scCausalVI disentangles single-cell perturbation responses with causality-aware generative model

因果关系(物理学) 生成语法 摄动(天文学) 计算机科学 计量经济学 数学 物理 人工智能 量子力学
作者
Sihyun An,Jae-Won Cho,Kai Cao,Jiankang Xiong,Martin Hemberg,Lin Wan
出处
期刊: [Cold Spring Harbor Laboratory]
被引量:1
标识
DOI:10.1101/2025.02.02.636136
摘要

Abstract Single-cell RNA sequencing provides detailed insights into cellular heterogeneity and responses to external stimuli. However, distinguishing inherent cellular variation from extrinsic effects induced by external stimuli remains a major analytical challenge. Here, we present scCausalVI, a causality-aware generative model designed to disentangle these sources of variation. scCausalVI decouples intrinsic cellular states from treatment effects through a deep structural causal network that explicitly models the causal mechanisms governing cell-state-specific responses to external perturbations while accounting for technical variations. Our model integrates structural causal modeling with cross-condition in silico prediction to infer gene expression profiles under hypothetical scenarios. Comprehensive benchmarking demonstrates that scCausalVI outperforms existing methods in disentangling causal relationships, quantifying treatment effects, generalizing to unseen cell types, and separating biological signals from technical variation in multi-source data integration. Applied to COVID-19 datasets, scCausalVI effectively identifies treatment-responsive populations and delineates molecular signatures of cellular susceptibility. Code availability Software is available at https://github.com/ShaokunAn/scCausalVI .
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