Algorithms to Explore the Structure and Evolution of Biological Networks

High-throughput experimental protocols have revealed thousands of relationships amongst genes and proteins under various conditions. These putative associations are being aggressively mined to decipher the structural and functional architecture of the cell. One useful tool for exploring this data has been computational network analysis. In this thesis, we propose a collection of novel algorithms to explore the structure and evolution of large, noisy, and sparsely annotated biological networks. We first introduce two information-theoretic algorithms to extract interesting patterns and modules embedded in large graphs. The first, graph summarization, uses the minimum description length principle to find compressible parts of the graph. The second, VI-Cut, uses the variation of information to non-parametrically find groups of topologically cohesive and similarly annotated nodes in the network. We show that both algorithms find structure in biological data that is consistent with known biological processes, protein complexes, genetic diseases, and operational taxonomic units. We also propose several algorithms to systematically generate an ensemble of near-optimal network clusterings and show how these multiple views can be used together to identify clustering dynamics that any single solution approach would miss. To facilitate the study of ancient networks, we introduce a framework called ``network archaeology'') for reconstructing the node-by-node and edge-by-edge arrival history of a network. Starting with a present-day network, we apply a probabilistic growth model backwards in time to find high-likelihood previous states of the graph. This allows us to explore how interactions and modules may have evolved over time. In experiments with real-world social and biological networks, we find that our algorithms can recover significant features of ancestral networks that have long since disappeared. Our work is motivated by the need to understand large and complex biological systems that are being revealed to us by imperfect data. As data continues to pour in, we believe that computational network analysis will continue to be an essential tool towards this end

AVATAR - Machine Learning Pipeline Evaluation Using Surrogate Model

© 2020, The Author(s). The evaluation of machine learning (ML) pipelines is essential during automatic ML pipeline composition and optimisation. The previous methods such as Bayesian-based and genetic-based optimisation, which are implemented in Auto-Weka, Auto-sklearn and TPOT, evaluate pipelines by executing them. Therefore, the pipeline composition and optimisation of these methods requires a tremendous amount of time that prevents them from exploring complex pipelines to find better predictive models. To further explore this research challenge, we have conducted experiments showing that many of the generated pipelines are invalid, and it is unnecessary to execute them to find out whether they are good pipelines. To address this issue, we propose a novel method to evaluate the validity of ML pipelines using a surrogate model (AVATAR). The AVATAR enables to accelerate automatic ML pipeline composition and optimisation by quickly ignoring invalid pipelines. Our experiments show that the AVATAR is more efficient in evaluating complex pipelines in comparison with the traditional evaluation approaches requiring their execution

From Molecules to the Masses : Visual Exploration, Analysis, and Communication of Human Physiology

