BROCCOLI: overlapping and outlier-robust biclustering through proximal stochastic gradient descent

Matrix tri-factorization subject to binary constraints is a versatile and powerful framework for the simultaneous clustering of observations and features, also known as biclustering. Applications for biclustering encompass the clustering of high-dimensional data and explorative data mining, where the selection of the most important features is relevant. Unfortunately, due to the lack of suitable methods for the optimization subject to binary constraints, the powerful framework of biclustering is typically constrained to clusterings which partition the set of observations or features. As a result, overlap between clusters cannot be modelled and every item, even outliers in the data, have to be assigned to exactly one cluster. In this paper we propose Broccoli, an optimization scheme for matrix factorization subject to binary constraints, which is based on the theoretically well-founded optimization scheme of proximal stochastic gradient descent. Thereby, we do not impose any restrictions on the obtained clusters. Our experimental evaluation, performed on both synthetic and real-world data, and against 6 competitor algorithms, show reliable and competitive performance, even in presence of a high amount of noise in the data. Moreover, a qualitative analysis of the identified clusters shows that Broccoli may provide meaningful and interpretable clustering structures

Optimización de la factorización de matrices no negativas en Bioinformática

En los últimos años se ha incrementado el interés de la comunidad científica en la Factorización de matrices no negativas (Non-negative Matrix Factorization, NMF). Este método permite transformar un conjunto de datos de grandes dimensiones en una pequeña colección de elementos que poseen semántica propia en el contexto del análisis. En el caso de Bioinformática, NMF suele emplearse como base de algunos métodos de agrupamiento de datos, que emplean un modelo estadístico para determinar el número de clases más favorable. Este modelo requiere de una gran cantidad de ejecuciones de NMF con distintos parámetros de entrada, lo que representa una enorme carga de trabajo a nivel computacional. La mayoría de las implementaciones de NMF han ido quedando obsoletas ante el constante crecimiento de los datos que la comunidad científica busca analizar, bien sea porque los tiempos de cómputo llegan a alargarse hasta convertirse en inviables, o porque el tamaño de esos datos desborda los recursos del sistema. Por ello, esta tesis doctoral se centra en la optimización y paralelización de la factorización NMF, pero no solo a nivel teórico, sino con el objetivo de proporcionarle a la comunidad científica una nueva herramienta para el análisis de datos de origen biológico. NMF expone un alto grado de paralelismo a nivel de datos, de granularidad variable; mientras que los métodos de agrupamiento mencionados anteriormente presentan un paralelismo a nivel de cómputo, ya que las diversas instancias de NMF que se ejecutan son independientes. Por tanto, desde un punto de vista global, se plantea un modelo de optimización por capas donde se emplean diferentes tecnologías de alto rendimiento..

A Computational Framework for Learning from Complex Data: Formulations, Algorithms, and Applications

Many real-world processes are dynamically changing over time. As a consequence, the observed complex data generated by these processes also evolve smoothly. For example, in computational biology, the expression data matrices are evolving, since gene expression controls are deployed sequentially during development in many biological processes. Investigations into the spatial and temporal gene expression dynamics are essential for understanding the regulatory biology governing development. In this dissertation, I mainly focus on two types of complex data: genome-wide spatial gene expression patterns in the model organism fruit fly and Allen Brain Atlas mouse brain data. I provide a framework to explore spatiotemporal regulation of gene expression during development. I develop evolutionary co-clustering formulation to identify co-expressed domains and the associated genes simultaneously over different temporal stages using a mesh-generation pipeline. I also propose to employ the deep convolutional neural networks as a multi-layer feature extractor to generate generic representations for gene expression pattern in situ hybridization (ISH) images. Furthermore, I employ the multi-task learning method to fine-tune the pre-trained models with labeled ISH images. My proposed computational methods are evaluated using synthetic data sets and real biological data sets including the gene expression data from the fruit fly BDGP data sets and Allen Developing Mouse Brain Atlas in comparison with baseline existing methods. Experimental results indicate that the proposed representations, formulations, and methods are efficient and effective in annotating and analyzing the large-scale biological data sets

