Investigating pooling in graph neural networks for cancer genomics classification and the generalizability of pan-cancer models to cancer-specific predictions

• Autor(a) principal: Fontanari, Thomas Vaitses
• Data de Publicação: 2023
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: eng
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFRGS
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/10183/272037
• topic: Genômica do câncer; Redes neurais; Aprendizado de máquina; Cancer genomics; GNN; Pooling; Interpretabiliy; Few-shot learning

Novas tecnologias de sequenciamento levaram à geração massiva de dados de expressão gênica, possibilitando a análise e modelagem dos aspectos genômicos de doenças críticas, como o câncer. Nesse contexto, modelos de aprendizado de máquina (AM) são de fundamental importância, pois podem auxiliar médicos em ambientes clínicos e também na identificação de marcadores biológicos que podem levar à descoberta de novas terapias. No entanto, a alta dimensionalidade e não-linearidade desses dados, aliada à baixa disponibilidade de exemplos, especialmente para tipos mais raros de cânceres, dificulta a sua análise. Esses fatores levaram a propostas de vários modelos de AM que poderiam trabalhar com dados de genômicos de câncer. Dentre esses, diferentes arquiteturas de re des neurais foram desenvolvidas, e alguns trabalhos recentes propuseram o uso de redes neurais de grafo (GNN) para incorporar redes biológicas prévias aos modelos. De forma geral, no entanto, esses trabalhos não exploraram de maneira mais aprofundada a etapa de pooling, fundamental na classificação no nível do grafo quando são usadas as GNNs. Assim, uma parte importante dessa dissertação é dedicada a analisar como o pooling, ba seado no agrupamento hierárquico dos nodos da rede biológica de entrada, impacta no desempenho das GNNs nas tarefas de classificação com dados genômicos de câncer. Entre nossos resultados, descobrimos que múltiplos níveis de agrupamento do grafo têm um impacto geral negativo no desempenho, mas que isso pode ser parcialmente contornado quando o pooling com pesos e as convoluções de grafo são usadas. Mostramos também que esses modelos levam a genes significativos quando são interpretados usando métodos baseados em gradientes, muitos dos quais foram estudados anteriormente no contexto de cânceres e terapias contra o câncer. Além disso, interpretamos os modelos nos níveis de menor resolução dos grafos, gerados por meio das operações de agrupamento, e desco brimos que os supernodos, relacionados aos agrupamentos de genes no grafo de entrada, estão frequentemente super-representados em processos biológicos associados a câncer. Como subproduto de nossos experimentos, observamos que os modelos pan-câncer alcançaram alto desempenho em comparação com os específicos para o câncer. Por causa disso, também exploramos neste trabalho como a inclusão de amostras de diferentes tipos de cânceres poderia melhorar os resultados em tarefas de classificação para grupos específicos, focando apenas nas redes neurais tradicionais. Nossos resultados indicaram que a inclusão de amostras de outros tipos de cäncer reduz a variância dos modelos, melhorando seu desempenho, e é mais benéfica quando o conjunto de dados é pequeno e desequilibrado. Finalmente, também mostramos que é possível obter um bom desempenho em tarefas com dados de tipos de câncer que não foram observados no treinamento.