能就要為個體基因突變和生物體組成制定合適的治療方法。因此,研究人員正在努力從簡單的診斷轉向預防性的個體醫學。

  • 預防性:人們認為,在疾病發展之前的幾個月甚至幾年內,人類的微生物體都會發生變化。但是飲食、壓力、運動和其他因素也可以改變微生物體。醫學家正在努力了解不同生活方式會產生何種差異,以及哪些是正在萌發疾病的表徵。檢查健康人類的微生物體可以取得一個基線,能由其開始,對任何隨時間產生的變化進行分析。
  • 預防性:研究人員正在嘗試藉由從人體系統中的微生物體及其活動,找出可以抵禦疾病的方法,包括糖尿病、癌症和癡呆症。研究人員希望在微生物體資料與遺傳資料相結合時,可以有效用於預防性治療。
  • 個別性:到目前為止,治療因人而異的「個人化」或「精準」醫學,主要仰賴於家族史和 DNA 分析。研究人員正以微生物體的資料尋求更加精確的治療方法。

要檢查個體的生物群系中數百萬億個微生物,分析速度往往需時更久。隨著由先進電腦系統所驅動的人工智慧的進步,以及 Micron 記憶體的支援,研究人員有望在幾分鐘內完成人類需要多年才能完成的事。

請見這個例子,科技如何達到加速基因體測序(並降低所需成本),美國國家人類基因組研究所 (NHGRI) 表示:

  • 首次人類基因體測序始於 1990 年,耗時 13 年完成,耗資 10 億美元。
  • 十年後,DNA 測序僅需要 2 到 3 天,耗資僅 5000 美元。
  • 現在,對一個人進行完整基因體測序只需 20 分鐘,費用為 600 美元。

Micron 業務發展經理 Eric Caward 表示,隨著記憶體技術的改進,完成這項重要人體健康分析的時間和成本將會減少。藉由更快、更高容量和更複雜的人工智慧技術,微生物體分析就能實現。

根據副總裁 Sadana 所言,2021 年時,我們預計用於 AI 的伺服器需要比標準、非 AI 伺服器多出 7 倍的 DRAM 記憶體,以及多出兩倍的 NAND 快閃記憶體。「記憶體終究是人工智慧所需的原物料。」

眾多計畫

研究人員正在研究微生物體的採樣和分析對健康診斷和護理的益處。假以時日,護理人員即會連同血液和尿液一起收集微生物體樣本,作為常規健康檢查的一部分。

然而,為了以有意義的方式分析這些樣本,科學家需要資料庫。衛生研究院的「眾人之力」的倡議,目標是向 100 多萬人收集包含微生物體抽樣的資料,讓精準醫學有所受益。衛生研究院現已中止的人類微生物體計畫中,關於腸道菌群對人類健康影響的多種面向上,提供了許多研究成果。還有許多其他計畫正在進行中,目標是改進以下項目:

  • 改善免疫系統。微生物體作為免疫系統調節劑的功能,已被廣泛接受。從嬰兒時代開始,腸道中的細菌即開始引導免疫系統「如何運作」,ScienceNordic 的文章表示。這些有機體也會影響消化道和其他器官的發炎程度。
  • 預防霍亂。來自杜克大學、麻省總醫院和孟加拉達卡國際腹瀉研究中心的研究人員,正利用機器學習演算法尋找出生活在消化系統中的細菌群落的模式,這些是人類幾乎一定無法看見的模式。由於不是所有接觸到霍亂的人都會感染進而導致腹瀉,因此人工智慧可以幫助研究人員了解哪些人有感染風險及其原因。這還能協助疫苗的開發。
  • 藥物相互作用。根據美國國家醫學圖書館的資訊,微生物體的組成有可能影響對藥物治療的反應以及代謝某些藥物的程度。
  • 老化。加州大學聖地牙哥分校和 IBM 的健康生活人工智慧中心的研究皆著重於微生物體對健康老化的影響。此中心致力於研究遺傳學、環境因素、日常生活習慣和人類微生物體對老年人認知能力的影響。已得到證明的是,帕金森氏症和其他與老化相關的疾病都與微生物體有基礎上的關聯。此中心使用人工智慧技術,對研究和抽樣提供的大量資料進行篩選和分析。

紙上談兵,或是深入檢查腸道

人工智慧演算法可以幫助醫學圈更理解微生物體的複雜構造及相互作用,並找出人類研究員無法做到的聯結。成果可能非常有突破性,治療包括糖尿病和癌症在內的許多疾病。然而目前的分析主要的限制是,只能將一個人的微生物體與資料庫中其他微生物體進行比較。

Micron 的 Patricia Reiter 委託其中一家提供該服務的公司對她的微生物體進行分析。為達目的,委託人需寄送少量糞便,然後會收到書面分析報告。Reiter 選擇這項服務,因為她有消化方面的問題。收到的報告令她感到驚訝:雖然她是一名魚素者,該公司表示她的飲食沒有多樣化。

「他們排除了很多事情,」包括麩質不耐症和克隆氏症,Reiter 表示,並補充說明她在送樣時對於這個過程感到懷疑。「我認為一定是有疾病或其他原因導致這些問題發生。我知道自己身體排除這些狀況後,就安心多了,而且如果我增加飲食的多樣性,希望就不會有那些問題。」

特別值得一提的是她的飲食增加了「益菌生」食物(蘆筍、香蕉、燕麥和蘋果)及「益生菌」食物(優格、紅茶菌、泡菜和其他發酵食品及飲料)的食用量。這些建議食品如菊芋和牛蒡根對她來說很陌生,但她希望改變飲食可以改善整體健康。

人工智慧的力量

為了分析這些複雜微生物的組成、結構和相互作用,人類需要機器的幫助。幸運的是,頻寬、記憶體和速度的進步,為人工智慧技術開疆闢土,並由 Micron 帶頭領先。

為了提供這些新功能,Micron 開發了三種必要的記憶體產品:低功率、高密度的 DRAM;快速的 NAND 快閃記憶體;3D XPoint™ 技術。

「Micron 的產品組合是雲端資料中心裡最完整的 AI 產品組合,涵蓋了整個階層,」副總裁 Sadana 表示。

研究人員希望脫離「一體適用」。不需要再猜測。基因體學、生物體學、活體組織切片、虛擬和預測診斷以及其他人工智慧輔助領域,都致力於達到比過去更具預防性、預測性和個別化的精準醫學,以實現更長久、更美好、更幸福的生活。

「人工智慧將改變醫學的前景,」副總裁 Sadana 表示。由內到外的轉變正在發生。

+