大規(guī)模的基因表達(dá)分析已經(jīng)被廣泛用于表征在各種疾病條件、遺傳擾動(dòng)等條件下的細(xì)胞狀態(tài)。隨著科技的發(fā)展,雖然全基因組表達(dá)值的成本已經(jīng)逐步下降,但是要生成一個(gè)成千上萬的樣本的基因表達(dá)值仍然是非常昂貴的。認(rèn)識(shí)到基因表達(dá)通常是高度相關(guān)的,美國國立衛(wèi)生研究院LINCS項(xiàng)目的研究人員開發(fā)了一種經(jīng)濟(jì)有效的方案,他們挑選出了大約1000個(gè)左右的landmark基因,并證實(shí)這些挑選的基因能捕捉到80%左右的信息。那么就可以利用這些較少的基因,使用一些機(jī)器學(xué)習(xí)的知識(shí),在較短的時(shí)間內(nèi)以較高的準(zhǔn)確度進(jìn)行模擬全基因組的基因表達(dá)值分析。機(jī)器學(xué)習(xí)的方法有較多,常見的如線性回歸、決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)以及一些聚類方法等。其中,LINCS項(xiàng)目組使用了基于線性回歸的方法;Yifei Chen,Yi Li等人使用了深度學(xué)習(xí)的方法。但是上面兩種方法仍然存在一定的缺陷,線性回歸不能捕捉到基因表達(dá)間復(fù)雜的非線性的關(guān)系,所以準(zhǔn)確度不高;而深度學(xué)習(xí)的方法雖然在準(zhǔn)確度上比線性回歸好,但是過于復(fù)雜,花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)。綜合線性回歸和深度學(xué)習(xí)這兩種算法各自的優(yōu)缺點(diǎn),本文提出一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)的基因表達(dá)預(yù)測(cè)方法。通過自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)SOM將原始數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換成區(qū)域內(nèi)相似的二維數(shù)據(jù),然后將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法做訓(xùn)練。由于數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)量大而且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不使用GPU加速會(huì)嚴(yán)重影響訓(xùn)練速度,因此需要通過GPU加速深度學(xué)習(xí)速度,最后驗(yàn)證結(jié)果。為驗(yàn)證基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基因表達(dá)預(yù)測(cè)算法的可行性與預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度,本文分別使用了GEO、GTEx、1000G三種數(shù)據(jù)集進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并與以上兩種算法做對(duì)比分析。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TP18
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題背景和意義
    1.2 領(lǐng)域研究現(xiàn)狀
    1.3 本文主要工作
    1.4 本文組織結(jié)構(gòu)
第2章 研究背景介紹
    2.1 生物背景介紹
    2.2 相關(guān)算法及結(jié)果評(píng)估介紹
        2.2.1 線性回歸
        2.2.2 嶺回歸
        2.2.3 Lasso回歸
        2.2.4 反向傳導(dǎo)算法
        2.2.5 自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)SOM
        2.2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
    2.3 深度學(xué)習(xí)及其配置環(huán)境介紹
        2.3.1 深度學(xué)習(xí)的背景及發(fā)展過程
        2.3.2 神經(jīng)元模型
        2.3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類
        2.3.4 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
        2.3.5 CUDA及GPU加速介紹
    2.4 本章小結(jié)
第3章 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)的基因表達(dá)預(yù)測(cè)方法
    3.1 數(shù)據(jù)來源
    3.2 基于深度學(xué)習(xí)的基因表達(dá)預(yù)測(cè)方法介紹
        3.2.1 算法理論
        3.2.2 算法流程
    3.3 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)的基因表達(dá)預(yù)測(cè)方法及流程介紹
        3.3.1 算法思考背景及思想
        3.3.2 算法架構(gòu)
        3.3.3 算法流程
        3.3.4 程序偽代碼
    3.4 本章小結(jié)
第4章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    4.1 GEO數(shù)據(jù)集上的結(jié)果與分析
    4.2 GTEX數(shù)據(jù)集上的結(jié)果與分析
    4.3 本章小結(jié)
第5章 總結(jié)與展望
    5.1 總結(jié)
    5.2 展望
參考文獻(xiàn)
作者簡(jiǎn)介及在學(xué)期間取得的科研成果
致謝

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