Single cell RNA sequencing (scRNA-seq) data makes studying the development of cells possible at unparalleled resolution. Given that many cellular differentiation processes are hierarchical, their scRNA-seq data is expected to be approximately tree-shaped in gene expression space. Inference and representation of this tree-structure in two dimensions is highly desirable for biological interpretation and exploratory analysis. Our two contributions are an approach for identifying a meaningful tree structure from high-dimensional scRNA-seq data, and a visualization method respecting the tree-structure. We extract the tree structure by means of a density based minimum spanning tree on a vector quantization of the data and show that it captures biological information well. We then introduce DTAE, a tree-biased autoencoder that emphasizes the tree structure of the data in low dimensional space. We compare to other dimension reduction methods and demonstrate the success of our method experimentally. Our implementation relying on PyTorch and Higra is available at github.com/hci-unihd/DTAE.


翻译:单细胞 RNA 序列(scRNA-seq) 数据使研究细胞开发有可能以无与伦比的分辨率进行。鉴于许多细胞分化过程是等级的,它们的 scRNA 等值数据在基因表达空间中预计大约为树形。生物解释和探索分析非常需要从两个方面推断和表示这种树结构。我们的两个贡献是从高维的 scRNA-seq数据中确定有意义的树结构的方法,以及一种尊重树结构的直观化方法。我们通过在数据矢量的矢量定量树上以最小密度为基础提取树结构,显示它捕捉到生物信息的情况良好。我们随后引入DTAE, 一种以树为主的自动编码,强调低维空间数据的树形结构。我们比较了其他的减少维度方法,并展示了我们方法的成功性。我们在 Github.com/hci-unihd/DTAE 上可以使用PyTorrch和Higra。

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