Cross-species network and transcript transfer

Metabolic processes, signal transduction, gene regulation, as well as gene and protein expression are largely controlled by biological networks. High-throughput experiments allow the measurement of a wide range of cellular states and interactions. However, networks are often not known in detail for specific biological systems and conditions. Gene and protein annotations are often transferred from model organisms to the species of interest. Therefore, the question arises whether biological networks can be transferred between species or whether they are specific for individual contexts. In this thesis, the following aspects are investigated: (i) the conservation and (ii) the cross-species transfer of eukaryotic protein-interaction and gene regulatory (transcription factor- target) networks, as well as (iii) the conservation of alternatively spliced variants. In the simplest case, interactions can be transferred between species, based solely on the sequence similarity of the orthologous genes. However, such a transfer often results either in the transfer of only a few interactions (medium/high sequence similarity threshold) or in the transfer of many speculative interactions (low sequence similarity threshold). Thus, advanced network transfer approaches also consider the annotations of orthologous genes involved in the interaction transfer, as well as features derived from the network structure, in order to enable a reliable interaction transfer, even between phylogenetically very distant species. In this work, such an approach for the transfer of protein interactions is presented (COIN). COIN uses a sophisticated machine-learning model in order to label transferred interactions as either correctly transferred (conserved) or as incorrectly transferred (not conserved). The comparison and the cross-species transfer of regulatory networks is more difficult than the transfer of protein interaction networks, as a huge fraction of the known regulations is only described in the (not machine-readable) scientific literature. In addition, compared to protein interactions, only a few conserved regulations are known, and regulatory elements appear to be strongly context-specific. In this work, the cross-species analysis of regulatory interaction networks is enabled with software tools and databases for global (ConReg) and thousands of context-specific (CroCo) regulatory interactions that are derived and integrated from the scientific literature, binding site predictions and experimental data. Genes and their protein products are the main players in biological networks. However, to date, the aspect is neglected that a gene can encode different proteins. These alternative proteins can differ strongly from each other with respect to their molecular structure, function and their role in networks. The identification of conserved and species-specific splice variants and the integration of variants in network models will allow a more complete cross-species transfer and comparison of biological networks. With ISAR we support the cross-species transfer and comparison of alternative variants by introducing a gene-structure aware (i.e. exon-intron structure aware) multiple sequence alignment approach for variants from orthologous and paralogous genes. The methods presented here and the appropriate databases allow the cross-species transfer of biological networks, the comparison of thousands of context-specific networks, and the cross-species comparison of alternatively spliced variants. Thus, they can be used as a starting point for the understanding of regulatory and signaling mechanisms in many biological systems.In biologischen Systemen werden Stoffwechselprozesse, Signalübertragungen sowie die Regulation von Gen- und Proteinexpression maßgeblich durch biologische Netzwerke gesteuert. Hochdurchsatz-Experimente ermöglichen die Messung einer Vielzahl von zellulären Zuständen und Wechselwirkungen. Allerdings sind für die meisten Systeme und Kontexte biologische Netzwerke nach wie vor unbekannt. Gen- und Proteinannotationen werden häufig von Modellorganismen übernommen. Demnach stellt sich die Frage, ob auch biologische Netzwerke und damit die systemischen Eigenschaften ähnlich sind und übertragen werden können. In dieser Arbeit wird: (i) Die Konservierung und (ii) die artenübergreifende Übertragung von eukaryotischen Protein-Interaktions- und regulatorischen (Transkriptionsfaktor-Zielgen) Netzwerken, sowie (iii) die Konservierung von Spleißvarianten untersucht. Interaktionen können im einfachsten Fall nur auf Basis der Sequenzähnlichkeit zwischen orthologen Genen übertragen werden. Allerdings führt eine solche Übertragung oft dazu, dass nur sehr wenige Interaktionen übertragen werden können (hoher bis mittlerer Sequenzschwellwert) oder dass ein Großteil der übertragenden Interaktionen sehr spekulativ ist (niedriger Sequenzschwellwert). Verbesserte Methoden berücksichtigen deswegen zusätzlich noch die Annotationen der Orthologen, Eigenschaften der Interaktionspartner sowie die Netzwerkstruktur und können somit auch Interaktionen auf phylogenetisch weit entfernte Arten (zuverlässig) übertragen. In dieser Arbeit wird ein solcher Ansatz für die Übertragung von Protein-Interaktionen vorgestellt (COIN). COIN verwendet Verfahren des maschinellen Lernens, um Interaktionen als richtig (konserviert) oder als falsch übertragend (nicht konserviert) zu klassifizieren. Der Vergleich und die artenübergreifende Übertragung von regulatorischen Interaktionen ist im Vergleich zu Protein-Interaktionen schwieriger, da ein Großteil der bekannten Regulationen nur in der (nicht maschinenlesbaren) wissenschaftlichen Literatur beschrieben ist. Zudem sind im Vergleich zu Protein-Interaktionen nur wenige konservierte Regulationen bekannt und regulatorische Elemente scheinen stark kontextabhängig zu sein. In dieser Arbeit wird die artenübergreifende Analyse von regulatorischen Netzwerken mit Softwarewerkzeugen und Datenbanken für globale (ConReg) und kontextspezifische (CroCo) regulatorische Interaktionen ermöglicht. Regulationen wurden dafür aus Vorhersagen, experimentellen Daten und aus der wissenschaftlichen Literatur abgeleitet und integriert. Grundbaustein für viele biologische Netzwerke sind Gene und deren Proteinprodukte. Bisherige Netzwerkmodelle vernachlässigen allerdings meist den Aspekt, dass ein Gen verschiedene Proteine kodieren kann, die sich von der Funktion, der Proteinstruktur und der Rolle in Netzwerken stark voneinander unterscheiden können. Die Identifizierung von konservierten und artspezifischen Proteinprodukten und deren Integration in Netzwerkmodelle würde einen vollständigeren Übertrag und Vergleich von Netzwerken ermöglichen. In dieser Arbeit wird der artenübergreifende Vergleich von Proteinprodukten mit einem multiplen Sequenzalignmentverfahren für alternative Varianten von paralogen und orthologen Genen unterstützt, unter Berücksichtigung der bekannten Exon-Intron-Grenzen (ISAR). Die in dieser Arbeit vorgestellten Verfahren, Datenbanken und Softwarewerkzeuge ermöglichen die Übertragung von biologischen Netzwerken, den Vergleich von tausenden kontextspezifischen Netzwerken und den artenübergreifenden Vergleich von alternativen Varianten. Sie können damit die Ausgangsbasis für ein Verständnis von Kommunikations- und Regulationsmechanismen in vielen biologischen Systemen bilden

