Gene regulatory relationships can be abstracted as a gene regulatory network (GRN), which plays a key role in characterizing complex cellular processes and pathways. Recently, graph neural networks (GNNs), as a class of deep learning models, have emerged as a useful tool to infer gene regulatory relationships from gene expression data. However, deep learning models have been found to be vulnerable to noise, which greatly hinders the adoption of deep learning in constructing GRNs, because high noise is often unavoidable in the process of gene expression measurement. Can we preferably prototype a robust GNN for constructing GRNs? In this paper, we give a positive answer by proposing a Quadratic Graph Attention Network (Q-GAT) with a dual attention mechanism. We study the changes in the predictive accuracy of Q-GAT and 9 state-of-the-art baselines by introducing different levels of adversarial perturbations. Experiments in the E. coli and S. cerevisiae datasets suggest that Q-GAT outperforms the state-of-the-art models in robustness. Lastly, we dissect why Q-GAT is robust through the signal-to-noise ratio (SNR) and interpretability analyses. The former informs that nonlinear aggregation of quadratic neurons can amplify useful signals and suppress unwanted noise, thereby facilitating robustness, while the latter reveals that Q-GAT can leverage more features in prediction thanks to the dual attention mechanism, which endows Q-GAT with the ability to confront adversarial perturbation. We have shared our code in https://github.com/Minorway/Q-GAT_for_Robust_Construction_of_GRN for readers' evaluation.


翻译:基因调控关系可抽象为基因调控网络(gene regulatory network, GRN),其在表征复杂细胞过程与通路中发挥关键作用。近年来,图神经网络(graph neural networks, GNNs)作为一类深度学习模型,已成为从基因表达数据推断基因调控关系的有力工具。然而,深度学习模型被发现易受噪声干扰,这极大阻碍了其在构建GRN中的应用,因为基因表达测量过程中高噪声往往难以避免。我们能否优先设计出鲁棒的GNN用于构建GRN?本文通过提出具有双重注意力机制的二次图注意力网络(Quadratic Graph Attention Network, Q-GAT)给出了肯定答案。我们通过引入不同水平的对抗扰动,研究了Q-GAT与9种最先进基线模型的预测精度变化。在大肠杆菌(E. coli)和酿酒酵母(S. cerevisiae)数据集上的实验表明,Q-GAT在鲁棒性上优于现有最先进模型。最后,我们通过信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)和可解释性分析剖析了Q-GAT鲁棒的原因:前者表明二次神经元的非线性聚合可放大有效信号并抑制无关噪声,从而促进鲁棒性;后者揭示Q-GAT因双重注意力机制能在预测中利用更多特征,这赋予了Q-GAT对抗扰动的能力。相关代码已共享至https://github.com/Minorway/Q-GAT_for_Robust_Construction_of_GRN供读者评估。

0
下载
关闭预览

相关内容

图注意力网络(Graph Attention Network,GAT),它通过注意力机制(Attention Mechanism)来对邻居节点做聚合操作,实现了对不同邻居权重的自适应分配,从而大大提高了图神经网络模型的表达能力。
【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
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
105+阅读 · 2019年10月9日
GNN 新基准!Long Range Graph Benchmark
图与推荐
0+阅读 · 2022年10月18日
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
全球人工智能
20+阅读 · 2017年12月17日
【推荐】ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
机器学习研究会
20+阅读 · 2017年12月17日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12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
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Arxiv
13+阅读 · 2021年5月25日
Arxiv
27+阅读 · 2020年6月19日
Arxiv
38+阅读 · 2020年3月10日
Arxiv
18+阅读 · 2019年3月28日
VIP会员
最新内容
无人机自主控制与人工智能:系统性综述
专知会员服务
6+阅读 · 今天7:25
巡飞弹与反无人机系统——现代战场的两大支柱
专知会员服务
2+阅读 · 今天6:54
《打造“黄金舰队”》57页报告
专知会员服务
1+阅读 · 今天6:52
《北约数字教官网络发展路径》128页报告
专知会员服务
1+阅读 · 今天6:33
ECCV 2026 | MIMFlow:MIM与归一化流统一图像生成
专知会员服务
6+阅读 · 6月25日
网状网络及其在军事领域的运用
专知会员服务
7+阅读 · 6月25日
无美国参与的欧洲战争方式(万字长文)
专知会员服务
8+阅读 · 6月25日
《国防领域敏感性分析白皮书》
专知会员服务
9+阅读 · 6月25日
综述 | 从问答到任务完成:Agent系统与Harness设计
专知会员服务
10+阅读 · 6月24日
Agentic RL:框架、实践与长程智能体训练
专知会员服务
10+阅读 · 6月24日
相关资讯
GNN 新基准!Long Range Graph Benchmark
图与推荐
0+阅读 · 2022年10月18日
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
全球人工智能
20+阅读 · 2017年12月17日
【推荐】ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
机器学习研究会
20+阅读 · 2017年12月17日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12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
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员