Mejora de métodos de análisis de datos con aplicación en datos biomédicos

Programa de Doctorado en Biotecnología, Ingeniería y Tecnología QuímicaLínea de Investigación: Ingeniería, Ciencia de Datos y BioinformáticaClave Programa: DBICódigo Línea: 111Hoy en día, el volumen de datos está creciendo con rapidez en una multitud de campos científicos como, por ejemplo, el campo biomédico. Con el aumento continuo del tamaño de las bases de datos, muchos enfoques tradicionales para el análisis de datos biológicos y biomédicos tienen como importante desafío el analizar esta gran cantidad de datos dentro de un tiempo razonable. Por este motivo, es evidente la necesidad de desarrollar nuevos métodos computacionales que puedan soportar el volumen, la variedad, la velocidad y la veracidad que caracterizan a estos tipos de datos. Las técnicas de aprendizaje automático y, más concretamente, las técnicas de Biclustering, se han convertido en una herramienta esencial para el análisis de este tipo de datos en cualquier tipo de estudio. Las nuevas características que definen los tipos de datos citados anteriormente, así como las decisiones incorrectas a la hora de gestionar los recursos computacionales hardware y software, hacen que las técnicas de Biclustering no sean aún eficientes a pesar de haber realizado grandes avances durante los últimos años para acelerar su rendimiento computacional. Por otro lado, cuanto mayor sea el volumen de datos, mayor será el número de posibles soluciones. Por lo que, desde la perspectiva del usuario final, realizar un análisis o validación de una cantidad ingente de soluciones biológicas se vuelve extremadamente desafiante. Esta tesis presenta tres principales aportaciones denominadas biGO, gBiBit y gMSR. biGO es una herramienta web de análisis de enriquecimiento de genes que permite obtener y mejorar el conocimiento biológico útil a partir de un conjunto de biclusters de entrada. Una de las mejoras de conocimiento biológico útil radica en que a través de un análisis visual, en forma de grafo interactivo, podemos determinar conexiones funcionales no sólo a nivel de términos biológicos de un mismo bicluster, sino, conocer las interconexiones funcionales entre los múltiples biclusters que intervienen en el experimento. El segundo trabajo denominado gBiBit es un algoritmo de Biclustering que ha sido diseñado para utilizar al máximo los recursos computacionales que ofrece un clúster de dispositivos GPU. El uso de dispositivos GPU ofrece una mejora sustancial del rendimiento computacional, pero, por su tecnología, no garantiza que puedan procesar grandes conjuntos de datos. El algoritmo que se presenta en esta tesis ha elaborado una metodología que no sólo permite ofrecer resultados en un tiempo razonable sino que es capaz de procesar grandes conjuntos de datos superando las limitaciones de estos dispositivos y que en otros trabajos sí que se ven representados. gMSR es una versión de la medida de proximidad MSR y que utiliza un clúster de dispositivos GPU para acelerar el rendimiento computacional de la medida original y ser capaz de validar la bondad de una cantidad ingente de biclusters. Hasta donde sabemos, esta tecnología aún no ha sido utilizada en ninguna técnica de validación de biclusters. Gracias a los trabajos propuestos, esta tesis doctoral aporta a la comunidad científica un mayor conocimiento sobre cómo los métodos computacionales deben adaptarse para permitir generar sus resultados en un tiempo razonable a partir de grandes conjuntos de datos biomédicos. Por otro lado, existen tecnologías de computación de alto rendimiento (HPC) que hasta ahora únicamente fueron utilizados para acelerar el rendimiento computacional de estos métodos computacionales como, por ejemplo, los dispositivos GPU. En esta tesis doctoral, se demuestra cómo los dispositivos GPU pueden ser igualmente utilizados para que los métodos computacionales puedan estos grandes conjuntos de datos biomédicos.Universidad Pablo de Olavide de Sevilla. Departamento de Deporte e Informátic

