深度學(xué)習(xí)尋找肺炎病毒宿主：AI“進(jìn)化”的“一小步”

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1月24日，北京大學(xué)工學(xué)院教授朱懷球團(tuán)隊(duì)在bioRxiv預(yù)印版平臺(tái)發(fā)表《深度學(xué)習(xí)算法預(yù)測(cè)新型冠狀病毒的宿主和感染性》一文中指出，蝙蝠和水貂可能是新型冠狀病毒的兩個(gè)潛在宿主，水貂可能是中間宿主。

據(jù)朱懷球團(tuán)隊(duì)的研究表明，新型冠狀病毒與云南菊頭蝠中存在的RaTG13冠狀病毒一致性高達(dá)96%;另外，基于深度學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)的VHP(病毒宿主預(yù)測(cè))方法預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)化顯示，水貂的病毒的傳染性模式更接近新型冠狀病毒。

據(jù)悉，在此次研究中，該團(tuán)隊(duì)使用了基于深度學(xué)習(xí)模型的AI技術(shù)尋找病毒宿主。這可能是國(guó)內(nèi)首次在2019新型冠狀病毒的研究中使用深度學(xué)習(xí)AI取得成果。

01

AI加入抗擊疫情一線，深度學(xué)習(xí)尋找病毒宿主

一種前所未知的新型病毒出現(xiàn)后，確定病毒宿主是十分重要的。由于病毒復(fù)雜的多樣性，目前人類已知的病毒和對(duì)病毒本身的了解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，大多數(shù)以人類為宿主的病毒，通常對(duì)人類造成生命安全威脅之后，才會(huì)進(jìn)一步引起人們的重視。

對(duì)一些本不以人類為宿主的病毒來(lái)說(shuō)，其本身也可能突發(fā)變異，或者通過(guò)中間宿主也可感染至人類。因此，快速尋找鑒別未知病毒的宿主，能夠幫助人類了解病毒與宿主間的相互作用，以應(yīng)對(duì)突發(fā)變異等潛在威脅，從而有針對(duì)性的對(duì)病毒進(jìn)行預(yù)防和控制，具有重要意義。

為了檢測(cè)新病毒的潛在宿主和致病性，傳統(tǒng)的方法是基于通過(guò)建立病毒基因庫(kù)，將新型病毒的DNA序列與已知病毒的基因序列做對(duì)比檢索，通過(guò)比較病毒DNA局部的相似性，從而做出對(duì)新病毒宿主的模糊預(yù)測(cè)。

北京大學(xué)朱懷球團(tuán)隊(duì)在對(duì)2019新型冠狀病毒的宿主研究和預(yù)測(cè)中，通過(guò)構(gòu)建VHP算法模型，將已經(jīng)提取的新型冠狀病毒的基因組，與已有病毒基因數(shù)據(jù)庫(kù)做數(shù)據(jù)檢索和對(duì)比。在算力的支持下，通過(guò)深度學(xué)習(xí)模型對(duì)病毒基因數(shù)據(jù)的廣域檢索，實(shí)現(xiàn)新型冠狀病毒自然宿主的尋找和預(yù)測(cè)。

02

VHP模型計(jì)算出新型冠狀病毒的感染性

朱懷球團(tuán)隊(duì)在bioRxiv預(yù)印版平臺(tái)發(fā)表的論文中稱：“為了構(gòu)建VHP模型，我們使用了一個(gè)雙路卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于預(yù)測(cè)病毒序列宿主;我們把病毒的宿主分為五種類型，包括植物、細(xì)菌、無(wú)脊椎動(dòng)物、脊椎動(dòng)物和人類;輸入病毒核苷酸序列，基于深度學(xué)習(xí)的VHP模型，將為每種宿主類型分別輸出5類結(jié)果，分別反映出新型冠狀病毒在每種類型中感染性。”

通過(guò)對(duì)VHP模型計(jì)算的結(jié)果分析，篩選的病毒宿主包括犬、豬、貂、龜和貓。研究人員經(jīng)過(guò)分析比較后認(rèn)為水貂的病毒的傳染性模式更接近新型冠狀病毒。

實(shí)際上，相比傳統(tǒng)的AI機(jī)器學(xué)習(xí)方法，AI深度學(xué)習(xí)的方法訓(xùn)練出的模型可以適用于多種不同類型的數(shù)據(jù)，還可以結(jié)合多種來(lái)源的數(shù)據(jù)，共同完成一個(gè)任務(wù)。

在基因數(shù)據(jù)中，并不是所有的數(shù)據(jù)都有準(zhǔn)確的高質(zhì)量數(shù)據(jù)標(biāo)簽，而通過(guò)深度生成模型，即使沒(méi)有高質(zhì)量標(biāo)簽的數(shù)據(jù)也能得到充分使用，從而使得模型能夠持續(xù)的提升性能。

