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基于高斯过程的全局优化算法从图像数据中估计生物参数

Global optimization using Gaussian processes to estimate biological parameters from image data.

机构信息

Department for Biosystems Science and Engineering, ETH Zurich, Mattenstrasse 26, Basel 4058, Switzerland; Swiss Institute of Bioinformatics (SIB), Mattenstrasse 26, Basel 4058, Switzerland.

出版信息

J Theor Biol. 2019 Nov 21;481:233-248. doi: 10.1016/j.jtbi.2018.12.002. Epub 2018 Dec 7.

DOI:10.1016/j.jtbi.2018.12.002
PMID:30529487
Abstract

Parameter estimation is a major challenge in computational modeling of biological processes. This is especially the case in image-based modeling where the inherently quantitative output of the model is measured against image data, which is typically noisy and non-quantitative. In addition, these models can have a high computational cost, limiting the number of feasible simulations, and therefore rendering most traditional parameter estimation methods unsuitable. In this paper, we present a pipeline that uses Gaussian process learning to estimate biological parameters from noisy, non-quantitative image data when the model has a high computational cost. This approach is first successfully tested on a parametric function with the goal of retrieving the original parameters. We then apply it to estimating parameters in a biological setting by fitting artificial in-situ hybridization (ISH) data of the developing murine limb bud. We expect that this method will be of use in a variety of modeling scenarios where quantitative data is missing and the use of standard parameter estimation approaches in biological modeling is prohibited by the computational cost of the model.

摘要

参数估计是生物过程计算建模的主要挑战。在基于图像的建模中尤其如此,因为模型的固有定量输出是根据图像数据进行测量的,而图像数据通常是嘈杂的且是非定量的。此外,这些模型的计算成本可能很高,这限制了可行模拟的数量,从而使大多数传统的参数估计方法变得不合适。在本文中,我们提出了一种使用高斯过程学习从具有高计算成本的嘈杂、非定量图像数据中估计生物参数的流水线。该方法首先成功地对具有检索原始参数目标的参数函数进行了测试。然后,我们通过拟合发育中的鼠肢芽的人工原位杂交 (ISH) 数据将其应用于生物环境中的参数估计。我们期望该方法将在各种建模场景中得到应用,在这些场景中,定量数据缺失,并且由于模型的计算成本,生物建模中标准的参数估计方法是不允许的。

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