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        scMAG:通過多階段深度融合及流形感知門控技術整合單細胞多組學數據

        《Computational Biology and Chemistry》:scMAG:Integrating Single-Cell Multi-Omics Data via Multi-Stage Deep Fusion with Manifold-Aware Gating

        【字體: 時間:2026年02月27日 來源:Computational Biology and Chemistry 3.1

        編輯推薦:

          單細胞多組學數據整合方法scMAG通過多階段特征深度融合與流形感知門控策略,平衡異質組學層對齊和模態分布保持,顯著提升聚類精度與可視化效果,抑制生物噪聲與測量誤差。實驗驗證其在多數據集上優于現有方法,尤其在去批次效應、降維及軌跡推斷方面表現優異。

          
        李雙全|鄒俊浩
        哈爾濱工業大學自動化學院,中國黑龍江省哈爾濱市,150080

        摘要

        單細胞組學技術現已能夠同時對單個細胞內的多種基因組模式進行分析。整合這些多組學數據需要計算框架,這些框架能夠在保持生物學真實性的同時建立跨模態關聯。一個核心挑戰在于平衡兩個相互競爭的目標:異構組學層之間的對齊以及特定模式的分布保留。過度對齊可能導致語義丟失,而嚴格的分布保留可能會在潛在表示中引發模式分離。這種根本性的權衡凸顯了需要先進策略來協調整合精度與生物學真實性。本文創新性地提出了一種多階段特征深度融合形式化方法,該方法結合了組學多核流形保持和引導性門控優化策略,并設計了scMAG算法。該框架旨在提高單細胞多組學的聚類精度和數據可視化效果,同時實現多組學潛在空間的自適應對齊,并優化環境空間中的組學數據分布,有效抑制生物噪聲和測量誤差。為了全面評估scMAG算法,我們將配對數據集scRNA-seq與scATAT-seq和ADT進行了對比。我們一致觀察到,scMAG在聚類效果和數據可視化清晰度方面優于其他算法。進一步的多任務實驗分析表明,這種提升源于scMAG能夠改善數據空間中潛在特征的分布,并在多組學之間自適應地平衡共享信號和特定模式的信號。scMAG不僅顯著提高了聚類性能,還在特征降維、批量效應去除、多模態數據整合、細胞軌跡推斷等方面表現出色,并且具有良好的生物學可解釋性。這種方法為多模態單細胞數據的深入分析提供了新的理論支持和實踐參考。

        章節摘錄

        背景

        單細胞技術的快速發展顯著推進了細胞研究,使得單細胞轉錄組(scRNA-seq)、表觀基因組(scATAC-seq)和蛋白質組等多維分析成為可能。隨著這些技術的不斷突破和數據資源的積累,越來越需要能夠整合不同模態信息的計算方法,以便對單細胞多組學數據進行聯合分析

        scMAG工作流程

        scMAG是一種端到端的單細胞聚類分析方法,其整體流程如圖1A所示。在將單細胞組學的原始數據轉換為提高信噪比并確保更準確可靠的數據表示后,scMAG模型通過多階段融合和門控機制學習低維流形表示,從而獲得高效的聚類結果。這些結果隨后被用于各種下游任務分析

        聚類性能

        我們使用ARI和NMI聚類指標評估了scMAG在9個數據集上的聚類性能。對于RNA和ATAC數據集,有5個單批次數據集(SLN111-D1、SLN111-D2、SLN206-D1、SLN206-2、PBMC)和2個雙批次數據集(SLN111、SLN206),以及5個單細胞多組學模型(BREM-SC、TotalVI、CiteFuse、Seurat、Sputer)。對于RNA和ATAC數據集,它們都是單批次數據集,并與三個單細胞多組學模型(Seurat、Cobolt、scMM)進行了比較。見圖2

        去批次效應

        我們評估了scMAG的去批次效應能力,如圖6所示。從對比圖表中可以看出,scMAG在實現高質量聚類的同時顯著減少了批次效應的影響。這表明該模型在跨批次整合方面具有良好的魯棒性和適應性,構建的聚類流形空間在特征表示上有所改進(scMAG與對比模型之間的批次效應對比圖表見

        討論

        本文提出了一種通過多階段深度融合和流形感知門控來整合單細胞多組學數據的方法,旨在實現特征降維、去除批次效應、數據整合、軌跡推斷,并在提高聚類性能的同時提升數據質量。通過對大量單細胞多組學數據集的實驗研究,已經證明scMAG確實在聚類性能上取得了顯著改進

        結論

        本文提出了一種通過多級深度融合和流形感知門控(scMAG)來整合單細胞多組學數據的方法,為異構組學整合和聚類分析提供了有效的研究工具。該方法利用流形正則化來保持數據分布和流形結構,有效增強了數據的空間分布。這對于多層感知器擬合分布參數和完整建模ZINB非常有益

        倫理批準和參與同意

        不適用。

        資助

        本研究未獲得外部資助。

        CRediT作者貢獻聲明

        李雙全:撰寫 – 審稿與編輯。鄒俊浩:撰寫 – 原始草稿。

        利益沖突聲明

        作者聲明沒有利益沖突。

        致謝

        不適用。

        作者貢獻

        本文由作者鄒俊浩獨立構思和撰寫,導師李雙全通過定期討論提供了學術指導。

        出版同意

        不適用。
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