基于希尔伯特空间构造独立性度量辨识基因网研究

【摘要】生物信息学是一门关于生物学数据处理的学科，它将病理研究建立在精确的数据分析和模型构建的基础上，能够推动未来的疾病预测、预防、个性化、系统化等方面的发展，对生物医学产生深远的影响。基因调控网络是生物网络中的一种类型，也是后基因组信息学的主要研究内容之一，它是根据生物信息学的技术和方法以数据分析、建模和推断等方式所研究出的复杂的网络关系。传统的基因调控网络重构方法有布尔网络模型、互信息关联模型、微分方程模型、贝叶斯模型等，在对这几种常见方法的理解与掌握的基础上，本研究提出了一种新颖的基因调控网络重构方法——Hilbert-Schmidt独立性准则(Hilbert-SchmidtIndependenceCriterion–HSIC)。HSIC方法通过在再生核希尔伯特空间上构造协方差算子，并以数学的方式推导出协方差算子与独立性、条件独立性的关系，然后以此来辨识基因间的结构关系。它不依赖生物先验知识，并且约束条件少，既不要求数据符合某种特定的分布也无需对数据做线性或者椭圆性等假设，是一种非参数的方法，这使得HSIC方法具有良好的推广性。由于计算手段的限制，统计学利用相关性来描述变量间的关联度，但基因调控网络的本质是基因间相互作用的因果关系，因此无法用相关性来真正辨识基因之间的结构关系。统计独立性比数据拟合度、相关性、模型简单性等指标更接近于对因果关系的描述，通过在再生核希尔伯特空间中定义一个统计量把对原空间统计特性描述的维数扩展到无穷维，这样可以更精确地描述变量间的独立性关系。充分降维方法是根据条件独立性理论提出的一种有监督的学习方法，该方法将寻找有效子空间的思想转化为一个优化问题，并推断出两种优化的度量方法，即行列式法和trace法。本研究通过仿真实验证明这两种度量方法在降维方面均具有良好的可行性与可靠性，说明该方法作为统计独立性的推广性应用能在实际生活中充分发挥作用。同时为了更全面地呈现HSIC方法的结构辨识能力，本研究将HSIC方法应用于DREAM项目中具有不同数据特点的三个挑战：DREAM2Challenge5、DREAM4Challenge2和DREAM3Challenge4，其中DREAM2Challenge5作为稳态数据的代表，DREAM4Challenge2作为时间序列数据的代表，DREAM3Challenge4作为稳态与时间序列融合数据的代表，而选择DREAM项目作为研究对象是因为该项目的目的是通过研究细胞网络领域中实验结果与理论推断之间的关系来评价在生物学系统中所建立的模型的好坏。在各个挑战中HSIC方法分别与经典的基因调控网络建模方法进行比较，结果证明HSIC方法在辨识准确率以及计算效率上都有一定的优势，从而更完整地验证了HSIC具有良好的基因网络重构能力。
【作者】金丽艳；
【导师】厉力华；韩斌；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，模式识别与智能系统，2014，硕士
【关键词】生物信息学；基因调控网络；建模方法；因果关系；条件独立性；

【参考文献】
[1]胡聪聪.基于系统动力学的产业集群竞争力研究[D].哈尔滨工业大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[2]钱新,李荣奎.诺瓦机SDPL自动绘图系统[J].石油地球物理勘探,1982,05:80-83.
[3]刘宁钟.高维条码识别技术和编码理论的研究[D].南京理工大学,2003.
[4]杨自厚.人工智能技术及其在钢铁工业中的应用──第七讲　人工智能技术在钢铁工业中的应用[J].冶金自动化,1994,06:43-46.
[5]宋鑫.容滞网络中的概率路由协议研究和改进[D].安徽大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[6]高爱华.农业害虫生物防治模式及效果评价研究[D].南京农业大学,农村与区域发展,2013,硕士.
[7]常裕博.顺应论视角下的善意谎言研究[D].河北大学,英语语言文学,2014,硕士.
[8]衡艳红.风格传译的文体学研究[D].山西师范大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[9]孙卫娜.新时期党内思想政治教育制度研究（1978-1992年）[D].首都师范大学,思想政治教育,2014,硕士.
[10]刘元元.基于融合框架的压缩感知信号重构算法研究[D].湖南师范大学,电路与系统,2013,硕士.
[11]林为民,苏芳,李景学.PLC-5/250在轧钢控制系统中的应用[J].冶金自动化,1993,05:13-15+58.
[12]吴正娴.国有商业银行业务流程再造研究[D].华中师范大学,情报学,2003,硕士.
[13]孙启臻.沿江3城市植物园植物群落结构及综合评价[D].安徽农业大学,园林植物与观赏园艺,2012,硕士.
[14]金华良.若干补肾与益气中药对大鼠哮喘模型的作用与机制研究[D].复旦大学,中西医结合临床（专业学位）,2013,博士.