Det overordnede målet med denne avhandlingen er tverrfaglig anvendelse av medisinske illustrasjons- og visualiseringsteknikker for å utforske, analysere og formidle aspekter ved fysiologi til publikum med ulik faglig nivå og bakgrunn. Fysiologi beskriver de biologiske prosessene som skjer i levende vesener over tid. Vitenskapen om fysiologi er kompleks, men samtidig kritisk for vår forståelse av hvordan levende organismer fungerer. Fysiologi dekker en stor bredde romlig-temporale skalaer og fordrer behovet for å kombinere og bygge bro mellom basalfagene (biologi, fysikk og kjemi) og medisin. De senere årene har det vært en eksplosjon av nye, avanserte eksperimentelle metoder for å detektere og karakterisere fysiologiske data. Volumet og kompleksiteten til fysiologiske data krever effektive strategier for visualisering for å komplementere dagens standard analyser. Hvilke tilnærminger som benyttes i visualiseringen må nøye balanseres og tilpasses formålet med bruken av dataene, enten dette er for å utforske dataene, analysere disse eller kommunisere og presentere dem. Arbeidet i denne avhandlingen bidrar med ny kunnskap innen teori, empiri, anvendelse og reproduserbarhet av visualiseringsmetoder innen fysiologi. Først i avhandlingen er en rapport som oppsummerer og utforsker dagens kunnskap om muligheter og utfordringer for visualisering innen fysiologi. Motivasjonen for arbeidet er behovet forskere innen visualiseringsfeltet, og forskere i ulike anvendelsesområder, har for en sammensatt oversikt over flerskala visualiseringsoppgaver og teknikker. Ved å bruke søk over et stort spekter av metodiske tilnærminger, er dette den første rapporten i sitt slag som kartlegger visualiseringsmulighetene innen fysiologi. I rapporten er faglitteraturen oppsummert slik at det skal være enkelt å gjøre oppslag innen ulike tema i rom-og-tid-skalaen, samtidig som litteraturen er delt inn i de tre høynivå visualiseringsoppgavene data utforsking, analyse og kommunikasjon. Dette danner et enkelt grunnlag for å navigere i litteraturen i feltet og slik danner rapporten et godt grunnlag for diskusjon og forskningsmuligheter innen feltet visualisering og fysiologi. Basert på arbeidet med rapporten var det særlig to områder som det er ønskelig for oss å fortsette å utforske: (1) utforskende analyse av mangefasetterte fysiologidata for ekspertbrukere, og (2) kommunikasjon av data til både eksperter og ikke-eksperter. Arbeidet vårt av mangefasetterte fysiologidata er oppsummert i to studier i avhandlingen. Hver studie omhandler prosesser som foregår på forskjellige romlig-temporale skalaer og inneholder konkrete eksempler på anvendelse av metodene vurdert av eksperter i feltet. I den første av de to studiene undersøkes konsentrasjonen av molekylære substanser (metabolitter) ut fra data innsamlet med magnetisk resonansspektroskopi (MRS), en avansert biokjemisk teknikk som brukes til å identifisere metabolske forbindelser i levende vev. Selv om MRS kan ha svært høy sensitivitet og spesifisitet i medisinske anvendelser, er analyseresultatene fra denne modaliteten abstrakte og vanskelige å forstå også for medisinskfaglige eksperter i feltet. Vår designstudie som undersøkte oppgavene og kravene til ekspertutforskende analyse av disse dataene førte til utviklingen av SpectraMosaic. Dette er en ny applikasjon som gjør det mulig for domeneeksperter å analysere konsentrasjonen av metabolitter normalisert for en hel kohort, eller etter prøveregion, individ, opptaksdato, eller status på hjernens aktivitetsnivå ved undersøkelsestidspunktet. I den andre studien foreslås en metode for å utføre utforskende analyser av flerdimensjonale fysiologiske data i motsatt ende av den romlig-temporale skalaen, nemlig på populasjonsnivå. En effektiv arbeidsflyt for utforskende dataanalyse må kritisk identifisere interessante mønstre og relasjoner, noe som blir stadig vanskeligere når dimensjonaliteten til dataene øker. Selv om dette delvis kan løses med eksisterende reduksjonsteknikker er det alltid en fare for at subtile mønstre kan gå tapt i reduksjonsprosessen. Isteden presenterer vi i studien DimLift, en iterativ dimensjonsreduksjonsteknikk som muliggjør brukeridentifikasjon av interessante mønstre og relasjoner som kan ligge subtilt i et datasett gjennom dimensjonale bunter. Nøkkelen til denne metoden er brukerens evne til å styre dimensjonalitetsreduksjonen slik at den følger brukerens egne undersøkelseslinjer. For videre å undersøke kommunikasjon til eksperter og ikke-eksperter, studeres i neste arbeid utformingen av visualiseringer for kommunikasjon til publikum med ulike nivåer av ekspertnivå. Det er naturlig å forvente at eksperter innen et emne kan ha ulike preferanser og kriterier for å vurdere en visuell kommunikasjon i forhold til et ikke-ekspertpublikum. Dette påvirker hvor effektivt et bilde kan benyttes til å formidle en gitt scenario. Med utgangspunkt i ulike teknikker innen biomedisinsk illustrasjon og visualisering, gjennomførte vi derfor en utforskende studie av kriteriene som publikum bruker når de evaluerer en biomedisinsk prosessvisualisering målrettet for kommunikasjon. Fra denne studien identifiserte vi muligheter for ytterligere konvergens av biomedisinsk illustrasjon og visualiseringsteknikker for mer målrettet visuell kommunikasjonsdesign. Særlig beskrives i større dybde utviklingen av semantisk konsistente retningslinjer for farging av molekylære scener. Hensikten med slike retningslinjer er å heve den vitenskapelige kompetansen til ikke-ekspertpublikum innen molekyler visualisering, som vil være spesielt relevant for kommunikasjon til befolkningen i forbindelse med folkehelseopplysning. All kode og empiriske funn utviklet i arbeidet med denne avhandlingen er åpen kildekode og tilgjengelig for gjenbruk av det vitenskapelige miljøet og offentligheten. Metodene og funnene presentert i denne avhandlingen danner et grunnlag for tverrfaglig biomedisinsk illustrasjon og visualiseringsforskning, og åpner flere muligheter for fortsatt arbeid med visualisering av fysiologiske prosesser.The overarching theme of this thesis is the cross-disciplinary application of medical illustration and visualization techniques to address challenges in exploring, analyzing, and communicating aspects of physiology to audiences with differing expertise. Describing the myriad biological processes occurring in living beings over time, the science of physiology is complex and critical to our understanding of how life works. It spans many spatio-temporal