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      新的機(jī)器學(xué)習(xí)算法揭示了細(xì)胞中的時(shí)間延遲相互作用
      
			
      
				2019-04-28 10:29:40
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      生物學(xué)家早就了解細(xì)胞內(nèi)的各個(gè)部分。但是這些部分如何相互作用并相互作用在很大程度上是未知的。西北大學(xué)的Neda Bagheri說：“我們希望了解細(xì)胞如何做出決定，因此我們可以控制他們做出的決定。”“一個(gè)細(xì)胞可能決定不受控制地分裂，這就是癌癥的情況。如果我們了解細(xì)胞如何做出決定，那么我們就可以設(shè)計(jì)干預(yù)策略。”
      

      新的機(jī)器學(xué)習(xí)算法揭示了細(xì)胞中的時(shí)間延遲相互作用
      

      為了更好地理解細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的神秘相互作用，Bagheri和她的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以幫助連接基因在細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的相互作用。該算法稱為“用于網(wǎng)絡(luò)生成的滑動窗口推理”或SWING，它使用時(shí)間序列數(shù)據(jù)來揭示蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。
      

      該研究得到了美國國家科學(xué)基金會，國立衛(wèi)生研究院和西北大學(xué)生物技術(shù)培訓(xùn)項(xiàng)目的支持，今天在線發(fā)表在“美國國家科學(xué)院院刊”上。Bagheri實(shí)驗(yàn)室的研究生Justin Finkle和Jia Wu擔(dān)任該論文的共同第一作者。
      

      在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中，研究人員經(jīng)常通過改變其功能來擾亂一個(gè)主題，然后測量主體的反應(yīng)。例如，研究人員可能會使用一種針對基因表達(dá)水平的藥物，然后觀察基因和下游成分的反應(yīng)。但是，這些研究人員很難知道遺傳景觀的變化是藥物的直接影響還是細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的其他活動的影響。
      

      “雖然許多算法會詢問提示信號的響應(yīng)，”Finkle說，“我們更有創(chuàng)造性地使用時(shí)間序列數(shù)據(jù)來揭示不同基因之間的聯(lián)系，并將它們置于因果關(guān)系中。”
      

      SWING通過結(jié)合時(shí)間延遲和滑動窗口，可以更全面地了解基因之間發(fā)生的因果關(guān)系。SWING使用時(shí)間分辨的高吞吐量數(shù)據(jù)來整合這些響應(yīng)發(fā)生所需的時(shí)間，而不僅僅是查看單個(gè)擾動和響應(yīng)。
      

      “其他算法假設(shè)細(xì)胞反應(yīng)在時(shí)間上或多或少均勻，”吳說。“我們合并了一個(gè)包含不同時(shí)間范圍的窗口，因此它可以捕獲具有動態(tài)輪廓或不同時(shí)間延遲的響應(yīng)。”
      

      “動力學(xué)非常重要，因?yàn)樗粌H僅是細(xì)胞對特定輸入做出反應(yīng)，而是如何，”Bagheri補(bǔ)充道。“它是否緩慢?是否快速?是脈沖還是更有活力?例如，如果我引入一種藥物，細(xì)胞會立即反應(yīng)，然后恢復(fù)或?qū)λ幬锂a(chǎn)生抗藥性嗎?理解這些動力學(xué)可以指導(dǎo)新藥的設(shè)計(jì)。“
      

      在設(shè)計(jì)算法后，Bagheri的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中通過計(jì)算機(jī)模擬和體外大腸桿菌和釀酒酵母模型對其進(jìn)行了驗(yàn)證。該算法是開源的，現(xiàn)在可以在線獲得。盡管它最初設(shè)計(jì)用于探測細(xì)胞的內(nèi)部，神秘生命，但該算法可以應(yīng)用于隨時(shí)間顯示活動的許多受試者。
      

      “該框架不是特定于細(xì)胞信號傳導(dǎo)，甚至不是生物學(xué)背景，”Bagheri說。“它可以在非常廣泛的背景下使用，例如經(jīng)濟(jì)學(xué)或金融學(xué)。我們希望它可以產(chǎn)生很大的影響。”
      
			

			
        
      
			
      
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