基于深度門控信息瓶頸的異質生物網絡復雜疾病相關microRNA預測模型

《Engineering Applications of Artificial Intelligence》:Deep gate information bottleneck-based prediction model for complex disease-related micro-ribonucleic acids via heterogeneous biological networks

【字體: 時間:2025年05月23日 來源:Engineering Applications of Artificial Intelligence 7.5

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  本研究針對復雜生物網絡中microRNA(miRNA)與疾病關聯預測的噪聲冗余問題,提出多視圖門控變分信息瓶頸模型(MIBNet)。通過門控機制壓縮無關信息并增強任務相關特征,結合圖神經網絡實現異質網絡的多尺度特征融合。實驗證實該模型在HMDD v2.0/v3.2數據集上顯著提升預測性能,為疾病生物標志物發現提供智能分析工具。

  

在生命科學領域,microRNA(miRNA)作為調控基因表達的非編碼RNA,其異常表達與癌癥、心血管疾病等復雜疾病密切相關。然而,生物網絡的動態性、數據噪聲和異質性特征,使得傳統計算方法難以準確捕捉miRNA-疾病關聯,F有機器學習模型往往忽視結構信息冗余問題,且多視圖特征融合效率低下,制約了疾病標志物的發現效率。

針對這些挑戰,中國研究人員開發了多視圖門控變分信息瓶頸網絡(MIBNet)。該研究創新性地將門控機制與信息瓶頸理論結合,通過收縮門和擴張門動態調節特征流,有效過濾生物網絡中的噪聲。模型整合了miRNA的功能相似性、語義相似性和高斯相互作用核相似性,以及疾病的DAG語義特征,構建異質生物網絡進行多尺度表征學習。

關鍵技術包括:1) 門控變分信息瓶頸實現特征選擇與增強;2) 多視圖注意力機制融合功能、語義等異構特征;3) 基于HMDD v2.0/v3.2臨床驗證數據集,采用五折交叉驗證評估性能。

【數據表示】部分顯示,模型通過DAG(有向無環圖)計算疾病語義相似度,并采用高斯交互核(GIP)處理網絡拓撲特征。實驗證明這種多視圖表征能有效克服單一視角偏差。

【實驗設置】在HMDD數據集上的測試表明,MIBNet的AUC值顯著優于對比模型。消融實驗驗證了門控機制和信息瓶頸對性能提升的貢獻率分別達到12.7%和9.3%。

結論指出,該研究首次將門控機制引入信息瓶頸框架,通過動態特征選擇解決了生物網絡中的信息冗余問題。相比傳統方法,模型在保持83.6%計算效率的同時,將預測準確率提高15.2%。這項工作不僅為復雜疾病相關miRNA預測提供了新范式,其門控變分架構對其它生物網絡分析任務也具有借鑒價值。

討論部分強調,未來可擴展模型到lncRNA-蛋白質互作預測等領域。研究獲得國家自然科學基金(62403437等)支持,相關成果發表于《Engineering Applications of Artificial Intelligence》,為智能醫療發展提供了重要方法論參考。

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