يادگيري ماشين در تشخيص عامل اصلي باكتري سالمونلا به كمك دانشمندان مي‌آيد

امسال، صدها نفر از طريق گوشت آلوده‌ي گاو به باكتري سالمونلا، گياه kratom، كره‌ي دانه‌ كنجد، حتي كبوترهاي خانگي و برخي عوامل ديگر، دچار بيماري اسهال و استفراغ شدند.

معمولا باكتري سالمونلا در روده‌هاي حيوان قرار دارد. دانشمندان موفق شده‌اند با كمك يادگيري ماشين، متوجه شوند باكتري سالمونلا موجود در مواد غذايي مربوط به روده‌ي كدام حيوان است. در اين صورت راحت‌تر و بهتر مي‌توانند در برابر اثرات خطرناك و ناخوشايند بيماري‌هاي مربوط به آن واكنش نشان بدهند. 

محققان دانشگاه جورجيا با همكاري ژيانگو دنگ، الگوريتمي براي تشخيص تفاوت‌هاي ژنتيكي بين گونه‌هاي مختلف باكتري سالمونلا طراحي كرده‌اند. معمولا باكتري سالمونلا از طريق چهار ميزبان اصلي، خوك، گاو، مرغ و پرندگان وحشي به مواد غذايي منتقل مي‌شود. نشريه‌ي Emerging Infectious Diseases، نتايج تحقيق انجام‌شده در مورد الگوريتم تشخيص باكتري سالمونلا را به‌صورت الكترونيك منتشر كرد. اين تيم تحقيقاتي، الگوريتم تشخيص منشا باكتري سالمونلا را روي ۸ بيماري شايع در طي ۲۰ سال گذشته آزمايش كردند و متوجه شدند كه الگوريتم در هفت مورد از ميان هشت مورد بيماري، مي‌تواند به‌درستي منشا باكتري را شناسايي كند. باوجودي كه الگوريتم هنوز نياز به يادگيري بيشتري دارد، اما در همين سطح نيز مي‌تواند براي تشخيص عفونت‌هاي ناشي از باكتري سالمونلا و جلوگيري از انتقال بيماري از طريق مواد غذايي، نقش موثري داشته باشد.

اگر باكتري سالمونلا در گوشت گاو تشخيص داده شود، احتمالا انتظار داريد كه عفونت از طريق گاو منتقل شده باشد. اما اين امكان وجود دارد كه باكتري سالمونلا در برخي مواد غذايي كه حتي فكرش را هم نمي‌كنيد، وجود داشته باشد. مثلا ممكن است باكتري سالمونلا در كره دانه‌ي كنجد، گياه مخدر شاهدانه (كانابيس) و kratom و حتي در cantaloupes باشد. وقتي باكتري سالمونلا در چنين موادي رويت مي‌شود، تشخيص منشا اصلي آن كمي پيچيده خواهد شد. هر حيواني اعم از خزندگان، جوندگان و حتي سگ‌ها ممكن است باعث شيوع باكتري سالمونلا شده باشند. تشخيص منشا باكتري سالمونلا، براي مهار بيماري بسيار مهم است و حتي مي‌تواند مانع شيوع بيشتر بيماري شود.

باتوجه به آنچه مطرح شد، تحقيقات انجام‌شده توسط دانشمندان به سرپرستي دنگ، مي‌تواند پيشرفت مهمي در اين حوزه محسوب شود. باوجودي كه الگوريتم مبتني بر يادگيري ماشيني هنوز نياز به يادگيري بيشتري دارد و تنها چهار عامل اصلي در شيوع باكتري سالمونلا به آن يادگيري داده شده است؛ ولي همين قدم‌هاي اوليه نيز بسيار حائز اهميت هستند. اين الگوريتم، در حال حاضر تنها مي‌تواند منشا يك نوع باكتري سالمونلا را تشخيص بدهد، و اين در حالي است كه باكتري سالمونلا مي‌تواند بيش از ۲۵۰۰ منشا متفاوت داشته باشد. نيكي شريعت، استاد دانشكده گتيزبرگ و متخصص باكتري سالمونلا، معتقد است كه اين تحقيق مبتني بر يادگيري ماشيني مي‌تواند سلاح ديگري در زرادخانه‌ي بهداشت و درمان محسوب شود. البته لازم به ذكر است كه وي در تيم تحقيقات اين پروژه حضور نداشته است. بخشي از تحقيقات مربوط به شناسايي علل شيوع عامل اصلي باكتري سالمونلا، از طريق مصاحبه با افراد درگير بيماري تكميل مي‌شود. دانشمندان به‌منظور سرعت بخشيدن به روند كار، از بيماران سوالاتي مي‌پرسند؛ مثلا آنها مي‌خواهند بدانند كه بيمار چه غذاهايي را و در چه زماني مصرف كرده است.

