Latent variable models such as the Variational Auto-Encoder (VAE) have become a go-to tool for analyzing biological data, especially in the field of single-cell genomics. One remaining challenge is the interpretability of latent variables as biological processes that define a cell's identity. Outside of biological applications, this problem is commonly referred to as learning disentangled representations. Although several disentanglement-promoting variants of the VAE were introduced, and applied to single-cell genomics data, this task has been shown to be infeasible from independent and identically distributed measurements, without additional structure. Instead, recent methods propose to leverage non-stationary data, as well as the sparse mechanism shift assumption in order to learn disentangled representations with a causal semantic. Here, we extend the application of these methodological advances to the analysis of single-cell genomics data with genetic or chemical perturbations. More precisely, we propose a deep generative model of single-cell gene expression data for which each perturbation is treated as a stochastic intervention targeting an unknown, but sparse, subset of latent variables. We benchmark these methods on simulated single-cell data to evaluate their performance at latent units recovery, causal target identification and out-of-domain generalization. Finally, we apply those approaches to two real-world large-scale gene perturbation data sets and find that models that exploit the sparse mechanism shift hypothesis surpass contemporary methods on a transfer learning task. We implement our new model and benchmarks using the scvi-tools library, and release it as open-source software at \url{https://github.com/Genentech/sVAE}.


翻译:诸如 VAE 等隐性变量模型( VAE ) 已经成为一个分析生物数据的工具, 特别是在单细胞基因组学领域。 剩下的挑战之一是潜在变量作为生物过程的可解释性, 确定细胞的身份。 除生物应用外, 这个问题通常被称作学习分解的表达方式。 虽然引入了VAE 中的若干分解促进变体, 并应用于单细胞基因组数据, 但这一任务已经从独立和相同的分布式测量中显示出不可行, 特别是在单细胞基因组学领域。 相反, 最近的方法提议利用非静止数据, 以及分散的机制变换假设, 以了解与因果关系的表达方式。 在此, 我们将这些方法的应用扩大到分析单细胞基因组数据, 以及遗传或化学的渗透数据。 更确切地说, 我们建议一个深度的直位/ 基因组表达模型, 将我们每个分解的直位模型, 都作为内部流模型, 而不是额外的结构。

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