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Enregistrement W4388076165 · doi:10.1136/jitc-2023-sitc2023.1316

1316 Enabling single-cell resolution in spatial transcriptomics for comprehensive cellular profiling with variational autoencoders and optimal transport

2023· article· en· W4388076165 sur OpenAlexaboutno aff
Long Yuan, Xuyang Li, Janis M. Taube, Alexander S. Szalay

Notice bibliographique

RevueRegular and Young Investigator Award Abstracts · 2023
Typearticle
Langueen
DomaineBiochemistry, Genetics and Molecular Biology
ThématiqueSingle-cell and spatial transcriptomics
Établissements canadiensnon disponible
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésComputer scienceNon-negative matrix factorizationAutoencoderPattern recognition (psychology)Artificial intelligenceDeconvolutionMatrix decompositionAlgorithmDeep learningPhysics

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

<h3>Background</h3> Spatial transcriptomics (ST) is a promising technique for understanding intercellular dynamics within their spatial context. However, existing ST technologies lack the ability to profile at the single-cell level.<sup>1 2</sup> Here we propose a method that combines optimal transport (OT) with variational autoencoder (VAE)-embedded latent spaces, allowing us to translate information from single-nuclei images obtained from the standard H&amp;E imaging in the ST pipeline to RNA expression profiles.<sup>3–9</sup> Thereafter, we can achieve ‘self-deconvolution’ and extrapolation from ST data. <h3>Methods</h3> We analyzed 219,096 single nuclei from a breast cancer sample using 10x Visium and StarDist for segmentation. To determine the optimal latent dimensions, we employed various intrinsic dimensionality (ID) detection methods on single-nuclei images and pre-processed transcriptomic data.<sup>10–13</sup> We developed a Sequencing-VAE with an auxiliary classification task to extract spot identity features and an Imaging-VAE with a nuclei painting proxy task to distill meaningful nuclei morphological features. Through Monge mapping, we translated single-nuclei images into coupling points in transcriptomic latent spaces, which could be decoded by the Sequencing-VAE to generate RNA profiling correspondence. <h3>Results</h3> We highlighted the importance of selecting optimal latent dimensions to extract meaningful information from the ambient spaces. Choosing minimal intrinsic dimensions resulted in higher concordance of gene importance compared to a non-negative matrix factorization (NMF)-based method (92/450 versus 74/450) (figure 1a). It also facilitated the sensible distribution of original spot-based sequencing data with RNA profiles from densely-sampled nuclei (figure 1b). The generated single-nuclei transcriptomic profiles exhibited a strong correlation with the original spot-level sequencing data (average correlation coefficient: 0.96) (figure 1d) while capturing cell-level heterogeneity (Jaccard index for spots with 1 nuclei versus more than 1 nuclei: 0.893 versus 0.191) (figure 1c). <h3>Conclusions</h3> Our research highlights the valuable information embedded within nuclei morphologies, which can be extracted and translated into gene expression through deep learning and proper mapping functions. This is evidenced by the strong correlation observed between the translated RNA samples and the original RNA samples. Our approach enables higher spatial resolution profiling of the tissue and captures heterogeneity within spots containing multiple nuclei. It also showcasesit’s the potential for deconvoluting spot-level RNA sequencing data into single-cell resolution using more informative cell imaging techniques such as multiplexed immunofluorescence (mIF). Considering the emerging use of mIF in precision medicine and its relative cost-effectiveness, our approach opens up possibilities for extrapolating localized gene expression profiles to larger tissue regions profiled with mIF. <h3>References</h3> SK Longo, MG Guo, AJ Ji, PA Khavari. Integrating single-cell and spatial transcriptomics to elucidate intercellular tissue dynamics, <i>Nat. Rev. Genet</i>. 2021;<b>22</b>:627–644. V Svensson, A Gayoso, N Yosef, L Pachter. Interpretable factor models of single-cell RNA-seq via variational autoencoders, <i>Bioinfo</i>. 2020;<b>36</b>:3418–3421. KD Yang, <i>et al.</i> Predicting cell lineages using autoencoders and optimal transport, <i>PLOS Comp. Biol</i>. 2020. U Schmidt, <i>et al.</i> Cell detection with star-convex polygons, In Proceedings of the 21st ICMICCAI, Granada (2018). M Weigert, <i>et al.</i> Star-convex polygedra for 3D object detection and segmentation in microscopy, <i>The IEEE Winter Conference on Applications of Computer Vision</i> 2020. J Bac, <i>et al.</i> Scikit-Dimension: A Python Package for intrinsic dimension estimation, <i>Entropy</i> 2021;<b>23</b>:1368. L Albergante, J Bac, A Zinovyev. Estimating the effective dimension of large biological datasets using Fisher separability analysis, In Proceedings of the 2019 IJCNN, <i>Budapest</i> 2019:1–8. K Johnsson, C Soneson, M Fontes. Low bias local intrinsic dimension estimation from expected simplex skewness, <i>IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell</i>. 2015;<b>37</b>:196–202. E Facco, M D’Errico, A Rodriguez, A Laio. Estimating the intrinsic dimension of datasets by a minimal neighborhood information, <i>Sci. Rep</i>. 2017;<b>7</b>:12140. P Grassberger, I Procaccia. 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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 distillée sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,000
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,000
Version: codex-gemma-dda1882f352aStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesMéta-épidémiologie (sens strict)
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Expérimental (laboratoire) · Signal consensuel: Expérimental (laboratoire)
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,094
Score d'incertitude au seuil1,000

Scores Codex et Gemma par catégorie

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,000
Bibliométrie0,0000,000
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0000,000
Science ouverte0,0000,000
Intégrité de la recherche0,0000,000
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0000,000

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 Opus0,025
Tête enseignante GPT0,222
Écart entre enseignants0,197 · 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 tête enseignante, pas un consensus.

Devis d'étudeExpérimental (laboratoire)
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

Citations0
Publié2023
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