Forestogram: Biclustering Visualization Framework with Applications in Public Transport and Bioinformatics

RÉSUMÉ : Dans de nombreux problèmes d’analyse de données, les données sont exprimées dans une matrice avec les sujets en ligne et les attributs en colonne. Les méthodes de segmentations traditionnelles visent à regrouper les sujets (lignes), selon des critères de similitude entre ces sujets. Le but est de constituer des groupes de sujets (lignes) qui partagent un certain degré de ressemblance. Les groupes obtenus permettent de garantir que les sujets partagent des similitudes dans leurs attributs (colonnes), il n’y a cependant aucune garantie sur ce qui se passe au niveau des attributs (les colonnes). Dans certaines applications, un regroupement simultané des lignes et des colonnes appelé biclustering de la matrice de données peut être souhaité. Pour cela, nous concevons et développons un nouveau cadre appelé Forestogram, qui permet le calcul de ce regroupement simultané des lignes et des colonnes (biclusters)dans un mode hiérarchique. Le regroupement simultané des lignes et des colonnes de manière hiérarchique peut aider les praticiens à mieux comprendre comment les groupes évoluent avec des propriétés théoriques intéressantes. Forestogram, le nouvel outil de calcul et de visualisation proposé, pourrait être considéré comme une extension 3D du dendrogramme, avec une fusion orthogonale étendue. Chaque bicluster est constitué d’un groupe de lignes (ou de sujets) qui déplie un schéma fortement corrélé avec le groupe de colonnes (ou attributs) correspondantes. Cependant, au lieu d’effectuer un clustering bidirectionnel indépendamment de chaque côté, nous proposons un algorithme de biclustering hiérarchique qui prend les lignes et les colonnes en même temps pour déterminer les biclusters. De plus, nous développons un critère d’information basé sur un modèle qui fournit un nombre estimé de biclusters à travers un ensemble de configurations hiérarchiques au sein du forestogramme sous des hypothèses légères. Nous étudions le cadre suggéré dans deux perspectives appliquées différentes, l’une dans le domaine du transport en commun, l’autre dans le domaine de la bioinformatique. En premier lieu, nous étudions le comportement des usagers dans le transport en commun à partir de deux informations distinctes, les données temporelles et les coordonnées spatiales recueillies à partir des données de transaction de la carte à puce des usagers. Dans de nombreuses villes, les sociétés de transport en commun du monde entier utilisent un système de carte à puce pour gérer la perception des tarifs. L’analyse de cette information fournit un aperçu complet de l’influence de l’utilisateur dans le réseau de transport en commun interactif. À cet égard, l’analyse des données temporelles, décrivant l’heure d’entrée dans le réseau de transport en commun est considérée comme la composante la plus importante des données recueillies à partir des cartes à puce. Les techniques classiques de segmentation, basées sur la distance, ne sont pas appropriées pour analyser les données temporelles. Une nouvelle projection intuitive est suggérée pour conserver le modèle de données horodatées. Ceci est introduit dans la méthode suggérée pour découvrir le modèle temporel comportemental des utilisateurs. Cette projection conserve la distance temporelle entre toute paire arbitraire de données horodatées avec une visualisation significative. Par conséquent, cette information est introduite dans un algorithme de classification hiérarchique en tant que méthode de segmentation de données pour découvrir le modèle des utilisateurs. Ensuite, l’heure d’utilisation est prise en compte comme une variable latente pour rendre la métrique euclidienne appropriée dans l’extraction du motif spatial à travers notre forestogramme. Comme deuxième application, le forestogramme est testé sur un ensemble de données multiomiques combinées à partir de différentes mesures biologiques pour étudier comment l’état de santé des patientes et les modalités biologiques correspondantes évoluent hiérarchiquement au cours du terme de la grossesse, dans chaque bicluster. Le maintien de la grossesse repose sur un équilibre finement équilibré entre la tolérance à l’allogreffe foetale et la protection mécanismes contre les agents pathogènes envahissants. Malgré l’impact bien établi du développement pendant les premiers mois de la grossesse sur les résultats à long terme, les interactions entre les divers mécanismes biologiques qui régissent la progression de la grossesse n’ont pas été étudiées en détail. Démontrer la chronologie de ces adaptations à la grossesse à terme fournit le cadre pour de futures études examinant les déviations impliquées dans les pathologies liées à la grossesse, y compris la naissance prématurée et la prééclampsie. Nous effectuons une analyse multi-physique de 51 échantillons de 17 femmes enceintes, livrant à terme. Les ensembles de données comprennent des mesures de l’immunome, du transcriptome, du microbiome, du protéome et du métabolome d’échantillons obtenus simultanément chez les mêmes patients. La modélisation prédictive multivariée utilisant l’algorithme Elastic Net est utilisée pour mesurer la capacité de chaque ensemble de données à prédire l’âge gestationnel. En utilisant la généralisation empilée, ces ensembles de données sont combinés en un seul modèle. Ce modèle augmente non seulement significativement le pouvoir prédictif en combinant tous les ensembles de données, mais révèle également de nouvelles interactions entre différentes modalités biologiques. En outre, notre forestogramme suggéré est une autre ligne directrice avec l’âge gestationnel au moment de l’échantillonnage qui fournit un modèle non supervisé pour montrer combien d’informations supervisées sont nécessaires pour chaque trimestre pour caractériser les changements induits par la grossesse dans Microbiome, Transcriptome, Génome, Exposome et Immunome réponses efficacement.