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菌、真菌、病毒和原生動物——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為，在決定個人命運方面，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。僅僅分析一個人的腸道菌群就可能需要一生的時間。

而在人工智能(AI)和最先進的計算硬件的幫助下，這項任務已經(jīng)縮短到幾分鐘，只需掃視一眼，就能識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劃”這樣的微生物組研究的目標就是證明對人類微生物組進行表征的可行性，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

說到技術和人類健康，遺傳學近年來最受矚目。

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

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注。盡管微生物組早已為人所知，但其復雜的構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胞——這些細胞在組成和結(jié)構上與我們身體的細胞有所不同。事實上，微生物組本身就是一個有生命的有機體，重約5磅。這些細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)百萬個基因組成，人們普遍認為，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。

基因組學和生物組學就像兩個復雜的謎題一樣，可能會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官Sumit Sadana在最近于舊金山舉行的 Micron Insight’18大會上所述，“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?

基因組學和生物組學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測?我們?nèi)菀谆寄男┘膊?

在遺傳學中，科學家尋找一個基因或一組基因的缺陷，以確定一個人患某些疾病(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，一個人的微生物組可能會通過飲食變化、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。

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

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

預測性：人們認為，在生病前的幾個月甚至幾年，人體微生物組就會發(fā)生變化。但是飲食、壓力、鍛煉和其它因素也會改變微生物組。醫(yī)學科學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，哪些預示著新生疾病。檢查健康人的微生物組可以提供一個基線，以便分析任何隨時間而發(fā)生的變化。

預防性：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，幫助提出有可能預防糖尿病、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，作為預防保健的兩連擊。

個性化：到目前為止，“個性化”或“精準”醫(yī)療主要依賴于家族史和DNA分析。在“個性化”或“精準”醫(yī)療中，治療方法因個人獨特的生物學特性而異。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。

由于每個人的生物群系中都有數(shù)以萬億計的微生物需要檢測，因此分析速度一直低于預期。隨著先進計算機系統(tǒng)以及美光內(nèi)存驅(qū)動的人工智能的進步，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13年完成，耗資10億美元。

10年后，DNA測序耗時兩三天，花費5000美元。

如今，對一個人的完整基因組進行測序只需要20分鐘，花費僅600美元。

“隨著內(nèi)存技術的進步，完成這項對人類健康至關重要的分析的時間和成本只會越來越少。微生物組分析也是如此，通過更快、容量更大和更復雜的人工智能技術，分析微生物組成為可能?！?/span>

“2021年，我們預計，用于人工智能的服務器將需要比標準的非人工智能服務器多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理進行分析。不久之后，護理人員除了采集我們的血液和尿液，可能會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，科學家們需要一個數(shù)據(jù)庫。美國國立衛(wèi)生研究院的“我們所有人”計劃旨在采集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目進行了多項研究，探索腸道菌群在人類健康的各個方面所發(fā)揮的作用。其它許多項目正在進行中，以下領域有望得到改進：

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)科學網(wǎng)站ScienceNordic上的一篇文章，從我們的嬰兒時代開始，腸道中的細菌就開始教我們的免疫系統(tǒng)“如何才能表現(xiàn)好”。這些微生物也會影響我們消化道和其它器官的炎癥程度。

預防霍亂。來自杜克大學、麻省總醫(yī)院和孟加拉國達卡國際腹瀉病研究中心的研究人員正在使用機器學習算法來檢測生活在消化系統(tǒng)中的細菌群落的模式——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感染這種導致腹瀉的疾病，人工智能可以幫助研究人員了解哪些人有患病風險，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，我們假設微生物組的構成會影響我們對藥物治療的反應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系是加州大學圣地亞哥分校和IBM研究院健康生活人工智能中心關注的焦點之一。該中心研究基因、環(huán)境因素、日常習慣和人體微生物組對老年人認知能力的影響。該研究已經(jīng)證實，帕金森癥及其它與衰老有關的疾病在微生物組中有一定的基礎。該中心使用人工智能技術對研究和抽樣提供的大量數(shù)據(jù)進行篩選和分析。

道理我都懂，但這能對個人產(chǎn)生什么影響?

人工智能算法可以幫助醫(yī)學領域更好地理解微生物組的復雜組成和相互作用，并找到人類研究人員無法找到的關聯(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人的微生物組與數(shù)據(jù)庫中的其它微生物組進行比較。

微生物組研究可幫助預防糖尿病

美光公司員工PatriciaReiter委托提供這項服務的一家公司對她的微生物組進行分析。參與該項目時，客戶首先要在郵件中寄去少量糞便物質(zhì)，然后就會收到書面分析報告。Reiter之所以選擇這項服務，是因為她有消化問題。這份報告讓她大吃一驚：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險會更低?！?/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)療技術變革

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

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。

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?！?/span>

研究人員希望告別“一刀切”方案、告別猜測?；蚪M學、生物組學、活檢、虛擬和預測診斷以及其它人工智能輔助領域致力于實現(xiàn)比以往更具預防性、預測性和個性化的精準醫(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?！?/span>

而這些變革，現(xiàn)在正在由內(nèi)而外地發(fā)生著。