Innovative super-resolution in spatial transcriptomics: a transformer model exploiting histology images and spatial gene expression

转录组 计算机科学 变压器 计算生物学 编码器 适应性 基因表达 人工智能 粒度 图像分辨率 基因 计算机视觉 模式识别(心理学) 生物 工程类 生态学 电气工程 电压 生物化学 操作系统
作者
Chongyue Zhao,Zhongli Xu,Xinjun Wang,Shiyue Tao,William A. MacDonald,Kun He,Amanda C. Poholek,Kong Chen,Heng Huang,Wei Chen
出处
期刊:Briefings in Bioinformatics [Oxford University Press]
卷期号:25 (2) 被引量:28
标识
DOI:10.1093/bib/bbae052
摘要

Abstract Spatial transcriptomics technologies have shed light on the complexities of tissue structures by accurately mapping spatial microenvironments. Nonetheless, a myriad of methods, especially those utilized in platforms like Visium, often relinquish spatial details owing to intrinsic resolution limitations. In response, we introduce TransformerST, an innovative, unsupervised model anchored in the Transformer architecture, which operates independently of references, thereby ensuring cost-efficiency by circumventing the need for single-cell RNA sequencing. TransformerST not only elevates Visium data from a multicellular level to a single-cell granularity but also showcases adaptability across diverse spatial transcriptomics platforms. By employing a vision transformer-based encoder, it discerns latent image-gene expression co-representations and is further enhanced by spatial correlations, derived from an adaptive graph Transformer module. The sophisticated cross-scale graph network, utilized in super-resolution, significantly boosts the model’s accuracy, unveiling complex structure–functional relationships within histology images. Empirical evaluations validate its adeptness in revealing tissue subtleties at the single-cell scale. Crucially, TransformerST adeptly navigates through image-gene co-representation, maximizing the synergistic utility of gene expression and histology images, thereby emerging as a pioneering tool in spatial transcriptomics. It not only enhances resolution to a single-cell level but also introduces a novel approach that optimally utilizes histology images alongside gene expression, providing a refined lens for investigating spatial transcriptomics.
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