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网络构建与统计验证01 / 16

节点与边的定义

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节点:分析单元的选择

节点(node)是研究者选定的分析单元。它要求单元内部足够同质、单元之间可以区分,并且在不同个体或样本之间可以对应。

数据类型 常见节点 典型的节点定义问题
结构/功能 MRI 脑图谱中的脑区(ROI)、体素、皮层顶点 图谱分辨率;群体图谱与个体功能边界不一致
电生理(EEG/MEG) 电极、源空间脑区 容积传导使相邻电极信号混合
量表与症状评估 条目或症状 条目内容重叠;条目与潜变量的关系
转录组 基因、转录本、模块特征基因 低表达基因噪声大;细胞组成混杂
相互作用数据库 蛋白质、基因、代谢物、药物、疾病 同一基因的多个蛋白异构体被合并;命名映射丢失

节点定义会直接改变网络指标。Zalesky 等(2010, NeuroImage)用同一批弥散数据、不同分辨率的脑区划分构建结构网络,发现小世界性、度分布等指标随节点尺度系统变化。因此跨研究比较指标的绝对值意义有限,同一流程下的相对比较更可靠。

边:四种不同性质的关系

“边”这个词在不同数据中指代性质完全不同的关系,混用会导致解释错误。

物理连接(physical connection):两个对象之间存在可直接观察的实体联系,如蛋白质之间的结合、神经元之间的突触、两脑区之间的白质纤维束。

统计关联(statistical association):两个变量的测量值共同变化,如功能连接中 BOLD 时间序列的相关、共表达网络中的表达相关、症状网络中的偏相关。

功能关联(functional association):两个对象参与同一生物学过程的证据,可能整合多种来源,例如 STRING 数据库的综合得分同时纳入实验、共表达、基因组邻近和文本挖掘证据(Szklarczyk 等, 2019, Nucleic Acids Research)。

因果或有向关系(causal/directed relation):一个变量的变化导致另一个变量变化,如转录因子对靶基因的调控、有效连接(effective connectivity)。

这四类边回答不同问题。物理连接网络中的路径可以对应实际的信号或物质传递;统计关联网络中的“最短路径”没有明确的物理含义(Rubinov & Sporns, 2010, NeuroImage);功能关联网络的边权是证据强度,不是作用强度;有向边需要时间顺序、干预或强结构假设才能识别。

同一个“网络”可能混合了多种边。 很多数据库把酵母双杂交得到的二元结合、亲和纯化–质谱得到的复合物共沉淀、遗传相互作用放在同一张表里。复合物共沉淀并不说明两个蛋白直接接触,常见的做法是把复合物展开为“星形”或“全连接”,两种展开方式给出的度分布差别很大。构建前应按实验类型筛选,并写明展开方式。

有向关系的证据来源

从观测数据推断方向需要额外信息。时间顺序是最常用的线索:Granger(1969, Econometrica)因果检验问“加入 XX 的过去值能否改进对 YY 的预测”;动态因果模型(dynamic causal modelling, DCM; Friston 等, 2003, NeuroImage)则用生成模型显式描述神经活动如何产生观测信号。Smith 等(2011, NeuroImage)在模拟 fMRI 数据上比较了多种连接估计方法,偏相关、正则化逆协方差等方法在检测“是否有直接连接”上表现较好,而基于滞后的方向推断在 fMRI 的时间分辨率与血流动力学延迟下表现很差。基因调控方面,扰动实验(敲除、敲低、CRISPR 筛选)提供的方向证据通常强于纯观测数据,详见 基因调控网络推断。Granger 因果、转移熵与动态因果模型的定义、算法与限制见 从时间序列推断有向边。