----------ABSTRACT : In many statistical modeling problems data are expressed in a matrix with subjects in row and attributes in column. In this regard, simultaneous grouping of rows and columns known as biclustering of the data matrix is desired. We design and develop a new framework called Forestogram, with the aim of fast computational and hierarchical illustration of biclusters. Often in practical data analysis, we deal with a two-dimensional object known as the data matrix, where observations are expressed as samples (or subjects) in rows, and attributes (or features) in columns. Thus, simultaneous grouping of rows and columns in a hierarchical manner helps practitioners better understanding how clusters evolve. Forestogram, a novel computational and visualization tool, could be thought of as a 3D expansion of dendrogram, with extended orthogonal merge. Each bicluster consists of group of rows (or samples) that unfolds a highly-correlated schema with their corresponding group of columns (or attributes). However, instead of performing two-way clustering independently on each side, we propose a hierarchical biclustering algorithm which takes rows and columns at the same time to determine the biclusters. Furthermore, we develop a model-based information criterion which provides an estimated number of biclusters through a set of hierarchical configurations within the forestogram under mild assumptions. We study the suggested framework in two different applied perspectives, one in public transit domain, another one in bioinformatics field. First, we investigate the users’ behavior in public transit based on two distinct information, temporal data and spatial coordinates gathered from smart card. In many cities, worldwide public transit companies use smart card system to manage fare collection. Analysis of this information provides a comprehensive insight of user’s influence in the interactive public transit network. In this regard, analysis of temporal data, describing the time of entering to the public transit network is considered as the most substantial component of the data gathered from the smart cards. Classical distance-based techniques are not always suitable to analyze this time series data. A novel projection with intuitive visual map from higher dimension into a three-dimensional clock-like space is suggested to reveal the underlying temporal pattern of public transit users. This projection retains the temporal distance between any arbitrary pair of time-stamped data with meaningful visualization. Consequently, this information is fed into a hierarchical clustering algorithm as a method of data segmentation to discover the pattern of users. Then, the time of the usage is taken as a latent variable into account to make the Euclidean metric appropriate for extracting the spatial pattern through our forestogram. As a second application, forestogram is tested on a multiomics dataset combined from different biological measurements to study how patients and corresponding biological modalities evolve hierarchically in each bicluster over the term of pregnancy. The maintenance of pregnancy relies on a finely-tuned balance between tolerance to the fetal allograft and protective mechanisms against invading pathogens. Despite the well-established impact of development during the early months of pregnancy on long-term outcomes, the interactions between various biological mechanisms that govern the progression of pregnancy have not been studied in details. Demonstrating the chronology of these adaptations to term pregnancy provides the framework for future studies examining deviations implicated in pregnancy-related pathologies including preterm birth and preeclampsia. We perform a multiomics analysis of 51 samples from 17 pregnant women, delivering at term. The datasets include measurements from the immunome, transcriptome, microbiome, proteome, and metabolome of samples obtained simultaneously from the same patients. Multivariate predictive modeling using the Elastic Net algorithm is used to measure the ability of each dataset to predict gestational age. Using stacked generalization, these datasets are combined into a single model. This model not only significantly increases the predictive power by combining all datasets, but also reveals novel interactions between different biological modalities. Furthermore, our suggested forestogram is another guideline along with the gestational age at time of sampling that provides an unsupervised model to show how much supervised information is necessary for each trimester to characterize the pregnancy-induced changes in Microbiome, Transcriptome, Genome, Exposome, and Immunome responses effectively

