微软Premonition:像预报天气一样预测流行病

2020-09-28 | 作者:微软亚洲研究院

编者按:据估计,60%至75%的新兴传染病是由于病原体从动物转移至人类所引起,比如寨卡、西尼罗河、登革热以及最近发现的 COVID-19 等等。微软 Premonition 提供了一种先进的预警机制,能彻底改变疾病预防的研究范式——从对已知病原体的被动反应,转为不断主动搜寻,帮助人类及早发现潜在威胁,并在灾难爆发前制定干预措施。

“外面的天气怎么样?”如今我们只需通过智能助手、智能手机或互联网的简单搜索,就可以快速获得答案。事实上,气象预测的背后,是由各地气象站组成的全球传感器网络、高级数据分析工具和现代超级计算机所支撑的。

微软 Premonition 希望利用同样的方式,去预测地球生物群落或者日常生活中的微生物、病毒和携带疾病动物的分布和演进。如果监测生物群落可以像监测天气一样,那么未来人们就能够更早地发现环境中的病原体,并且可以在大流行之前预测疾病的爆发。

位于微软雷德蒙园区的 Premonition 项目“防疫试验场”

今天,我们比以往任何时候都更需要新的全球传感器网络,来保护人类自身的健康,以及经济和社会的持续发展。微软 Premonition 项目高级总监 Ethan Jackson 表示:“微软 Premonition 彻底改变了研究的范式,从对已知病原体的被动反应,转向了不断主动搜寻信号,而这些信号可以帮助我们及早发现潜在威胁,更快地做出反应,并在灾难爆发之前制定全新的干预措施。”

微软 Premonition 项目负责人 Ethan Jackson

微软 Premonition 是一套先进的预警系统。它结合了机器人感知平台、人工智能、预测分析和云规模宏基因组学,可以自动监测蚊子等携带疾病的动物,并自动收集环境样本,然后从基因组层面,通过扫描,来判断是否存在生物威胁。

与天气预报一样,微软 Premonition 的分析也用到了云计算,并且在微软 Azure 云平台上得到了 Azure IoT 和 Azure Data Lake 等最新研究进展的加持。如今,Premonition 项目已经扫描分析了来自环境样本的超过80万亿个碱基对,并从这些基因组资料中侦测到了一些生物威胁。

最新发布的微软 Premonition 云(Microsoft Premonition Cloud)借助微软 Azure 云平台对微软 Premonition 项目所收集的数据进行聚合和分析。新服务将在未来几周内通过“抢先体验计划”向社会开放。

“先发制蚊”,预设“寨卡病毒”保护伞

据估计,60%至75%的新兴传染病是由于病原体从动物转移至人类而引起的,其中就包括寨卡、西尼罗河、登革热以及最近发现的 COVID-19 等病毒。

2016年寨卡病毒首次在美洲出现时,微软团队对新监测方法的研究已有大约一年的时间。于是,研究人员迅速制作了原型机——早期版本的智能陷阱设备,这是一个类似于一栋圆柱形高层公寓的等比例缩小模型,可用于吸引、自主识别和捕获蚊子,从而为公共卫生部门的工作人员提供以前无法获得的数据流。该研究旨在帮助确定这些传播疾病的蚊子出现的时间和地点,以更好地了解寨卡病毒的风险。

美国德克萨斯州休斯敦市所辖的哈里斯县,是 Premonition 项目的最初部署地点,四年后的今天,微软 Premonition 和哈里斯县公共卫生局将进一步扩展合作关系,共建全球最先进的生物威胁侦测网络之一。“它将改变游戏的规则,”昆虫学家、约翰·霍普金斯大学分子微生物学和免疫学教授 Douglas E. Norris 这样描述 Premonition 项目的影响。

