為了打擊生物恐怖活動(dòng)，韓國(guó)科學(xué)家利用 AI 來(lái)檢測(cè)炭疽

雷鋒網(wǎng)消息，為了打擊生物恐怖主義，韓國(guó)的科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)始訓(xùn)練人工智能，以迅速發(fā)現(xiàn)炭疽病。新技術(shù)雖然還沒(méi)有達(dá)到完全準(zhǔn)確的地步，但比目前的測(cè)試方法要快的多。它可以徹底改變我們篩選神秘的白色粉末——炭疽病原體芽孢的方式，目前，炭疽病原體芽孢,已經(jīng)成為一種致命的“生物武器”。

韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院的研究人員將全息顯微鏡與 AI 技術(shù)相結(jié)合。他們創(chuàng)建的算法可以分析細(xì)菌孢子的圖像，在不到一秒鐘的時(shí)間里確定它們是否屬于炭疽。根據(jù)上周在《Science Advances》上發(fā)表的一篇論文顯示，該項(xiàng)技術(shù)的準(zhǔn)確率已達(dá)96％。

據(jù)雷鋒網(wǎng)(公眾號(hào)：雷鋒網(wǎng))了解，炭疽是由炭疽芽孢桿菌引起的一種人畜共患的急性傳染病（感染和細(xì)菌通常被稱(chēng)為炭疽）。人們?cè)谔幚硎芨腥緞?dòng)物的皮膚或肉類(lèi)時(shí)，會(huì)意外地感染炭疽。臨床上主要表現(xiàn)為皮膚壞死、潰瘍、焦痂和周?chē)M織廣泛水腫及毒血癥癥狀，皮下及漿膜下結(jié)締組織出血性浸潤(rùn)；血液凝固不良，呈煤焦油樣，偶可引致肺、腸和腦膜的急性感染，并可伴發(fā)敗血癥。自然條件下，食草獸最易感，人類(lèi)中等敏感，主要發(fā)生于與動(dòng)物及畜產(chǎn)品加工接觸較多及誤食病畜肉的人員。

炭疽也是一種危險(xiǎn)的生物武器：2001年，美國(guó)發(fā)生了著名的生物恐怖襲擊——“炭疽事件”，從2001年9月18日開(kāi)始，有人把含有炭疽桿菌的信件寄給數(shù)個(gè)新聞媒體辦公室以及兩名民主黨參議員。這個(gè)事件導(dǎo)致5人死亡，17人被感染。

一旦孢子進(jìn)入體內(nèi)，它們會(huì)發(fā)芽和繁殖，導(dǎo)致流感樣疾病以及毒血癥癥狀。如果不治療的話(huà)，至少85％受感染的人會(huì)死亡，有時(shí)在癥狀出現(xiàn)后一到兩天內(nèi)就會(huì)死亡（相比之下，皮膚感染炭疽病往往不那么致命）。實(shí)驗(yàn)室工作人員或是加工動(dòng)物毛發(fā)的人是最容易感染炭疽的一類(lèi)人。對(duì)于這類(lèi)人，有疫苗可以進(jìn)行治療，我們其他人則有抗生素 ——但這些藥物只有在接觸后盡快開(kāi)始的時(shí)候效果最好。

快速檢測(cè)炭疽病很重要

因此，快速檢測(cè)炭疽是很重要的?，F(xiàn)在最常見(jiàn)的方法之一是分析孢子的遺傳物質(zhì)或者在感染組織中發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌。但是，通常需要給孢子一點(diǎn)時(shí)間繁殖，以產(chǎn)生足夠的遺傳物質(zhì)進(jìn)行分析。密蘇里大學(xué)的細(xì)菌學(xué)家 George Stewart 說(shuō)，“想要通過(guò)最快捷的方法獲得結(jié)果，仍然需要投入更大的精力”，他也開(kāi)發(fā)了一種炭疽檢測(cè)器，并沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。

為了尋求更快的篩選技術(shù)，這項(xiàng)研究的主要作者、物理學(xué)家 YongKeun Park 與韓國(guó)國(guó)防科學(xué)研究所進(jìn)行了合作。他說(shuō)，我們的目標(biāo)是做好準(zhǔn)備，以防朝鮮利用炭疽作為生物武器。

Park 轉(zhuǎn)向一種被稱(chēng)為全息顯微鏡的成像技術(shù)：與傳統(tǒng)的顯微鏡不同，傳統(tǒng)的顯微鏡只能捕捉到物體的光散射強(qiáng)度，全息顯微鏡還可以捕獲光線(xiàn)行進(jìn)的方向。由于細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和組成可以改變光線(xiàn)的反射，研究人員懷疑，全息顯微鏡可能捕捉到由炭疽和與之密切相關(guān)但毒性較小的種類(lèi)產(chǎn)生的孢子之間的細(xì)微差別。

AI可以在幾秒鐘內(nèi)識(shí)別炭疽孢子

雷鋒網(wǎng)了解到， Park 和他的團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練了一種深入學(xué)習(xí)算法，從五種不同細(xì)菌種類(lèi)的400多個(gè)個(gè)體孢子中發(fā)現(xiàn)其中的關(guān)鍵差異。一種是炭疽芽孢桿菌，它能夠引起炭疽，其余四種是與之密切相關(guān)的種類(lèi)。研究人員并沒(méi)有確切地告訴 AI 如何辨別不同的種類(lèi)——它自己就發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)。經(jīng)過(guò)一番訓(xùn)練， AI 在大約96％的時(shí)間內(nèi)可以將炭疽芽孢與非炭疽芽孢桿菌物種區(qū)分開(kāi)來(lái)。

該技術(shù)并不完美，但作為一種旨在檢測(cè)生物武器的工具，它必須是（完美的）。“它的缺點(diǎn)是精度低于常規(guī)方法，” Park 說(shuō)。每個(gè)細(xì)菌種類(lèi)的多種菌株都接受了分析，但機(jī)器只接受了每個(gè)物種的一種菌株的訓(xùn)練量。Stewart 說(shuō)，菌株之間微妙的差異可能會(huì)使算法脫離實(shí)際。盡管如此，這項(xiàng)新技術(shù)發(fā)展非常迅速，派上用場(chǎng)指日可待。Stewart 說(shuō)：“它不需要培養(yǎng)生物體，也不需要提取 DNA ，除了能夠使孢子可視化外，它不需要任何其他的東西。”

“這可以增強(qiáng)我們對(duì)這種生物威脅的準(zhǔn)備。”

接下來(lái)， Park 希望為 AI 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供更多的孢子圖像以提高準(zhǔn)確性。同時(shí)，該方法可用作預(yù)篩選工具，用于快速確定人們接觸的白色粉末是否為炭疽，以及是否應(yīng)啟用抗生素。隨后可以用更慢、更準(zhǔn)確的方法來(lái)確認(rèn)結(jié)果。

Park說(shuō)：“這篇文章不會(huì)改變一切，但這是朝著能夠快速檢測(cè)炭疽的方法邁出的一步。“這可以增強(qiáng)我們對(duì)這種生物威脅的準(zhǔn)備。”

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