Biochemical reaction networks are an amalgamation of reactions where each reaction represents the interaction of different species. Generally, these networks exhibit a multi-scale behavior caused by the high variability in reaction rates and abundances of species. The so-called jump-diffusion approximation is a valuable tool in the modeling of such systems. The approximation is constructed by partitioning the reaction network into a fast and slow subgroup of fast and slow reactions, respectively. This enables the modeling of the dynamics using a Langevin equation for the fast group, while a Markov jump process model is kept for the dynamics of the slow group. Most often biochemical processes are poorly characterized in terms of parameters and population states. As a result of this, methods for estimating hidden quantities are of significant interest. In this paper, we develop a tractable Bayesian inference algorithm based on Markov chain Monte Carlo. The presented blocked Gibbs particle smoothing algorithm utilizes a sequential Monte Carlo method to estimate the latent states and performs distinct Gibbs steps for the parameters of a biochemical reaction network, by exploiting a jump-diffusion approximation model. The presented blocked Gibbs sampler is based on the two distinct steps of state inference and parameter inference. We estimate states via a continuous-time forward-filtering backward-smoothing procedure in the state inference step. By utilizing bootstrap particle filtering within a backward-smoothing procedure, we sample a smoothing trajectory. For estimating the hidden parameters, we utilize a separate Markov chain Monte Carlo sampler within the Gibbs sampler that uses the path-wise continuous-time representation of the reaction counters. Finally, the algorithm is numerically evaluated for a partially observed multi-scale birth-death process example.


翻译:- 化学反应网络是一系列反应的集合,其中每个反应表示不同物种之间的相互作用。通常,这些网络表现出多尺度行为,由于反应速率和物种丰度的高变异性所引起。所谓的跳动扩散近似是建模此类系统的有价值工具。该近似是通过将反应网络分为快速反应子组和慢速反应子组来构建的。这使得可以使用快速子组的朗之万方程来建模其动力学,同时保持慢速子组的马尔可夫跳跃过程模型的动力学。由于生化过程通常在参数和种群状态方面描述较差,因此估计隐藏量的方法具有重要意义。在本文中,我们基于马尔可夫链蒙特卡罗方法开发了一个可行的贝叶斯推断算法。所提出的阻塞吉布斯粒子平滑算法利用顺序蒙特卡罗方法来估计潜在状态,并通过利用跳动扩散逼近模型,对生化反应网络的参数执行不同的吉布斯步骤。所提出的阻塞吉布斯采样器基于状态推断和参数推断这两个不同的步骤。在状态推断步骤中,我们通过连续时间前向-后向平滑过程来估计状态。通过在后向平滑过程中利用自助粒子滤波器,我们可以采样一个平滑轨迹。为了估计隐藏参数,我们在Gibbs采样中使用单独的Markov链蒙特卡罗采样器,利用反应计数器的逐路径连续时间表示。最后,我们利用部分观察的多尺度出生-死亡过程示例对该算法进行了数值评估。

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