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Enregistrement W3158786325 · doi:10.1101/2021.05.03.442488

Benchmark of data processing methods and machine learning models for gut microbiome-based diagnosis of inflammatory bowel disease

2021· preprint· en· W3158786325 sur OpenAlexaff
Ryszard Kubinski, Jean-Yves Djamen-Kepaou, Timur Zhanabaev, Álex Hernández-García, Stefan Bauer, Falk Hildebrand, Tamás Korcsmáros, Sani Karam, Prévost Jantchou, Kamran Kafi, Ryan Martin

Notice bibliographique

RevuebioRxiv (Cold Spring Harbor Laboratory) · 2021
Typepreprint
Langueen
DomaineBiochemistry, Genetics and Molecular Biology
ThématiqueGut microbiota and health
Établissements canadiensUniversité de MontréalCentre Hospitalier Universitaire Sainte-JustineMila - Quebec Artificial Intelligence Institute
Organismes subventionnairesBiotechnology and Biological Sciences Research Council
Mots-clésMachine learningGeneralizability theoryArtificial intelligenceComputer scienceMicrobiomeBenchmark (surveying)Support vector machineInflammatory bowel diseaseDiseaseMedicineBioinformaticsBiologyPathologyStatisticsMathematics

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Abstract Background Inflammatory bowel disease (IBD) patients wait months and undergo numerous invasive procedures between the initial appearance of symptoms and receiving a diagnosis. In order to reduce time until diagnosis and improve patient wellbeing, machine learning algorithms capable of diagnosing IBD from the gut microbiome’s composition are currently being explored. To date, these models have had limited clinical application due to decreased performance when applied to a new cohort of patient samples. Various methods have been developed to analyze microbiome data which may improve the generalizability of machine learning IBD diagnostic tests. With an abundance of methods, there is a need to benchmark the performance and generalizability of various machine learning pipelines (from data processing to training a machine learning model) for microbiome-based IBD diagnostic tools. Results We collected fifteen 16S rRNA microbiome datasets (7707 samples) from North America to benchmark combinations of gut microbiome features, data normalization methods, batch effect reduction methods, and machine learning models. Pipeline generalizability to new cohorts of patients was evaluated with four binary classification metrics following leave-one dataset-out cross validation, where all samples from one study were left out of the training set and tested upon. We demonstrate that taxonomic features obtained from QIIME2 lead to better classification of samples from IBD patients than inferred functional features obtained from PICRUSt2. In addition, machine learning models that identify non-linear decision boundaries between labels are more generalizable than those that are linearly constrained. Prior to training a non-linear machine learning model on taxonomic features, it is important to apply a compositional normalization method and remove batch effects with the naive zero-centering method. Lastly, we illustrate the importance of generating a curated training dataset to ensure similar performance across patient demographics. Conclusions These findings will help improve the generalizability of machine learning models as we move towards non-invasive diagnostic and disease management tools for patients with IBD.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,021
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,041
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,021
Score d'incertitude au seuil0,113

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0210,041
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0020,001
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,002
Bibliométrie0,0020,002
Études des sciences et des technologies0,0010,001
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0020,002
Intégrité de la recherche0,0010,002
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,001

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,033
Tête enseignante GPT0,293
Écart entre enseignants0,260 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations2
Publié2021
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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