通过有意改变参数控制肠道微生物组模型中的生态结果

广义 Lotka-Volterra (gLV) 方程是生态动力学的数学近似。我们关注一个肠道微生物组的 gLV 模型，其中肠道微生物状态的演化部分由编码微生物间环境介导的资源竞争的成对种间相互作用参数决定。我们开发了一种通过计算模拟(in silico)方法，通过调节这些相互作用参数来控制系统的稳态结果。该方法局限于 gLV 模型的双稳态区域。所关注的两种稳态被理想化为肠道微生物组的“健康”或“疾病”稳态。在该方法中，首先使用一种称为稳态约化 (SSR) 的降维技术生成二维 (2D) gLV 模型，该模型在由两种稳态张成的 2D 子空间上近似高维动力学。然后对 2D 模型进行分岔分析，解析地确定将易病初始条件驱动至健康稳态的参数修改。该约化 2D 模型的参数修改指导原始高维模型的参数修改，从而在高维模型中改变稳态结果。这种称为 SPARC (SSR 引导的参数改变) 的控制方法，绕过了直接在原高维系统中确定参数修改的计算挑战。SPARC 可指导间接细菌疗法的开发，后者旨在通过有意改变肠道环境变量（如肠道酸度或大量营养素可用性）来改变微生物组成。