ИИ выявил скрытые модели поведения у бактерий

Фото из открытых источников

Исследовательская команда из Университета Райса при помощи системы искусственного интеллекта изучила самоорганизацию бактериальных сообществ Myxococcus xanthus. Это почвенный микроб, живущий колониями палочковидных клеток. Когда сообществу не хватает пищи, а колония разрослась, клетки сливаются в единую структуру — плодовое тело. При этом часть из них трансформируется в устойчивые споры, а другим приходится жертвовать собой.

Учеными записано свыше 900 покадровых «фильмов», где снимки производились каждую минуту. Получен материал о самоорганизации 292 штаммов миксобактерий в течение 24 часов. Разрешение не позволяет разглядеть отдельные клетки, но демонстрирует изменения в локальной плотности в процессе реорганизации роев в агрегаты и плодовые тела.

Для анализа этого объёмного огромного массива данных была создана ИИ‑система из трех частей: глубокий кодировщик производил сжимание кадра в набор из 13 числовых значений, генеративная модель формировала картинку на их основе, а контрастная сеть отличала значимые биологические различия от малосущественных вариаций.

Таким образом ИИ удалось выявить скрытые закономерности самоорганизации, незаметные человеку, и опровергнуть убеждение о хаотичном подготовительном этапе после начала голодания. Модель могла с точностью 80−85% предсказывать, сможет ли популяция формировать агрегаты, даже если исходные изображения выглядели идентичными.

Также она выявила влияние генетических мутаций на поведение бактерий: M. xanthus обладает двумя системами подвижности («социальной» и «авантюрной»). Они регулируются разными генами и провоцируют свои особые последствия. Метод позволил по-новому измерять сложные биологические закономерности и прояснил связь между генотипом и поведенческими реакциями организма.