scales to combine and bridge the basic sciences (biology, physics, and chemistry) to medicine. Recent years have seen an explosion of new and finer-grained experimental and acquisition methods to characterize these data. The volume and complexity of these data necessitate effective visualizations to complement standard analysis practice. Visualization approaches must carefully consider and be adaptable to the user's main task, be it exploratory, analytical, or communication-oriented. This thesis contributes to the areas of theory, empirical findings, methods, applications, and research replicability in visualizing physiology. Our contributions open with a state-of-the-art report exploring the challenges and opportunities in visualization for physiology. This report is motivated by the need for visualization researchers, as well as researchers in various application domains, to have a centralized, multiscale overview of visualization tasks and techniques. Using a mixed-methods search approach, this is the first report of its kind to broadly survey the space of visualization for physiology. Our approach to organizing the literature in this report enables the lookup of topics of interest according to spatio-temporal scale. It further subdivides works according to any combination of three high-level visualization tasks: exploration, analysis, and communication. This provides an easily-navigable foundation for discussion and future research opportunities for audience- and task-appropriate visualization for physiology. From this report, we identify two key areas for continued research that begin narrowly and subsequently broaden in scope: (1) exploratory analysis of multifaceted physiology data for expert users, and (2) communication for experts and non-experts alike. Our investigation of multifaceted physiology data takes place over two studies. Each targets processes occurring at different spatio-temporal scales and includes a case study with experts to assess the applicability of our proposed method. At the molecular scale, we examine data from magnetic resonance spectroscopy (MRS), an advanced biochemical technique used to identify small molecules (metabolites) in living tissue that are indicative of metabolic pathway activity. Although highly sensitive and specific, the output of this modality is abstract and difficult to interpret. Our design study investigating the tasks and requirements for expert exploratory analysis of these data led to SpectraMosaic, a novel application enabling domain researchers to analyze any permutation of metabolites in ratio form for an entire cohort, or by sample region, individual, acquisition date, or brain activity status at the time of acquisition. A second approach considers the exploratory analysis of multidimensional physiological data at the opposite end of the spatio-temporal scale: population. An effective exploratory data analysis workflow critically must identify interesting patterns and relationships, which becomes increasingly difficult as data dimensionality increases. Although this can be partially addressed with existing dimensionality reduction techniques, the nature of these techniques means that subtle patterns may be lost in the process. In this approach, we describe DimLift, an iterative dimensionality reduction technique enabling user identification of interesting patterns and relationships that may lie subtly within a dataset through dimensional bundles. Key to this method is the user's ability to steer the dimensionality reduction technique to follow their own lines of inquiry. Our third question considers the crafting of visualizations for communication to audiences with different levels of expertise. It is natural to expect that experts in a topic may have different preferences and criteria to evaluate a visual communication relative to a non-expert audience. This impacts the success of an image in communicating a given scenario. Drawing from diverse techniques in biomedical illustration and visualization, we conducted an exploratory study of the criteria that audiences use when evaluating a biomedical process visualization targeted for communication. From this study, we identify opportunities for further convergence of biomedical illustration and visualization techniques for more targeted visual communication design. One opportunity that we discuss in greater depth is the development of semantically-consistent guidelines for the coloring of molecular scenes. The intent of such guidelines is to elevate the scientific literacy of non-expert audiences in the context of molecular visualization, which is particularly relevant to public health communication. All application code and empirical findings are open-sourced and available for reuse by the scientific community and public. The methods and findings presented in this thesis contribute to a foundation of cross-disciplinary biomedical illustration and visualization research, opening several opportunities for continued work in visualization for physiology.Doktorgradsavhandlin

A complex systems approach to education in Switzerland

The insights gained from the study of complex systems in biological, social, and engineered systems enables us not only to observe and understand, but also to actively design systems which will be capable of successfully coping with complex and dynamically changing situations. The methods and mindset required for this approach have been applied to educational systems with their diverse levels of scale and complexity. Based on the general case made by Yaneer Bar-Yam, this paper applies the complex systems approach to the educational system in Switzerland. It confirms that the complex systems approach is valid. Indeed, many recommendations made for the general case have already been implemented in the Swiss education system. To address existing problems and difficulties, further steps are recommended. This paper contributes to the further establishment complex systems approach by shedding light on an area which concerns us all, which is a frequent topic of discussion and dispute among politicians and the public, where billions of dollars have been spent without achieving the desired results, and where it is difficult to directly derive consequences from actions taken. The analysis of the education system's different levels, their complexity and scale will clarify how such a dynamic system should be approached, and how it can be guided towards the desired performance