[15]吴晓玲.Wnt/β-catenin信号对巨噬细胞抗结核分枝杆菌感染的免疫调控机制研究[D].宁夏大学,草业科学,2014,博士.
[16]张宏宇.660MW W火焰锅炉布置燃尽风后炉内气固两相流场的研究[D].哈尔滨工业大学,热能工程,2013,硕士.
[17]王娟玲.初中数学空间与图形的教与学研究[D].扬州大学,课程与教学论,2011,硕士.
[18]袁荣华.初中历史民族关系史教学方法和目的的研究[D].内蒙古师范大学,教育（专业学位）,2013,硕士.
[19]王丽君.分离错误信号驱动和频率信息驱动的错误后减慢效应[D].西南大学,基础心理学,2014,硕士.
[20]徐维东.内隐幸福感研究[D].华东师范大学,2006.
[21]肖恒.可控硅拖动系统中加速电流的求取[J].冶金自动化,1986,06:55-56.
[22]沈国江,王啸虎,孔祥杰.短时交通流量智能组合预测模型及应用[J].系统工程理论与实践,2011,03:561-568.
[23]王涛.基于层级标签的社会标注模型研究[D].大连理工大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[24]姜茜.影子跟读训练对外语学习的影响[D].上海外国语大学,英语语言文学,2012,硕士.
[25]李程.牧草图像的数字处理方法研究[D].内蒙古农业大学,计算机应用技术,2012,硕士.
[26]邢鹏飞.海洋平台压缩机组甲板结构振动特性分析及改进[D].大连海事大学,船舶与海洋工程,2014,硕士.
[27]范立.浅谈日记体小说汉译的写作风格再现[D].苏州大学,翻译（专业学位）,2014,硕士.
[28]丰云恺,李宁,任丽,任丙彦.热处理对掺镓直拉单晶硅中缺陷及少子寿命的影响[J].稀有金属.
[29]盖蓉蓉.股东表决权制度研究[D].山东大学,法律（专业学位）,2013,硕士.
[30]周洲.大豆水分吸着等温线及夏季储藏的安全水分[D].南京财经大学,农产品加工及贮藏工程,2012,硕士.
[31]刘阳.20世纪50-60年代美国粮食援助政策研究[D].云南师范大学,世界史,2013,硕士.
[32]洪振,张美娟,康诗钊,秦利霞,李向清.氧化石墨烯包覆的铌酸钾微球光催化还原水制氢性能研究[A].中国化学会.第十三届固态化学与无机合成学术会议论文摘要集[C].中国化学会:,2014:1.
[33]贺庆利.老年人年龄刻板印象的差异及影响研究[D].西南大学,应用心理学,2013,硕士.
[34]谢忠,傅鹂.数据挖掘——证券投资分析的有力工具[J].软件导刊,2005,17:15-17.
[35]王露.明代弘嘉之际吴中文学思想研究[D].复旦大学,中国古代文学,2013,博士.
[36]尚大帅.机载LiDAR点云数据滤波与分类技术研究[D].解放军信息工程大学,摄影测量与遥感,2012,硕士.
[37]钱程远.APE1小分子抑制剂的筛选鉴定及其抗肿瘤活性研究[D].第三军医大学,肿瘤学,2014,博士.
[38]陈明.计算机技术在珠宝首饰生产加工中的应用研究[D].中国地质大学（北京）,计算机技术,2014,硕士.
[39]陈志明.中国证券市场保荐人制度探究[D].厦门大学,工商管理,2014,硕士.
[40]杨杰,周小四,沈利.家庭远程医疗监护报警和咨询智能系统[J].高技术通讯,2002,06:4-9.
[41]陈晓曾.基于自适应滤波的智能旋翼控制律研究[D].南京航空航天大学,机械电子工程,2004,硕士.
[42]黄凤.基于SECE评价模型的武汉市可持续竞争力研究[D].沈阳师范大学,旅游管理,2014,硕士.
[43]赵鹏.李雅庄35kV变电站微机保护系统设计与实施[D].太原科技大学,电气工程,2014,硕士.
[44]刘文雯.明清时期广州水环境与城市发展研究[D].华南理工大学,城市规划与设计,2014,硕士.
[45]谢保军.先取特权制度之比较研究[D].华东政法学院,法律,2004,硕士.
[46]王聪.晶体拉曼放大器和反斯托克斯激光器的理论与实验研究[D].山东大学,光学工程,2014,博士.
[47]常旭.2205双相不锈钢电阻点焊接头组织及力学性能的研究[D].太原科技大学,材料加工工程,2014,硕士.
[48]康立乾,王辉,孙宏如,张玉萍.用微机实现勘探成果图件彩色显示[J].石油地球物理勘探,1997,S2:163-168+190.
[49]崔娜娜.从关联理论看俄语幽默的汉译[D].吉林大学,俄语语言文学,2013,硕士.
[50]张晓晖.电采暖技术与应用的研究[D].东北农业大学,农业电气化与自动化,2003,硕士.