Genes are fundamental for analyzing biological systems and many recent works proposed to utilize gene expression for various biological tasks by deep learning models. Despite their promising performance, it is hard for deep neural networks to provide biological insights for humans due to their black-box nature. Recently, some works integrated biological knowledge with neural networks to improve the transparency and performance of their models. However, these methods can only incorporate partial biological knowledge, leading to suboptimal performance. In this paper, we propose the Biological Factor Regulatory Neural Network (BFReg-NN), a generic framework to model relations among biological factors in cell systems. BFReg-NN starts from gene expression data and is capable of merging most existing biological knowledge into the model, including the regulatory relations among genes or proteins (e.g., gene regulatory networks (GRN), protein-protein interaction networks (PPI)) and the hierarchical relations among genes, proteins and pathways (e.g., several genes/proteins are contained in a pathway). Moreover, BFReg-NN also has the ability to provide new biologically meaningful insights because of its white-box characteristics. Experimental results on different gene expression-based tasks verify the superiority of BFReg-NN compared with baselines. Our case studies also show that the key insights found by BFReg-NN are consistent with the biological literature.


翻译:基因是分析生物系统的基础,近期许多研究利用深度学习模型通过基因表达数据完成各类生物任务。尽管这些模型表现优异,但由于其黑箱特性,深度神经网络难以提供人类可理解的生物学见解。近期,部分研究尝试将生物学知识与神经网络相结合,以提高模型的透明度和性能。然而,现有方法仅能整合部分生物学知识,导致性能次优。本文提出生物因子调控神经网络(BFReg-NN),这是一个用于建模细胞系统中生物因子关系的通用框架。BFReg-NN以基因表达数据为起点,能够将大多数现有生物学知识融入模型,包括基因或蛋白质间的调控关系(如基因调控网络(GRN)、蛋白质相互作用网络(PPI))以及基因、蛋白质和通路间的层次关系(如多个基因/蛋白质包含于同一通路)。此外,由于BFReg-NN具有白箱特性,它还能提供具有生物学意义的新见解。基于不同基因表达任务的实验结果表明,BFReg-NN在基线方法中表现优异。我们的案例研究也显示,BFReg-NN发现的关键见解与生物学文献结论一致。

0
下载
关闭预览

相关内容

具有动能的生命体。
【Nature machine intelligence】闭型连续时间神经网络
专知会员服务
30+阅读 · 2022年11月17日
【CIKM2020】神经逻辑推理,Neural Logic Reasoning
专知会员服务
51+阅读 · 2020年8月25日
【反馈循环自编码器】FEEDBACK RECURRENT AUTOENCODER
专知会员服务
23+阅读 · 2020年1月28日
征稿 | International Joint Conference on Knowledge Graphs (IJCKG)
开放知识图谱
2+阅读 · 2022年5月20日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
网络表示学习综述:一文理解Network Embedding
PaperWeekly
35+阅读 · 2018年8月14日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
【推荐】GAN架构入门综述(资源汇总)
机器学习研究会
10+阅读 · 2017年9月3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 · 2013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
0+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 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月29日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月25日
Knowledge Embedding Based Graph Convolutional Network
Arxiv
24+阅读 · 2021年4月23日
Recent advances in deep learning theory
Arxiv
52+阅读 · 2020年12月20日
Hierarchical Graph Capsule Network
Arxiv
20+阅读 · 2020年12月16日
VIP会员
最新内容
ECCV 2026 | MIMFlow:MIM与归一化流统一图像生成
专知会员服务
1+阅读 · 今天11:43
网状网络及其在军事领域的运用
专知会员服务
4+阅读 · 今天6:18
无美国参与的欧洲战争方式(万字长文)
专知会员服务
5+阅读 · 今天5:54
《国防领域敏感性分析白皮书》
专知会员服务
6+阅读 · 今天3:42
综述 | 从问答到任务完成:Agent系统与Harness设计
Agentic RL:框架、实践与长程智能体训练
专知会员服务
6+阅读 · 6月24日
重新思考无人机时代的生存能力
专知会员服务
9+阅读 · 6月24日
装甲突击旅:现代战争思考、战斗与组织
专知会员服务
7+阅读 · 6月24日
在人工智能加速决策环境中拓展OODA循环
专知会员服务
9+阅读 · 6月24日
相关VIP内容
【Nature machine intelligence】闭型连续时间神经网络
专知会员服务
30+阅读 · 2022年11月17日
【CIKM2020】神经逻辑推理,Neural Logic Reasoning
专知会员服务
51+阅读 · 2020年8月25日
【反馈循环自编码器】FEEDBACK RECURRENT AUTOENCODER
专知会员服务
23+阅读 · 2020年1月28日
相关资讯
征稿 | International Joint Conference on Knowledge Graphs (IJCKG)
开放知识图谱
2+阅读 · 2022年5月20日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
网络表示学习综述:一文理解Network Embedding
PaperWeekly
35+阅读 · 2018年8月14日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
【推荐】GAN架构入门综述(资源汇总)
机器学习研究会
10+阅读 · 2017年9月3日
相关论文
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 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013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
0+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 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员