Machine Learning and Control Principles for Computational Biology

计算生物学的机器学习和控制原理

基本信息

  • 批准号:
    10707916
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 44.75万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-09-01 至 2026-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Summary/Abstract With our increasing ability to measure biological data at scale and the digitalization of health records, computational thinking is becoming ever more important in the biological science and healthcare. The research directions proposed in this grant look to build robust machine learning models and tool for computational biology by including principles and analysis from other engineering fields, like control, that have a proven record of incorporating robustness into the systems they have automated. This increased robustness will save resources during the development of these machine learning models. It will also lead to more reliable diagnostics, clinical tools, and machine learning based biological discoveries. We have proposed three future research directions at the intersection of machine learning, control, and computational biology (a) modeling dynamical systems, (b) robust optimization schemes (c) control principles for in vivo modeling of microbial communities. The first proposed research area involves the development of flexible models for performing inference on dynamical systems models with time-series data. Dynamical systems models are able to learn mathematically causal relationships between variables, compared to other models whose parameters may only have correlative relationships. Our flexible models will be differentiable allowing them to be trained using the same efficient algorithms and hardware that have propelled deep learning models into the spotlight. These differentiable methods will allow for us to more easily integrate the uncertainty associated with biological measurements into our models. The second research area looks to develop more robust gradient optimization algorithms, the work horse for training deep neural networks. Many of the popular algorithms used to train deep neural networks were not explicitly designed to be robust. By developing more robust optimization techniques machine learning models trained on disparate data sets at different hospital or labs will be more reproducible and will require less time for tuning parameters, ultimately saving resources as well. These robust optimization techniques will also aid in the certification of machine learning based tools that will ultimately be deployed in the clinic. The third research area we propose is an approach for the discovery and design of robust microbial communities. Communities of commensal, or engineered, bacteria have long been proposed as alternative therapies for the treatment of gut related illness (“bugs as drugs”). We propose a top down approach to identifying putative microbial consortia members from time-series experiments with germ free mice colonized by complex flora. By beginning the consortia design process in vivo we hope to overcome the challenge that many other attempts at consortia construction have encountered where in vitro designed communities do not reproduce their intended properties once transferred into living host organisms. The tools from this work will be built using open access software and all data will be made easily accessible and explorable to the public.
摘要/摘要 鉴于我们不断提高了按大规模测量生物数据和健康记录数字化的能力, 在生物科学和医疗保健中,计算思维变得越来越重要。研究 在此赠款中提出的方向旨在建立强大的机器学习模型和计算生物学工具 通过包括来自其他工程领域的原则和分析,例如控制 增加其自动化系统的鲁棒性。这种增强的鲁棒性将节省资源 在这些机器学习模型的开发过程中。这也将导致更可靠的诊断,临床 工具和基于机器学习的生物学发现。我们已经提出了三个未来的研究指示 机器学习,控制和计算生物学的相交(a)建模动态系统,(b) 强大的优化方案(C)用于微生物群落体内建模的控制原理。第一个 提出的研究领域涉及开发灵活模型,以推断动态 具有时间序列数据的系统模型。动态系统模型能够数学学习 与其他参数可能仅具有相关性的模型相比,变量之间的关系 关系。我们的灵活模型将是可区分的,可以使用相同的高效培训它们 将深度学习模型引入聚光灯的算法和硬件。这些可区分 方法将使我们更容易地将与生物学测量相关的不确定性整合到 我们的模型。第二个研究领域旨在开发更强大的梯度优化算法,这是工作 训练深层神经元网络的马。许多用于训练深神经网络的流行算法是 没有明确设计为健壮。通过开发更强大的优化技术机器学习模型 在不同医院或实验室对不同医院的不同数据集培训将更可重现,并且需要更少的时间 调整参数,最终也节省资源。这些强大的优化技术也将有助于 最终将在诊所部署的基于机器学习的工具的认证。第三研究领域 我们建议是一种发现和设计强大微生物群落的方法。社区 长期以来一直提出了共生或工程的细菌作为肠道治疗的替代疗法 相关疾病(“虫子作为药物”)。我们提出了一种自上而下的方法来识别推定的微生物财团 通过复杂菌群定殖的时间序列实验的成员。从开始 联盟设计过程在体内,我们希望克服许多其他尝试在Consortia的挑战 在体外设计的社区没有重现其预期特性的地方遇到了建筑 一旦转移到活宿主生物体中。这项工作的工具将使用开放访问软件和 所有数据都将易于访问和探索公众。

项目成果

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