Biological Reasoning with Reinforcement Learning through Natural Language Enables Generalizable Zero-Shot Cell Type Annotations
Notice bibliographique
Résumé
Abstract Single-cell RNA-sequencing (scRNAseq) has reshaped biomedical research, enabling the high-resolution characterization of cellular populations. Yet cell type annotation, a process typically performed by domain experts interpreting gene expression patterns by manual curation or with specialized algorithms, remains labor-intensive and limited by prior knowledge. In addition, while reasoning large language models (LLMs) have demonstrated remarkable performance on mathematics, coding and general-reasoning benchmarks, their potential in scRNAseq analyses remains underexplored. Here, we investigate the advantages and limitations of employing DeepSeek-R1-0528, a recently developed open-source 671B-parameter reasoning LLM, for zero-shot scRNAseq cell type annotation. We find that DeepSeek-R1 prompted with a ranked list of 10 differentially expressed marker genes per cluster of single cells outperforms both its reasoning-enhanced, non-reasoning equivalent (DeepSeek-V3-0324) and GPT-4o in cluster-level annotations. At the level of single cells, DeepSeek-R1 prompted with the top 500 expressed genes in a cell outperforms its non-reasoning counterpart DeepSeek-V3, illustrating test-time scaling for bioinformatics tasks through natural language. Running DeepSeek-R1 in zero-shot classifier mode, with a prompt that presents a broad catalogue of cell type labels to choose from, improves its performance and generalizability across different datasets. On data curated by the expert model scTab (termed in-domain data), the DeepSeek-R1 classifiers perform better than the expert model scGPT and on par with the specialized cell genomics LLM C2S-Scale-1B, but lag behind scTab. On out-of-distribution data unseen by the two expert models, DeepSeek-R1 and its classifier versions generalize better and outperform the other models in the majority of the evaluated datasets. Notably, DeepSeek-R1 supports its cell type calls with interpretable textual biological rationales underlying its reasoning, providing a learning opportunity for researchers. Nevertheless, peak annotation performance remains modest, highlighting the intrinsic complexity of scRNAseq cell type annotation.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi 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.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,002 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,002 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
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.
score_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 découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».