教学参考-41

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。