Fundamentals

Volume 1 establishes the foundations of this new field. It goes through all the steps from data collection, their summary and clustering, to different aspects of resource-aware learning, i.e., hardware, memory, energy, and communication awareness. Machine learning methods are inspected with respect to resource requirements and how to enhance scalability on diverse computing architectures ranging from embedded systems to large computing clusters

Fundamentals

Volume 1 establishes the foundations of this new field. It goes through all the steps from data collection, their summary and clustering, to different aspects of resource-aware learning, i.e., hardware, memory, energy, and communication awareness. Machine learning methods are inspected with respect to resource requirements and how to enhance scalability on diverse computing architectures ranging from embedded systems to large computing clusters

A mathematical theory of making hard decisions: model selection and robustness of matrix factorization with binary constraints

One of the first and most fundamental tasks in machine learning is to group observations within a dataset. Given a notion of similarity, finding those instances which are outstandingly similar to each other has manifold applications. Recommender systems and topic analysis in text data are examples which are most intuitive to grasp. The interpretation of the groups, called clusters, is facilitated if the assignment of samples is definite. Especially in high-dimensional data, denoting a degree to which an observation belongs to a specified cluster requires a subsequent processing of the model to filter the most important information. We argue that a good summary of the data provides hard decisions on the following question: how many groups are there, and which observations belong to which clusters? In this work, we contribute to the theoretical and practical background of clustering tasks, addressing one or both aspects of this question. Our overview of state-of-the-art clustering approaches details the challenges of our ambition to provide hard decisions. Based on this overview, we develop new methodologies for two branches of clustering: the one concerns the derivation of nonconvex clusters, known as spectral clustering; the other addresses the identification of biclusters, a set of samples together with similarity defining features, via Boolean matrix factorization. One of the main challenges in both considered settings is the robustness to noise. Assuming that the issue of robustness is controllable by means of theoretical insights, we have a closer look at those aspects of established clustering methods which lack a theoretical foundation. In the scope of Boolean matrix factorization, we propose a versatile framework for the optimization of matrix factorizations subject to binary constraints. Especially Boolean factorizations have been computed by intuitive methods so far, implementing greedy heuristics which lack quality guarantees of obtained solutions. In contrast, we propose to build upon recent advances in nonconvex optimization theory. This enables us to provide convergence guarantees to local optima of a relaxed objective, requiring only approximately binary factor matrices. By means of this new optimization scheme PAL-Tiling, we propose two approaches to automatically determine the number of clusters. The one is based on information theory, employing the minimum description length principle, and the other is a novel statistical approach, controlling the false discovery rate. The flexibility of our framework PAL-Tiling enables the optimization of novel factorization schemes. In a different context, where every data point belongs to a pre-defined class, a characterization of the classes may be obtained by Boolean factorizations. However, there are cases where this traditional factorization scheme is not sufficient. Therefore, we propose the integration of another factor matrix, reflecting class-specific differences within a cluster. Our theoretical considerations are complemented by empirical evaluations, showing how our methods combine theoretical soundness with practical advantages