Convergent Communication, Sensing and Localization in 6G Systems: An Overview of Technologies, Opportunities and Challenges

Herein, we focus on convergent 6G communication, localization and sensing systems by identifying key technology enablers, discussing their underlying challenges, implementation issues, and recommending potential solutions. Moreover, we discuss exciting new opportunities for integrated localization and sensing applications, which will disrupt traditional design principles and revolutionize the way we live, interact with our environment, and do business. Regarding potential enabling technologies, 6G will continue to develop towards even higher frequency ranges, wider bandwidths, and massive antenna arrays. In turn, this will enable sensing solutions with very fine range, Doppler, and angular resolutions, as well as localization to cm-level degree of accuracy. Besides, new materials, device types, and reconfigurable surfaces will allow network operators to reshape and control the electromagnetic response of the environment. At the same time, machine learning and artificial intelligence will leverage the unprecedented availability of data and computing resources to tackle the biggest and hardest problems in wireless communication systems. As a result, 6G will be truly intelligent wireless systems that will provide not only ubiquitous communication but also empower high accuracy localization and high-resolution sensing services. They will become the catalyst for this revolution by bringing about a unique new set of features and service capabilities, where localization and sensing will coexist with communication, continuously sharing the available resources in time, frequency, and space. This work concludes by highlighting foundational research challenges, as well as implications and opportunities related to privacy, security, and trust

Convergent communication, sensing and localization in 6g systems: An overview of technologies, opportunities and challenges

Herein, we focus on convergent 6G communication, localization and sensing systems by identifying key technology enablers, discussing their underlying challenges, implementation issues, and recommending potential solutions. Moreover, we discuss exciting new opportunities for integrated localization and sensing applications, which will disrupt traditional design principles and revolutionize the way we live, interact with our environment, and do business. Regarding potential enabling technologies, 6G will continue to develop towards even higher frequency ranges, wider bandwidths, and massive antenna arrays. In turn, this will enable sensing solutions with very fine range, Doppler, and angular resolutions, as well as localization to cm-level degree of accuracy. Besides, new materials, device types, and reconfigurable surfaces will allow network operators to reshape and control the electromagnetic response of the environment. At the same time, machine learning and artificial intelligence will leverage the unprecedented availability of data and computing resources to tackle the biggest and hardest problems in wireless communication systems. As a result, 6G will be truly intelligent wireless systems that will provide not only ubiquitous communication but also empower high accuracy localization and high-resolution sensing services. They will become the catalyst for this revolution by bringing about a unique new set of features and service capabilities, where localization and sensing will coexist with communication, continuously sharing the available resources in time, frequency, and space. This work concludes by highlighting foundational research challenges, as well as implications and opportunities related to privacy, security, and trust