因而，從AI深度學(xué)習(xí)的種類上來(lái)看，除了常見(jiàn)的有監(jiān)督學(xué)習(xí)和無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)，半監(jiān)督學(xué)習(xí)與強(qiáng)化學(xué)習(xí)更適合，也更需要醫(yī)學(xué)界、生物界更多的關(guān)注。

03

深度學(xué)習(xí)AI+醫(yī)療：應(yīng)用前景廣闊但也有局限性

在AI的應(yīng)用場(chǎng)景中，醫(yī)療行業(yè)是其應(yīng)用前景最為廣闊的行業(yè)之一。生物信息領(lǐng)域中，制藥企業(yè)的藥物研發(fā)、醫(yī)療設(shè)備收集的健康數(shù)據(jù)、病患者的診斷以及治療方案的確定都有深度學(xué)習(xí)型AI的應(yīng)用需求。

深度學(xué)習(xí)的本質(zhì)，是一個(gè)復(fù)雜的AI學(xué)習(xí)算法。目前，深度學(xué)習(xí)應(yīng)用最為廣泛的是在計(jì)算機(jī)視覺(jué)以及語(yǔ)言識(shí)別領(lǐng)域。其中計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用，如醫(yī)學(xué)影像的識(shí)別。

不過(guò)，深度學(xué)習(xí)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也面臨現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的局限性，其中之一就是分析過(guò)程缺乏解釋性。實(shí)際上，深度學(xué)習(xí)本質(zhì)上也是統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的一種，通過(guò)對(duì)已知數(shù)據(jù)的匯總和檢索，以算法的優(yōu)化達(dá)到某種結(jié)果的預(yù)測(cè)。

也就是說(shuō)，深度學(xué)習(xí)算法得出的結(jié)果是概率學(xué)上對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)條件下的結(jié)果預(yù)測(cè)，并不能給出“解題過(guò)程”只能給出結(jié)果。這也使得不可避免的出現(xiàn)一定的現(xiàn)實(shí)結(jié)果偏差。

以此次新型冠狀病毒宿主研究為例，在VHP模型計(jì)算給出結(jié)果后，篩選的病毒宿主包括犬、豬、貂、龜和貓，仍需要研究人員對(duì)比分析后得出進(jìn)一步的結(jié)論：水貂的病毒的傳染性模式更接近新型冠狀病毒。

04

技術(shù)之力亦需“跨越偏見(jiàn)”

此外，如果輸入數(shù)據(jù)樣本本身帶有“大數(shù)據(jù)偏見(jiàn)”，那么模型計(jì)算則會(huì)放大這種“偏見(jiàn)”，從而影響結(jié)果在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的準(zhǔn)確性。

對(duì)于基于深度學(xué)習(xí)的醫(yī)療AI而言，這樣的情況也很難以能夠說(shuō)百分之百避免，特別是面對(duì)復(fù)雜龐大的醫(yī)療數(shù)據(jù)而言，這樣的“偏見(jiàn)”帶來(lái)的結(jié)果是人們難以接受的。

因而對(duì)于深度學(xué)習(xí)AI在醫(yī)療領(lǐng)域的落地，除了技術(shù)實(shí)現(xiàn)本身要解決的問(wèn)題之外，由技術(shù)引發(fā)蝴蝶效應(yīng)也更應(yīng)該獲得關(guān)注。

從好的一面來(lái)看，深度學(xué)習(xí)型AI在醫(yī)療領(lǐng)域的落地，不啻為補(bǔ)充優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源的“良方”，同時(shí)深度學(xué)習(xí)AI以及大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的應(yīng)用，也為人們?cè)谖磥?lái)面對(duì)“新型冠狀病毒”之類的突發(fā)性傳染病給予技術(shù)的力量。

05

我們將生活在一個(gè)分析所有數(shù)據(jù)的時(shí)代

《大數(shù)據(jù)時(shí)代》作者維克托·邁爾-舍恩伯格前瞻性地預(yù)見(jiàn)到：“在大數(shù)據(jù)時(shí)代，我們可以分析更多的數(shù)據(jù)，有時(shí)候甚至可以處理和某個(gè)特別現(xiàn)象相關(guān)的所有數(shù)據(jù)，而不再依賴于隨機(jī)采樣。”

在數(shù)據(jù)時(shí)代，AI深度學(xué)習(xí)與算法、大數(shù)據(jù)的進(jìn)步與發(fā)展將使得人類迎來(lái)一個(gè)全新的時(shí)代，在肆虐的病毒面前，人類并不會(huì)無(wú)動(dòng)于衷。在當(dāng)前新型冠狀病毒暴發(fā)的艱難時(shí)刻，更需要人們充滿信心，以更加頑強(qiáng)的勇氣和智慧，以面對(duì)新型病毒的挑戰(zhàn)!

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