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Enregistrement W2753536369 · doi:10.1186/s40168-017-0323-1

Learning Microbial Community Structures with Supervised and Unsupervised Non-negative Matrix Factorization

2017· article· en· W2753536369 sur OpenAlexafffund
Yun Cai, Hong Gu, Toby Kenney

Notice bibliographique

RevueMicrobiome · 2017
Typearticle
Langueen
DomaineBiochemistry, Genetics and Molecular Biology
ThématiqueGut microbiota and health
Établissements canadiensDalhousie University
Organismes subventionnairesNatural Sciences and Engineering Research Council of Canada
Mots-clésMicrobial ecologyNon-negative matrix factorizationBiologyMatrix decompositionMicrobial population biologyEcologyArtificial intelligenceComputational biologyMachine learningComputer scienceBacteriaPhysicsGenetics

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

BACKGROUND: Learning the structure of microbial communities is critical in understanding the different community structures and functions of microbes in distinct individuals. We view microbial communities as consisting of many subcommunities which are formed by certain groups of microbes functionally dependent on each other. The focus of this paper is on methods for extracting the subcommunities from the data, in particular Non-Negative Matrix Factorization (NMF). Our methods can be applied to both OTU data and functional metagenomic data. We apply the existing unsupervised NMF method and also develop a new supervised NMF method for extracting interpretable information from classification problems. RESULTS: The relevance of the subcommunities identified by NMF is demonstrated by their excellent performance for classification. Through three data examples, we demonstrate how to interpret the features identified by NMF to draw meaningful biological conclusions and discover hitherto unidentified patterns in the data. Comparing whole metagenomes of various mammals, (Muegge et al., Science 332:970-974, 2011), the biosynthesis of macrolides pathway is found in hindgut-fermenting herbivores, but not carnivores. This is consistent with results in veterinary science that macrolides should not be given to non-ruminant herbivores. For time series microbiome data from various body sites (Caporaso et al., Genome Biol 12:50, 2011), a shift in the microbial communities is identified for one individual. The shift occurs at around the same time in the tongue and gut microbiomes, indicating that the shift is a genuine biological trait, rather than an artefact of the method. For whole metagenome data from IBD patients and healthy controls (Qin et al., Nature 464:59-65, 2010), we identify differences in a number of pathways (some known, others new). CONCLUSIONS: NMF is a powerful tool for identifying the key features of microbial communities. These identified features can not only be used to perform difficult classification problems with a high degree of accuracy, they are also very interpretable and can lead to important biological insights into the structure of the communities. In addition, NMF is a dimension-reduction method (similar to PCA) in that it reduces the extremely complex microbial data into a low-dimensional representation, allowing a number of analyses to be performed more easily-for example, searching for temporal patterns in the microbiome. When we are interested in the differences between the structures of two groups of communities, supervised NMF provides a better way to do this, while retaining all the advantages of NMF-e.g. interpretability and a simple biological intuition.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,004
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,011
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,006
Score d'incertitude au seuil0,019

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0040,011
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,002
Bibliométrie0,0020,001
Études des sciences et des technologies0,0010,001
Communication savante0,0010,002
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0020,002
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,001

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,011
Tête enseignante GPT0,269
Écart entre enseignants0,258 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations52
Publié2017
Routes d'admission2
Résumé présentoui

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