Artificial intelligence(AI) systems based on deep neural networks (DNNs) and machine learning (ML) algorithms are increasingly used to solve critical problems in bioinformatics, biomedical informatics, and precision medicine. However, complex DNN or ML models that are unavoidably opaque and perceived as black-box methods, may not be able to explain why and how they make certain decisions. Such black-box models are difficult to comprehend not only for targeted users and decision-makers but also for AI developers. Besides, in sensitive areas like healthcare, explainability and accountability are not only desirable properties of AI but also legal requirements -- especially when AI may have significant impacts on human lives. Explainable artificial intelligence (XAI) is an emerging field that aims to mitigate the opaqueness of black-box models and make it possible to interpret how AI systems make their decisions with transparency. An interpretable ML model can explain how it makes predictions and which factors affect the model's outcomes. The majority of state-of-the-art interpretable ML methods have been developed in a domain-agnostic way and originate from computer vision, automated reasoning, or even statistics. Many of these methods cannot be directly applied to bioinformatics problems, without prior customization, extension, and domain adoption. In this paper, we discuss the importance of explainability with a focus on bioinformatics. We analyse and comprehensively overview of model-specific and model-agnostic interpretable ML methods and tools. Via several case studies covering bioimaging, cancer genomics, and biomedical text mining, we show how bioinformatics research could benefit from XAI methods and how they could help improve decision fairness.


翻译:以深层神经网络(DNN)和机器学习(ML)算法为基础的人工智能(AI)系统日益被用于解决生物信息学、生物医学信息学和精密医学等关键问题。然而,复杂的DNN或ML模型不可避免地变得不透明,被视为黑箱方法,可能无法解释其为什么和如何做出某些决定。这些黑箱模型不仅难以为目标用户和决策者,而且难以为AI开发者理解。此外,在诸如保健等敏感领域,解释性和问责不仅是AI的可取性质,而且也包括法律要求 -- -- 特别是当AI对人类生活产生重大影响时。可解释的人工智能(XAI)是一个新兴领域,目的是减轻黑箱模型的不透明性,并使人们有可能解释它们是如何以透明方式做出决定的。一个可解释的生物箱模型可以解释如何做出预测,以及哪些因素影响模型的结果。在可解释的模型的模型中,大多数可解释的ML方法都是以域名化方式开发的,并且源于计算机视野、自动解释性推理学、甚至直接解释性分析方法的。我们无法直接解释的论文分析这些方法。

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