Maritime Moving Target Detection, Tracking and Geocoding Using Range-Compressed Airborne Radar Data

Eine regelmäßige und großflächige überwachung des Schiffsverkehrs gewinnt zunehmend an Bedeutung, vor allem auch um maritime Gefahrenlagen und illegale Aktivitäten rechtzeitig zu erkennen. Heutzutage werden dafür überwiegend das automatische Identifikationssystem (AIS) und stationäre Radarstationen an den Küsten eingesetzt. Luft- und weltraumgestützte Radarsensoren, die unabhängig vom Wetter und Tageslicht Daten liefern, können die vorgenannten Systeme sehr gut ergänzen. So können sie beispielsweise Schiffe detektieren, die nicht mit AIS-Transpondern ausgestattet sind oder die sich außerhalb der Reichweite der stationären AIS- und Radarstationen befinden. Luftgestützte Radarsensoren ermöglichen eine quasi-kontinuierliche Beobachtung von räumlich begrenzten Gebieten. Im Gegensatz dazu bieten weltraumgestützte Radare eine große räumliche Abdeckung, haben aber den Nachteil einer geringeren temporalen Abdeckung. In dieser Dissertation wird ein umfassendes Konzept für die Verarbeitung von Radardaten für die Schiffsverkehr-überwachung mit luftgestützten Radarsensoren vorgestellt. Die Hauptkomponenten dieses Konzepts sind die Detektion, das Tracking, die Geokodierung, die Bildgebung und die Fusion mit AIS-Daten. Im Rahmen der Dissertation wurden neuartige Algorithmen für die ersten drei Komponenten entwickelt. Die Algorithmen sind so aufgebaut, dass sie sich prinzipiell für zukünftige Echtzeitanwendungen eignen, die eine Verarbeitung an Bord der Radarplattform erfordern. Darüber hinaus eignen sich die Algorithmen auch für beliebige, nicht-lineare Flugpfade der Radarplattform. Sie sind auch robust gegenüber Lagewinkeländerungen, die während der Datenerfassung aufgrund von Luftturbulenzen jederzeit auftreten können. Die für die Untersuchungen verwendeten Daten sind ausschließlich entfernungskomprimierte Radardaten. Da das Signal-Rausch-Verhältnis von Flugzeugradar-Daten im Allgemeinen sehr hoch ist, benötigen die neuentwickelten Algorithmen keine vollständig fokussierten Radarbilder. Dies reduziert die Gesamtverarbeitungszeit erheblich und ebnet den Weg für zukünftige Echtzeitanwendungen. Der entwickelte neuartige Schiffsdetektor arbeitet direkt im Entfernungs-Doppler-Bereich mit sehr kurzen kohärenten Verarbeitungsintervallen (CPIs) der entfernungskomprimierten Radardaten. Aufgrund der sehr kurzen CPIs werden die detektierten Ziele im Dopplerbereich fokussiert abgebildet. Wenn sich die Schiffe zusätzlich mit einer bestimmten Radialgeschwindigkeit bewegen, werden ihre Signale aus dem Clutter-Bereich hinausgeschoben. Dies erhöht das Verhältnis von Signal- zu Clutter-Energie und verbessert somit die Detektierbarkeit. Die Genauigkeit der Detektion hängt stark von der Qualität der von der Meeresoberfläche rückgestreuten Radardaten ab, die für die Schätzung der Clutter-Statistik verwendet werden. Diese wird benötigt, um einen Detektions-Schwellenwert für eine konstante Fehlalarmrate (CFAR) abzuleiten und die Anzahl der Fehlalarme niedrig zu halten. Daher umfasst der vorgeschlagene Detektor auch eine neuartige Methode zur automatischen Extraktion von Trainingsdaten für die Statistikschätzung sowie geeignete Ozean-Clutter-Modelle. Da es sich bei Schiffen um ausgedehnte Ziele handelt, die in hochauflösenden Radardaten mehr als eine Auflösungszelle belegen, werden nach der Detektion mehrere von einem Ziel stammende Pixel zu einem physischen Objekten zusammengefasst, das dann in aufeinanderfolgenden CPIs mit Hilfe eines Bewegungsmodells und eines neuen Mehrzielverfolgungs-Algorithmus (Multi-Target Tracking) getrackt wird. Während des Trackings werden falsche Zielspuren und Geisterzielspuren automatisch erkannt und durch ein leistungsfähiges datenbankbasiertes Track-Management-System terminiert. Die Zielspuren im Entfernungs-Doppler-Bereich werden geokodiert bzw. auf den Boden projiziert, nachdem die Einfallswinkel (DOA) aller Track-Punkte geschätzt wurden. Es werden verschiedene Methoden zur Schätzung der DOA-Winkel für ausgedehnte Ziele vorgeschlagen und anhand von echten Radardaten, die Signale von echten Schiffen beinhalten, bewertet

