教学参考-41

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教学目标

  • 了解炭疽杆菌和炭疽病,了解炭疽武器的可怕,从而理解检测炭疽的重要意义
  • 了解全息显微镜
  • 了解全息显微镜+深度学习方法在检测炭疽杆菌方面的基本原理
  • 引导学生讨论人工智能在微生物学领域的应用

教学内容

什么是炭疽病?

  • 炭疽病是一种急性传染病,临床上主要表现为皮肤坏死、溃疡等,有可能引发肺、肠和脑膜的急性感染,并可伴发败血症。炭疽病传染性极强,发病迅速,是极度高危传染病。
  • 炭疽杆菌(bacillus anthrax)是炭疽病的罪魁祸首。炭疽杆菌长约1至6微米,通常以芽孢的型态出现在土壤中。炭疽芽孢的生命力极其顽强,即使深埋几十年后依然还有很强的感染能力,一旦环境受到炭疽芽孢的污染,后果不堪设想。


不堪回首的“炭疽史”

  • 历史上,炭疽芽孢曾是生物武器的热门候选,包括臭名昭著的731部队就曾在中国人身上试验过炭疽。
  • 二战期间,英国曾在苏格兰北部的格鲁伊纳岛释放炭疽孢子,用羊来测试炭疽武器。这一试验带来惨痛后果,此后半个世纪,这片被污染的土地成为名副其实的无人区。1986年,英国痛下决心,往岛上喷洒了280吨甲醛,并将严重污染的表层土移除封存。即便如此,风险还是存在,直到1990年,英政府才宣布解除戒严。尽管如此,人们对这个小岛也是敬而远之,吐血大甩卖仅需500英镑(约4300元人民币),卖了30年也没卖出去。


传统检测手段的局限

  • 面对如此可怕的致病菌,快速的检测手段非常重要。传统检测方法包括涂片镜检、分离培养、动物实验等,但这些方法或者耗时较长,或者检测精度较低。特别是,这些方法需要炭疽菌的浓度达到一定程度才能得到较高的精度,如果真遇到危险情况,在检测出来之前炭疽的传播已经既成事实,很可能造成重大损失。

AI炭疽杆菌检测

  • 在2017年《科学》杂志的一篇文章中,科学家们用全息显微成像技术结合深度学习,成功实现了对炭疽杆菌的高精度检测,哪怕是一个细菌,也可以把它抓出来。这一成果极大提高了炭疽的检测精度,在医疗、反恐等方面具有重要意义。
  • 什么是全息显微镜呢?我们知道传统显微镜观察的是物体在辅助光源下的明暗变化,这事实上是记录了光的强度信息,如图(A)所示。然而细菌实在是太小了,小到很多时候在显微镜下都是透明的。为了解决这一个困难,科学家们研制出了全息显微镜,这种显微镜不仅记录光的强度信息,还记录光在通过物体时的相位改变,如图(B)所示。因为同时记录了光的强度和相位信息,这种显微镜称为“全息”显微镜。
  • 有了全息显微镜,炭疽杆菌在镜头前就无所遁形了。如下图一所示,在全息图中,每种细菌的信息都清清楚楚地显示出来。
  • 利用这些信息,科学家们训练了一个深度神经网络,该网络可以对每个细菌预测其种类,抓出致命的炭疽杆菌,如下图二所示。归功于深度神经网络强大的学习能力,这一模型可得到非常高的预测精度。