Modern high-throughput biological datasets containing thousands of perturbations enable large-scale discovery of causal graphs that represent regulatory interactions between genes. Differentiable causal graphical models and regression-based methods have been developed to infer gene regulatory networks (GRNs) from interventional datasets. However, existing approaches fail to capture the non-linear dynamics of biological processes such as cellular differentiation. To address this limitation, we propose PerturbODE, a novel framework that employs interpretable neural ordinary differential equations (neural ODEs) to model cell state trajectories under perturbations and derive the underlying causal GRN from the neural ODE parameters, enabling downstream simulation of unseen genetic interventions. The GRN is encoded via a single-hidden-layer feedforward network, implicitly grouping genes into interpretable co-regulated modules. We demonstrate PerturbODE's efficacy in GRN inference and extension to perturbation response prediction across both simulated and real overexpression datasets.


翻译:现代高通量生物数据集包含数千种扰动,使得大规模发现代表基因间调控相互作用的因果图成为可能。可微分因果图模型和基于回归的方法已被开发用于从干预数据集中推断基因调控网络(GRN)。然而,现有方法未能捕捉生物过程(如细胞分化)的非线性动态。为解决这一局限性,我们提出PerturbODE框架,该框架采用可解释神经常微分方程对扰动下的细胞状态轨迹进行建模,并从神经ODE参数中推导出潜在的因果GRN,从而实现对未知遗传干预的下游模拟。GRN通过单隐藏层前馈网络编码,隐式地将基因分组为可解释的共调控模块。我们在模拟和真实过表达数据集上展示了PerturbODE在GRN推断及扰动响应预测扩展方面的有效性。

0
下载
关闭预览

相关内容

现代人工智能辅助药物发现中的图神经网络
专知会员服务
17+阅读 · 2025年6月10日
【Nature.Mac.Intel】基于DNA调控电路的分子卷积神经网络
专知会员服务
11+阅读 · 2022年8月7日
专知会员服务
75+阅读 · 2020年8月25日
【清华大学】图随机神经网络,Graph Random Neural Networks
专知会员服务
156+阅读 · 2020年5月26日
基于图神经网络的推荐算法总结
机器学习与推荐算法
25+阅读 · 2021年9月30日
“推荐系统”加上“图神经网络”
机器学习与推荐算法
12+阅读 · 2020年3月23日
神经网络常微分方程 (Neural ODEs) 解析
AI科技评论
43+阅读 · 2019年8月9日
图神经网络最近这么火,不妨看看我们精选的这七篇
人工智能前沿讲习班
37+阅读 · 2018年12月10日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 5月12日
VIP会员
最新内容
从采集到决策:美军视角下的战术情报范式重构
专知会员服务
1+阅读 · 今天2:42
《履带式无人地面战车技术发展现状》
专知会员服务
2+阅读 · 今天1:46
《无人机脆弱性利用:网络空间力量的新域》
专知会员服务
2+阅读 · 8月1日
美空军如何将人工智能从战场部署至后方机关
专知会员服务
11+阅读 · 7月31日
《史诗怒火行动:多域前瞻评估》49页报告
专知会员服务
7+阅读 · 7月31日
《英国防部:未来空战系统数字化战略》33页
专知会员服务
5+阅读 · 7月31日
《面向自主飞行网络的智能体人工智能架构》
专知会员服务
7+阅读 · 7月31日
相关资讯
基于图神经网络的推荐算法总结
机器学习与推荐算法
25+阅读 · 2021年9月30日
“推荐系统”加上“图神经网络”
机器学习与推荐算法
12+阅读 · 2020年3月23日
神经网络常微分方程 (Neural ODEs) 解析
AI科技评论
43+阅读 · 2019年8月9日
图神经网络最近这么火,不妨看看我们精选的这七篇
人工智能前沿讲习班
37+阅读 · 2018年12月10日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员