Interpretably Predicting Chemical Perturbation via Biologically Informed Visible Neural Network

计算机科学 人工智能 机器学习 可扩展性 生物网络 人工神经网络 深度学习 一般化 特征(语言学) 先验概率 精密医学 系统生物学 特征学习 基因调控网络 深层神经网络 生物学数据 网络分析 药物发现 药物重新定位 监督学习
作者
Wenhao Zhou,Jiancong Xie,Yang Yi
标识
DOI:10.1109/bibm66473.2025.11356611
摘要

Recent advances in single-cell transcriptomics have enabled high-resolution characterization of cellular responses to drug perturbations, a critical capability for precision medicine and drug discovery. Deep learning has emerged as a powerful tool for accurate and scalable prediction of single-cell responses to drug perturbations. However, most existing approaches fail to consider gene-level structural priors and biological knowledge. Furthermore, they often operate as black boxes with limited interpretability. To offer reliable drug response prediction in real-world applications, there is an urgent need to develop a model that combines high predictive accuracy with strong interpretability. In this work, we propose a novel framework based on the Visible Neural Network (VNN) to predict cellular responses to drug perturbations in single-cell transcriptomic profiles. In contrast to traditional black-box models, VNN incorporates prior biological knowledge into its architecture. This integration enables interpretable predictions while maintaining biological coherence. We further integrate deep learning models with a knowledge graph of gene-gene relationships to improve the understanding and generalization of transcriptomic responses to unseen drug perturbations by leveraging prior biological knowledge of gene interactions. Our analysis reveals that the hierarchical structure of the VNN aligns well with known biological processes and supports robust feature attribution. In general, our findings underscore the potential of visible architectures to bridge deep learning and systems biology for a scalable and interpretable modeling of cellular drug responses.
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