相似度融合网络：用于聚合不同的基因数据类型：Similarity network fusion for aggregating data types on a genomic scale

论文标题：Similarity network fusion for aggregating data types on a genomic scale.

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论文总结

• 论文以计算机视觉多视图方式为启发，设计了一种图融合网络用于解决基因数据不能综合处理的困难。现有的基因数据非常丰富，有各种类型的基因数据可以利用。但现有的基因数据处理方式大多数是只利用一种基因数据，例如只使用DNA或者是只使用mRNA，不能综合所有的基因数据，得到一个既有共享信息又有互补信息的处理结果。本文考虑将患同一种癌症的病人组成一个群体，利用群体里面每个病人个体的不同基因数据分别构建不同的图，并设计了一个图融合方式，将不同的图融合成一个最终的图，最终的图包括了所有的基因信息数据，因此是一个综合的结果，利用该综合的结果进行聚类，可以将癌症分为不同的亚型，利用该综合结果进行回归任务，可以对病人的生存风险进行预测。论文的框架和模型的结构如下：
  

问题陈述

• 现有的科技可以获得各种基因数据，但是将各种基因数据综合起来处理还存在一些问题：
  • 病人较少但是测量的基因数据非常多；
  • 各种基因数据不统一，且各个数据上都存在噪声；
  • 如何提取各种基因数据上的互补信息。
• 已经有一些方法可以综合使用所有种类的基因数据，但是存在各种问题：
  • 基于拼接的方式：存在低信噪比的问题；
  • 独立分析后拼接：数据独立，容易产生不同的输出结果，不能统一；
  • 基因预先选择：聚焦公共信息，缺失了互补信息；
  • 机器学习聚类：对于预先选择的基因数量特别敏感。
• 本文提出SNF：Similarity network fusion：
  • 为每一类构建一个相似度网络；
  • 用非线性方法融合所有的相似度网络得到一个单一的输出网络。
• SNF的优势：
  • 同时包含不同基因类型的公共信息和互补信息，提取的信息比较全面；
  • 可以综合处理多种基因数据，对噪声鲁棒，可用于样本少的情况；
  • 迭代融合的过程可以去除弱连接，增强强连接。

方法

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• 上图以融合两种基因数据为例，原始的数据是一批患有同一种癌症的病人，分别提取每一个病人的DNA甲基化数据和mRNA基因数据。a图展示了每一个病人的两种基因数据，纵轴表示每个病人，横轴表示一条基因数据。b图展示了病人之间两两相似度计算后的相似度矩阵，c图是根据相似度矩阵画出的图，节点表示病人，连接的边表示了相似度的大小，即权值。c图中边只有一种颜色，此时边是纯净的，即每一条边都是由单一数据计算出来的。d图表示了图融合的 过程。通过融合迭代公式的不断迭代，两个图逐渐融合，互相学习得到各自的“长处”，最终达到收敛条件时，得到最终的融合图，即e，此时边不是纯净的，每条边都是由两种数据综合计算出来的。

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• 论文以一个细胞瘤数据集进行了分析，展示了SNF的具体过程，这里使用了三种基因数据，首先也是根据这三种基因数据分别进行构图，构图后对三个图进行融合。利用融合之后的图进行聚类和生存预测。使用谱聚类的方式将病人聚类成不同的癌症亚型，并将网络作为一个正则化项，加入到回归任务中，得到病人的生存风险预测。

• 相似度计算公式：
  
  
  

• 图融合迭代公式：
  
  

• 谱聚类损失函数：
  

• 回归系数更新公式：
  

评估

• 指标1：P值，表示样本检查结果有显著意义的最低水平；
• 指标2：轮廓分数，用于评估聚类，同类靠近，异类远离；
• 指标3：运行时间，测试网络的伸缩性的方法。

结论

• 本文使用了一个相似度融合的网络，可以综合处理各种基因数据，得到丰富全面的特征，用于后续的聚类和回归任务。

笔记

• 本文来源于多视图，但也可以返回应用于多视图；
• 聚类的评估指标可以借鉴。

参考文献

• Bayesian correlated clustering to integrate multiple datasets.
• On spectral clustering: analysis and an algorithm.
• A tutorial on spectral clustering.