What does explainable AI explain?

Machine Learning (ML) models are increasingly used in industry, as well as in scientific research and social contexts. Unfortunately, ML models provide only partial solutions to real-world problems, focusing on predictive performance in static environments. Problem aspects beyond prediction, such as robustness in employment, knowledge generation in science, or providing recourse recommendations to end-users, cannot be directly tackled with ML models. Explainable Artificial Intelligence (XAI) aims to solve, or at least highlight, problem aspects beyond predictive performance through explanations. However, the field is still in its infancy, as fundamental questions such as “What are explanations?”, “What constitutes a good explanation?”, or “How relate explanation and understanding?” remain open. In this dissertation, I combine philosophical conceptual analysis and mathematical formalization to clarify a prerequisite of these difficult questions, namely what XAI explains: I point out that XAI explanations are either associative or causal and either aim to explain the ML model or the modeled phenomenon. The thesis is a collection of five individual research papers that all aim to clarify how different problems in XAI are related to these different “whats”. In Paper I, my co-authors and I illustrate how to construct XAI methods for inferring associational phenomenon relationships. Paper II directly relates to the first; we formally show how to quantify uncertainty of such scientific inferences for two XAI methods – partial dependence plots (PDP) and permutation feature importance (PFI). Paper III discusses the relationship between counterfactual explanations and adversarial examples; I argue that adversarial examples can be described as counterfactual explanations that alter the prediction but not the underlying target variable. In Paper IV, my co-authors and I argue that algorithmic recourse recommendations should help data-subjects improve their qualification rather than to game the predictor. In Paper V, we address general problems with model agnostic XAI methods and identify possible solutions

All-weather object recognition using radar and infrared sensing

Autonomous cars are an emergent technology which has the capacity to change human lives. The current sensor systems which are most capable of perception are based on optical sensors. For example, deep neural networks show outstanding results in recognising objects when used to process data from cameras and Light Detection And Ranging (LiDAR) sensors. However these sensors perform poorly under adverse weather conditions such as rain, fog, and snow due to the sensor wavelengths. This thesis explores new sensing developments based on long wave polarised infrared (IR) imagery and imaging radar to recognise objects. First, we developed a methodology based on Stokes parameters using polarised infrared data to recognise vehicles using deep neural networks. Second, we explored the potential of using only the power spectrum captured by low-THz radar sensors to perform object recognition in a controlled scenario. This latter work is based on a data-driven approach together with the development of a data augmentation method based on attenuation, range and speckle noise. Last, we created a new large-scale dataset in the ”wild” with many different weather scenarios (sunny, overcast, night, fog, rain and snow) showing radar robustness to detect vehicles in adverse weather. High resolution radar and polarised IR imagery, combined with a deep learning approach, are shown as a potential alternative to current automotive sensing systems based on visible spectrum optical technology as they are more robust in severe weather and adverse light conditions.UK Engineering and Physical Research Council, grant reference EP/N012402/

Kontextsensitivität für den Operationssaal der Zukunft

The operating room of the future is a topic of high interest. In this thesis, which is among the first in the recently defined field of Surgical Data Science, three major topics for automated context awareness in the OR of the future will be examined: improved surgical workflow analysis, the newly developed event impact factors, and as application combining these and other concepts the unified surgical display.Der Operationssaal der Zukunft ist ein Forschungsfeld von großer Bedeutung. In dieser Dissertation, die eine der ersten im kürzlich definierten Bereich „Surgical Data Science“ ist, werden drei Themen für die automatisierte Kontextsensitivität im OP der Zukunft untersucht: verbesserte chirurgische Worflowanalyse, die neuentwickelten „Event Impact Factors“ und als Anwendungsfall, der diese Konzepte mit anderen kombiniert, das vereinheitlichte chirurgische Display