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Physics-constrained neural ordinary differential equation models to discover and predict microbial community dynamics

可解释性 机器学习 人工智能 过度拟合 计算机科学 人工神经网络 模块化(生物学) 计算模型 灵活性(工程) 适应性 动力学(音乐) 深度学习 预测建模 生化工程 核(代数) 嵌入 生物系统
作者
Jaron Thompson,Bryce Connors,Ví­ctor M. Zavala,Ophelia S. Venturelli
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:123 (13): e2517661123-e2517661123
标识
DOI:10.1073/pnas.2517661123
摘要

Microbial communities play essential roles in shaping ecosystem functions and predictive modeling frameworks are crucial for understanding, controlling, and harnessing their properties. Competition and cross-feeding of metabolites drives microbiome dynamics and functions. Existing mechanistic models that capture metabolite-mediated interactions in microbial communities have limited flexibility due to rigid assumptions. While machine learning models provide flexibility, they require large datasets, are challenging to interpret, and can overfit to experimental noise. To overcome these limitations, we develop a physics-constrained machine learning model, which we call the neural species mediator (NSM), that combines a mechanistic model of metabolite dynamics with a machine learning component. The NSM outperforms mechanistic or machine learning components on in vitro experimental datasets and provides insights into direct biological interactions. In summary, carefully embedding a neural network into a mechanistic model of microbial community dynamics improves prediction performance and interpretability compared to its constituent mechanistic or machine learning components.
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