Benchmark of Data Processing Methods and Machine Learning Models for Gut Microbiome-Based Diagnosis of Inflammatory Bowel Disease
Notice bibliographique
Résumé
Patients with inflammatory bowel disease (IBD) 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. We collected fifteen 16S rRNA microbiome datasets (7,707 samples) from North America to benchmark combinations of gut microbiome features, data normalization and transformation methods, batch effect correction methods, and machine learning models. Pipeline generalizability to new cohorts of patients was evaluated with two binary classification metrics following leave-one-dataset-out cross (LODO) validation, where all samples from one study were left out of the training set and tested upon. We demonstrate that taxonomic features processed with a compositional transformation method and batch effect correction with the naive zero-centering method attain the best classification performance. In addition, machine learning models that identify non-linear decision boundaries between labels are more generalizable than those that are linearly constrained. Lastly, we illustrate the importance of generating a curated training dataset to ensure similar performance across patient demographics. 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.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi 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.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,025 | 0,046 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,002 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,002 |
| Bibliométrie | 0,002 | 0,002 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,001 |
| Communication savante | 0,002 | 0,002 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,002 |
| Intégrité de la recherche | 0,002 | 0,002 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,001 |
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.
score_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 découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».