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Deep enhanced constraint clustering based on contrastive learning for scRNA-seq data

计算机科学 聚类分析 人工智能 成对比较 约束(计算机辅助设计) 稳健性(进化) 特征学习 特征(语言学) 模式识别(心理学) 数据挖掘 机器学习 数学 哲学 几何学 基因 生物化学 化学 语言学
作者
Yanglan Gan,Yuhan Chen,Guangwei Xu,Wenjing Guo,Guobing Zou
出处
期刊:Briefings in Bioinformatics [Oxford University Press]
卷期号:24 (4) 被引量:3
标识
DOI:10.1093/bib/bbad222
摘要

Abstract Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) measures transcriptome-wide gene expression at single-cell resolution. Clustering analysis of scRNA-seq data enables researchers to characterize cell types and states, shedding new light on cell-to-cell heterogeneity in complex tissues. Recently, self-supervised contrastive learning has become a prominent technique for underlying feature representation learning. However, for the noisy, high-dimensional and sparse scRNA-seq data, existing methods still encounter difficulties in capturing the intrinsic patterns and structures of cells, and seldom utilize prior knowledge, resulting in clusters that mismatch with the real situation. To this end, we propose scDECL, a novel deep enhanced constraint clustering algorithm for scRNA-seq data analysis based on contrastive learning and pairwise constraints. Specifically, based on interpolated contrastive learning, a pre-training model is trained to learn the feature embedding, and then perform clustering according to the constructed enhanced pairwise constraint. In the pre-training stage, a mixup data augmentation strategy and interpolation loss is introduced to improve the diversity of the dataset and the robustness of the model. In the clustering stage, the prior information is converted into enhanced pairwise constraints to guide the clustering. To validate the performance of scDECL, we compare it with six state-of-the-art algorithms on six real scRNA-seq datasets. The experimental results demonstrate the proposed algorithm outperforms the six competing methods. In addition, the ablation studies on each module of the algorithm indicate that these modules are complementary to each other and effective in improving the performance of the proposed algorithm. Our method scDECL is implemented in Python using the Pytorch machine-learning library, and it is freely available at https://github.com/DBLABDHU/scDECL.
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