بيل مارلر، يكي از متخصصين بهداشت مواد غذايي معتقد است كه اگر ابزاري بتواند عامل بيماري‌زا بودن مواد غذايي را تشخيص دهد، قدم بزرگي در سياست‌گذاري بهداشت مواد غذايي برداشته خواهد شد. وي معتقد است:

واقعا شگفت‌انگيز است كه دانشمندان توانسته‌اند، از طريق توالي كامل ژنوم، عامل اصلي باكتري را شناسايي كنند. اما سوال مهم اين است كه متخصصين بهداشت مواد غذايي، يا حتي نهادهاي قانون‌گذار در حوزه‌ي مواد غذايي، چه راهكاري را براي حل چنين اشكالاتي در پيش خواهند گرفت؟ 

همان‌طور كه گفته شد، تيم تحقيقاتي دنگ، با استفاده از يادگيري ماشين در تلاش هستند تا ويژگي‌هاي ژنتيكي كه مي‌تواند در تشخيص باكتري سالمونلا موثر باشد را شناسايي كنند. يكي از موضوعاتي كه دانشمندان با آن درگير هستند، اين است كه وقتي باكتري سالمونلا از طريق ميزباني مثلا خوك منتقل مي‌شود، ژنوم آن با گذشت زمان كمي تغيير مي‌كند. تيم تحقيقاتي دنگ، درصدد هستند با كمك الگوريتم مبتني بر يادگيري ماشيني، بتوانند اثر انگشت ژنتيكي باكتري سالمونلا را كه از طريق خوك منتقل شده است، شناسايي كرده و اين الگوريتم آن‌قدر قوي باشد كه بتواند باكتري سالمونلا كه از طريق گاو منتقل شده را از خوك تشخيص دهد.

باكتري سالمونلا انواع مختلفي دارد و تيم تحقيقاتي دانشمندان روي يكي از رايج‌ترين گونه‌هاي سالمونلا به نام تيفي (Typhimurium)‌ كه در ايالات متحده‌ي آمريكا از ساير گونه‌ها شايع‌تر است، تمركز كرده‌اند. اين تيم تحقيقاتي تاكنون بيش از ۱۴۰۰ توالي ژنوم تيفي را در سراسر جهان رديابي كرده‌اند. محققان براي انجام اين كار از اطلاعات موجود در پايگاه‌هاي سلامت عمومي الكترونيك نيز كمك گرفته‌اند. در نتيجه محققان نمونه‌هاي مختلفي از باكتري سالمونلا كه از طريق خوك‌ها، گاوها، مرغ و پرندگان وحشي شيوع پيدا كرده بودند در اختيار داشتند تا بتوانند الگوريتم مبتني بر يادگيري ماشيني را يادگيري بدهند. 

تيم تحقيقاتي، الگوريتم را با نمونه‌هايي از هشت بيماري شايع كه منشا آن حيواني بوده است، مورد مطالعه قرار دادند. الگوريتم تنها با مطالعه ژنوم، تونست منشا هفت باكتري سالمونلا را از بين هشت بيماري شايع تشخيص دهد. الگوريتم در شناسايي عامل باكتري سالمونلا از طريق مرغ و گوشت خوك عملكرد خوبي از خود نشان داد. محققان سير تكاملي باكتري سالمونلا مرتبط با حيوانات را مطالعه كردند و متوجه شدند كه الگوي جالبي دارد. ظاهرا باكتري سالمونلا در دهه‌ي ۱۹۹۰ در سراسر ايالات متحده شيوع پيدا كرده است. آنها متوجه شدند در آن مقطع زماني، توليد صنعتي محصولات دامي مي‌تواند يكي از دلايل شيوع بيماري‌هاي مربوط به باكتري سالمونلا باشد. 

بايد توجه داشته باشيم كه تشخيص دلايل شيوع باكتري سالمونلا يك وجه قضيه است و شناسايي عامل عفونت، وجه ديگر موضوع است. درنتيجه انتظار مي‌رود كه الگوريتم مبتني بر يادگيري ماشيني بتواند هر دو زاويه‌ي موضوع را پوشش دهد. در مطالعه‌هاي انجام‌شده براي تشخيص عامل شيوع باكتري سالمونلا مشخص شد كه تقريبا در يك سوم موارد، عامل اصلي باكتري گاو، خوك، مرغ و يا پرنده وحشي بوده است. بقيه‌ي موارد تقريبا مبهم بودند. حتي ممكن است كه افرادي كه دچار بيماري‌هاي مربوط به باكتري سالمونلا شده باشند، از طريق گونه‌هاي مختلف ميزبان اين باكتري شده باشند. دنگ معتقد است:

باكتري سالمونلا ممكن است از طريق ميزبان‌هاي مختلفي منتقل شده باشد و هيچ راهي براي پيش‌بيني منشا و عامل اصلي باكتري وجود ندارد.

در شرايط فعلي و در برخي موارد، ابزار مبتني بر يادگيري ماشين هم نمي‌تواند منشا اصلي باكتري را شناسايي كند. همان‌طور كه گفته شد، الگوريتم تنها روي چهار عامل اصلي متمركز شده و بالطبع براي شناسايي باكتري سالمونلا كه از طريق ماهي يا لاك پشت شيوع پيدا كرده باشد، هنوز يادگيري نديده است. دنگ معتقد است كه الگويتم بايد براي شناسايي ساير عوامل، يادگيري ببيند. وي معتقد است:

در حال مطالعه ژنوم‌هاي بيشتري هستيم و مطمئنا تعداد آنها در طول زمان افزايش خواهد يافت. با اينكه در شرايط فعلي اطلاعات محدودي در اين زمينه تهيه شده است، ولي همين اطلاعات كم و ظاهرا محدود، بهتر از نداشتن هيچ‌گونه اطلاعات است. اما بايد اعتراف كنيم كه هنوز راه زيادي بايد برويم و كارهاي بسياري به‌انجام برسانيم.