Multimodal contrastive learning for spatial gene expression prediction using histology images

计算机科学 编码器 人工智能 空间语境意识 空间分析 源代码 遥感 操作系统 地质学
作者
Wenwen Min,Zhiceng Shi,Jun Zhang,Jun Wan,Changmiao Wang
出处
期刊:Briefings in Bioinformatics [Oxford University Press]
卷期号:25 (6) 被引量:93
标识
DOI:10.1093/bib/bbae551
摘要

In recent years, the advent of spatial transcriptomics (ST) technology has unlocked unprecedented opportunities for delving into the complexities of gene expression patterns within intricate biological systems. Despite its transformative potential, the prohibitive cost of ST technology remains a significant barrier to its widespread adoption in large-scale studies. An alternative, more cost-effective strategy involves employing artificial intelligence to predict gene expression levels using readily accessible whole-slide images stained with Hematoxylin and Eosin (H&E). However, existing methods have yet to fully capitalize on multimodal information provided by H&E images and ST data with spatial location. In this paper, we propose mclSTExp, a multimodal contrastive learning with Transformer and Densenet-121 encoder for Spatial Transcriptomics Expression prediction. We conceptualize each spot as a "word", integrating its intrinsic features with spatial context through the self-attention mechanism of a Transformer encoder. This integration is further enriched by incorporating image features via contrastive learning, thereby enhancing the predictive capability of our model. We conducted an extensive evaluation of highly variable genes in two breast cancer datasets and a skin squamous cell carcinoma dataset, and the results demonstrate that mclSTExp exhibits superior performance in predicting spatial gene expression. Moreover, mclSTExp has shown promise in interpreting cancer-specific overexpressed genes, elucidating immune-related genes, and identifying specialized spatial domains annotated by pathologists. Our source code is available at https://github.com/shizhiceng/mclSTExp.
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