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揭開聚類的神秘面紗
你是否曾好奇，如何將成千上萬(wàn)的細(xì)胞數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，從而揭示細(xì)胞之間的潛在關(guān)系？這一過(guò)程被稱為“聚類"。通過(guò)聚類，我們可以將結(jié)構(gòu)相似的細(xì)胞分到一組，進(jìn)一步探究它們的共同特征，如共同表達(dá)的基因和基因分布。
聚類不僅是生物醫(yī)學(xué)研究的重要工具，也是機(jī)器學(xué)習(xí)中的一個(gè)關(guān)鍵概念。機(jī)器學(xué)習(xí)分為監(jiān)督學(xué)習(xí)和無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)，而聚類正是無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)的一種。它不需要預(yù)先標(biāo)記數(shù)據(jù)，而是通過(guò)分析數(shù)據(jù)本身的相似性進(jìn)行分組，追求類內(nèi)差異zui小化、類間差異zui大化的目標(biāo)。
K-means算法：一種無(wú)監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)算法，用于將相似的數(shù)據(jù)點(diǎn)聚類成組
K-means算法是一種常用的無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，專用于將相似的數(shù)據(jù)點(diǎn)聚類成組。其基本步驟如下：
1
初始化質(zhì)心：隨機(jī)選擇K個(gè)點(diǎn)作為初始質(zhì)心。
2
分配數(shù)據(jù)點(diǎn)：將每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)分配到最近的質(zhì)心。
3
更新質(zhì)心：重新計(jì)算每個(gè)簇的質(zhì)心。
4
迭代：重復(fù)分配和更新過(guò)程，直到質(zhì)心不再變化。
優(yōu)缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)：
高效處理大規(guī)模數(shù)據(jù)。
原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。
缺點(diǎn)：
需要預(yù)先定義簇的數(shù)量K。
對(duì)初始質(zhì)心敏感，可能導(dǎo)致局部zuiyou解。
對(duì)離群值較為敏感。
K-means流程示例圖1
K-means流程示例圖2
一種用于高維數(shù)據(jù)的無(wú)監(jiān)督自動(dòng)聚類方法
PhenoGraph-Leiden算法結(jié)合了PhenoGraph和Leiden算法的優(yōu)勢(shì)，特別適用于gaowei數(shù)據(jù)的聚類。PhenoGraph通過(guò)構(gòu)建k-最近鄰圖（k-NN圖），使用Louvain算法進(jìn)行模塊度優(yōu)化，識(shí)別社區(qū)結(jié)構(gòu)。而Leiden算法在Louvain算法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，確保社區(qū)分裂和連通性問(wèn)題得到解決，生成的社區(qū)更加一致和連通。
以下是每種方法的簡(jiǎn)要介紹：
PhenoGraph
原理：
PhenoGraph 是一種基于圖論的聚類算法，特別適用于單細(xì)胞數(shù)據(jù)分析。它通過(guò)構(gòu)建 k-最近鄰圖（k-nearest neighbor graph, k-NN graph）來(lái)表示數(shù)據(jù)，然后使用 Louvain 算法來(lái)優(yōu)化模塊度，最終識(shí)別出數(shù)據(jù)中的社區(qū)或群體。
步驟：
1.構(gòu)建 k-最近鄰圖：對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，找到其 k 個(gè)最近鄰居，并建立連接。
2.權(quán)重分配：為圖中的每條邊分配權(quán)重，通常基于歐幾里得距離或其他距離度量。
3.Louvain 算法：使用 Louvain 算法進(jìn)行模塊度優(yōu)化，識(shí)別出社區(qū)結(jié)構(gòu)。
Leiden
原理：
Leiden 算法是在 Louvain 算法的基礎(chǔ)上提出的一種改進(jìn)，解決了 Louvain 算法的某些局限性，如社區(qū)分裂和連通性問(wèn)題。Leiden 算法通過(guò)多階段優(yōu)化過(guò)程，確保生成的社區(qū)更具一致性和連通性。
步驟：
1.初始階段：與 Louvain 算法類似，首先進(jìn)行模塊度優(yōu)化。
2.精細(xì)化階段：對(duì)初始階段的社區(qū)進(jìn)行細(xì)化，確保每個(gè)社區(qū)內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)是強(qiáng)連通的。
3.聚合階段：將細(xì)化后的社區(qū)視為新的節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建新的圖，重復(fù)上述過(guò)程，直到社區(qū)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
PhenoGraph-Leiden 的步驟
PhenoGraph-Leiden 結(jié)合了 PhenoGraph 的 k-NN 圖構(gòu)建和 Leiden 算法的社區(qū)檢測(cè)步驟，具體過(guò)程如下：
1
數(shù)據(jù)預(yù)處理：對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和降維（如 PCA）處理，減少噪聲和維度。
2
構(gòu)建 k-NN 圖：使用 PhenoGraph 方法構(gòu)建 k-最近鄰圖，表示數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的相似性。
3
Leiden 算法優(yōu)化：使用 Leiden 算法對(duì) k-NN 圖進(jìn)行社區(qū)檢測(cè)，優(yōu)化模塊度并確保社區(qū)連通性和一致性。
4
結(jié)果輸出：輸出識(shí)別出的社區(qū)或細(xì)胞群體，并進(jìn)行后續(xù)分析和可視化。
優(yōu)缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)：
適用于高維、復(fù)雜數(shù)據(jù)集。
無(wú)需預(yù)先確定簇的數(shù)量。
對(duì)噪聲和離群值不敏感，分辨率靈活。
缺點(diǎn)：
計(jì)算量大，需要較高的計(jì)算資源。
對(duì)參數(shù)敏感，需要仔細(xì)調(diào)試。
如何選擇合適的聚類算法？
Aivia軟件：多種聚類方法助你一臂之力
Aivia軟件內(nèi)置了四種聚類方法：
K-means
PhenoGraph-Leiden
Object Classifier
Phenotyper
每種方法都有其du特的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)數(shù)據(jù)特性和分析目標(biāo)選擇zuishihe的方法，將大大提升你的研究效率。
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參考文獻(xiàn)：
1. MacQueen J. Some methods for classification and analysis of multi va riate observations. In Proceedings of the fifth Berkeley symposium on mathematical statistics and probability. 1967 Jun 21 (Vol. 1, No. 14, pp. 281-297).
2. Traag VA, Waltman L, Van Eck NJ. From Louvain to Leiden: guaranteeing well-connected communities. Scientific Reports. 2019 Mar 26;9(1):5233.
3. Rousseeuw, P. J. (1987). Silhouettes: a graphical aid to the interpretation and validation of cluster analysis. Journal of computational and applied mathematics, 20, 53-65.
4. Lenssen, L., & Schubert, E. (2022, September). Clustering by direct optimization of the medoid silhouette. In International Conference on Similarity Search and Applications (pp. 190-204). Cham: Springer International Publishing.
這篇文章不僅讓你了解了K-means和PhenoGraph-Leiden算法的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)，更幫助你在實(shí)際應(yīng)用中選擇最he適的聚類方法。希望這篇深度解析能為你的研究帶來(lái)新的啟發(fā)！歡迎留言分享你的看法和使用經(jīng)驗(yàn)！
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