“我们目前在应对蚊子方面所做的一切都是被动反应,只有当我们看到很多蚊子的时候才会去喷洒大量的灭蚊剂。想象一下,如果有这样一个预测系统,它将会根据已掌握的数据和模型,提前预告你那里几天之内会出现很多蚊子。这样我们就可以在被叮咬之前‘先发制蚊’,提早喷洒灭蚊药物,也就不会出现大量可能导致疾病传播的‘轰炸机群’。无论对于人类还是环境而言,这都是一种更为健康的做法,也是更具成本效益的做法,特别是在 COVID-19 爆发,全球公共卫生部门的人力配备和预算都愈发捉襟见肘的大背景下,这样的做法意义深远。“

Premonition 项目建立在“一体健康”的理念上,它强调“人的健康取决于我们所生活的环境”。 秉承这一理念,Premonition 项目能够帮助公共卫生系统更好地衡量干预措施的有效性,以及各种方法的成本。大多数能够影响人类健康、社会和经济状况的事物都很“小”,例如节肢动物——蚊子、壁虱等,以及更小的微生物和病毒,它们的尺寸常常是以毫米、微米乃至纳米为单位。微软 Premonition 的机器人感知平台能够捕获、收集和汇集这些微小且通常貌似不可见的威胁,并分析有关数据。

“我们今天已有的各种传感器网络都无法看到这些重要的物种,例如收集数据、预测天气的网络,收集电网数据实现负载平衡的网络,或是收集交通状况信息进行路况预测的网络等等,”Jackson 说。“我们现在讨论的这些生命形式,对在全球部署的各类传感器而言,基本上都是不可见的。想到这一点,就会感到难以置信,因为我们对周边环境的感知竟然存在一个巨大的盲点。”

更迅速的传染病预警,正在路上

2016年,也就是寨卡病毒传播的最高风险期间,研究人员对哈里斯县的10个智能陷阱设备进行了训练,用于识别并有选择地捕获与疫情相关的蚊子,实际的捕获准确率高达90%。此外,通过宏基因组分析,研究人员还检测到了蚊子样本中的微生物和病毒,确定了它们赖以生存的动物类型。

随着微软 Premonition 即将上线,哈里斯县还将建立一个大规模的传感器网络,以提供“连续的生物态势感知能力,”Jackson 说道,“只需调出地图就能实时查看当前情况。当然,在现阶段该系统还无法成为一个能够与天气预报相媲美的预警系统,但是,提前24小时的预报已经足够让人们及早规划特定环境的干预措施了。”

哈里斯县公共卫生局执行总监 Umair Shah 博士说:“未来,我们希望可以在哈里斯县全境范围内实现快速、均等地监测和扑灭寨卡等新兴病原体。这项合作还将评估新的基因组分析能力,以便从环境样本中检测已知和新兴的病原体。我们知道,这种能力对于防范像 COVID-19 这样的疾病尤为重要。”公共卫生的未来“取决于创新”——创新的科学、创新的工程学和创新的政策,Shah 博士表示,“我们很高兴能与微软一起继续展开这趟旅程,共同学习。”

Jackson 介绍道,下一步就是要能够预测威胁发生的时间和地点,在时间上不仅是提前24小时,还要提前一个月。“要做到这一点,我们将需要对流行病学模型进行重构和重新设计,这样我们就可以告诉哈里斯县‘一个月后这里很可能爆发西尼罗河病毒。’”(西尼罗河病毒是哈里斯县蚊子传播的最主要病毒。)

过去5年间,Premonition 项目的技术已经在各种栖息环境中进行过测试,从佛罗里达礁岛的沙地,到非洲坦桑尼亚的偏远森林。Jackson 说,“生物学研究很难,但我们要用正确的方式进行。”科学不能急于求成。

Premonition 系统是在“防疫试验场”里开发出来的,这是一个符合“节肢动物收容等级2(ACL-2)”标准的场所。研究人员可在该场所内饲养野生蚊子,通过数字化的方式描述和观察它们,以便开发识别算法,并对装置设计加以评估。微软雷德蒙园区也是计算、扫描环境样本,以及寻找病原体的中心之一,这些样本由合作伙伴获取及测序。

