CIF: Small: Nonlinear Matrix and Tensor Completion with Applications in Systems Biology

CIF:小:非线性矩阵和张量补全及其在系统生物学中的应用

基本信息

项目摘要

Many experiments in molecular biology designed for discovering cellular functions and organization, or estimating the efficiency of drug treatments, are prohibitively expensive to be systematically conducted on large scale systems. It is therefore of paramount importance to develop analytical methods for predicting which experiments are likely to provide the most informative outcomes of biological tests, based only on a small sample of incomplete and noisy measurements. Frequently, the incomplete data are random or pseudo-random samples of a matrix, or more generally, a multidimensional array (tensor). This suggests the use of a new algorithmic and analytic paradigm, termed low-rank matrix and tensor completion, for solving the inference problems at hand. This research involves the development of novel tensor and nonlinear completion methods for inference of protein-protein interaction networks and design of synthetic lethality experiments. The methods used represent a combination of information-theoretic and algorithmic approaches centered around constrained optimization on Grassman manifolds. This research program has the potential to benefit many branches of molecular biology, neuroscience, computer vision, control, economics and signal processing in terms of answering fundamental inference questions for sparse systems and reducing the cost and time associated with system testing and experimental design. It will also provide unprecedented opportunities to graduate students in the electrical engineering and mathematics departments at UIUC to explore state-of-the art technologies and research problems at the intersection of molecular biology, bio-informatics, and signal processing.
许多用于发现细胞功能和组织的分子生物学实验,或估计药物治疗的效率,在大规模系统上系统地进行了非常昂贵的昂贵。因此,仅基于一小部分不完整和嘈杂的测量样本,开发用于预测哪些实验可能提供最有用的生物测试结果的分析方法至关重要。通常,不完整的数据是矩阵的随机或伪随机样品,或更一般的多维阵列(张量)。这表明使用了一种新算法和分析范式,称为低率矩阵和张量完成,以解决手头的推理问题。这项研究涉及推断蛋白质蛋白相互作用网络的新型张量和非线性完成方法以及合成致死性实验的设计。所使用的方法代表了围绕格拉曼歧管的受约束优化的信息理论和算法方法的组合。该研究计划有可能通过回答稀疏系统的基本推论问题,并减少与系统测试和实验设计相关的成本和时间,从而使分子生物学,神经科学,计算机视觉,控制,经济学和信号处理的许多分支受益。它还将为UIUC电气工程和数学部门的研究生提供前所未有的机会,以探索分子生物学,生物信息学和信号处理的交集的最先进技术和研究问题。

项目成果

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