Hierarchical deep reinforcement learning reveals a modular mechanism of cell movement

模块化设计 强化学习 形态发生 计算机科学 推论 机制(生物学) 人工智能 利用 神经科学 生物 物理 计算机安全 生物化学 量子力学 基因 操作系统
作者
Zi Wang,Yichi Xu,Dali Wang,Jiawei Yang,Zhirong Bao
出处
期刊:Nature Machine Intelligence [Nature Portfolio]
卷期号:4 (1): 73-83 被引量:18
标识
DOI:10.1038/s42256-021-00431-x
摘要

Time-lapse images of cells and tissues contain rich information of dynamic cell behaviors, which reflect the underlying processes of proliferation, differentiation and morphogenesis. However, we lack computational tools for effective inference. Here, we exploit Deep Reinforcement Learning (DRL) to infer cell-cell interactions and collective cell behaviors in tissue morphogenesis from 3D, time-lapse images. We used Hierarchical DRL (HDRL), known for multiscale learning and data efficiency, to examine cell migrations based on images with ubiquitous nuclear label and simple rules formulated from empirical statistics of the images. When applied to C. elegans embryogenesis, HDRL reveals a multi-phase, modular organization of cell movement. Imaging with additional cellular markers confirms the modular organization as a novel migration mechanism, which we term sequential rosettes. Furthermore, HDRL forms a transferable model that successfully differentiates sequential rosettes-based migration from others. Our study demonstrates a powerful approach to infer the underlying biology from time-lapse imaging without prior knowledge.
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