跨学科、跨领域的创新实践:提前阻止流行病爆发

基于对基础科学的最佳理解开发合适的技术,其中的关键是与学术界开展深度合作。最近,美国国家科学基金会(NSF)为一批学术机构颁发了 NSF “融合加速器”奖,其中包括来自范德比尔特大学、约翰·霍普金斯大学、华盛顿大学健康度量和评估研究所、匹兹堡大学的学术合作伙伴。

美国国家科学基金会在颁奖中说道:“Premonition 项目将为人类健康和大流行病预防做出长期贡献。随着深层生物群落数据的成倍增长,生命科学将难以应对海量的基因组信息,人类必须通过融合的手段探求新的方法,才能有效利用这些数据,并自主获取有效信息。”

另外,工业界的合作也至关重要。提起拜耳公司,人们最熟知的或许是它的阿司匹林,但同时,它还是世界领先的农业公司之一。该公司在公共卫生领域也发挥着重要作用——为公共卫生部门提供抑制蚊子滋生的方法。例如,世界卫生组织的数据显示,2018年全球近一半的人口处于疟疾的风险之中。拜耳与病媒控制领域的其他领先企业合作,致力于在2040年之前消灭疟疾。

拜耳公司全球蔬菜种子和环境科学业务总裁 Jacqueline Applegate 表示,Premonition 项目将会让拜耳“以新的方式利用数据、信息工具和资源,这样我们才可以运用更规范、更优化的病媒控制策略,使其发挥最大的影响。随着干预变得越来越准确,我们将可以帮助一些资源受限的国家,腾出手来应对其他公共卫生问题。”

此外,由于新冠疫情,世界各国的病媒控制工作都被迫中断,卫生系统面临巨大压力,因此,拥有生物威胁预测系统比以往任何时候都显得更为重要,Applegate 表示,“任何能够让我们得以防患未然、积极进取地预防疾病的方式,都十分受欢迎。”

革新研究视角,不断“从头开始”

微软 Premonition 的首席硬件架构师 Nicolas Villar 正专注于设计下一代智能陷阱设备。实际上,除了计算机领域的“bug”(漏洞)之外,其他任何类型的“bug”(昆虫)都不属于他的专业所长。在本职工作中,Villar与其他同事共同负责了Torino项目——用于向视力障碍儿童讲授编程基础知识的工具,和 Emma 项目——旨在研究减轻肢体震颤对帕金森病患者影响的平台的开发工作。

微软首席硬件架构师 Nicolas Villar

Villar 说:“我主要从事交互式技术的研究,就是研究一些与人们接触十分密切,并在不同维度上改变着人们的学习、娱乐或健康方式的东西。学习与生物和昆虫打交道,对我来说是一次全新的尝试。促使我参与该项目的原因之一在于,尽管其中有许多工作是技术性的,但它的影响却是非常人文的。我们正在努力解决人类所面临的真正重大的问题,而其规模之巨大,令人振奋且难以置信。”

Jackson 说,“微软 Premonition 目前的研究视角与我们最初启动这个项目时相比,有着天壤之别。起初,我们提出了一个基本问题:‘我们能否通过蚊子在环境中的流动来了解病原体?’在研究的过程中,我们认识到,当时的技术无法大规模用于生物群落监测。所以我们构建了算法、新的数据驱动模型,并且从头开始搭建测试环境,以训练这些算法和模型——从真实的螺钉和面板到虚拟的云架构。学习需要花费时间和精力,现在我们已能够建立一个网络来监测细小的事物,只有这样才能预测重大的事件。”

进一步了解 Premonition,请访问:

https://innovation.microsoft.com/en-us/premonition

进一步了解有关微软 Premonition 背后的技术详细信息,请访问:

https://innovation.microsoft.com/en-us/exploring-premonition

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