Nicheformer: a foundation model for single-cell and spatial omics

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作者
Anna C. Schaar,Alejandro Tejada-Lapuerta,Giovanni Palla,Robert M. Gutgesell,Lennard Halle,Mariia Minaeva,Larsen Vornholz,Leander Dony,Francesca Drummer,Mojtaba Bahrami,Fabian J. Theis
标识
DOI:10.1101/2024.04.15.589472
摘要

Tissue makeup relies fundamentally on the cellular microenvironment. Spatial single-cell genomics allows probing the underlying cellular interactions in an unbiased, scalable fashion. To learn a unified cell representation that accounts for local dependencies in the cellular microenvironment, we propose Nicheformer, a transformer-based foundation model that combines human and mouse dissociated single-cell and targeted spatial transcriptomics data. Pretrained on over 57 million dissociated and 53 million spatially resolved cells across 73 tissues on cellular reconstruction, the model is fine-tuned on spatial tasks for spatial omics data to decode spatially resolved cellular information. Nicheformer excels in linear-probing and fine-tuning scenarios for a novel set of downstream tasks, in particular spatial composition prediction and spatial label prediction. We further show that existing foundation models trained on dissociated single-cell data alone are not capable of recapitulating the spatial complexity of cells in their microenvironments, indicating that multiscale models are required to understand complex local dependencies at scale. Nicheformer enables the prediction of the spatial context of dissociated cells, allowing the transfer of rich spatial information to scRNA-seq datasets. Overall, Nicheformer sets the stage for the next generation of machine-learning models in spatial single-cell analysis.
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