如何将DNA序列输入到神经网络中

发布时间 2023-04-18 21:24:34作者: 王哲MGG_AI

dna序列是由四个不同的核苷酸(腺嘌呤,胞嘧啶,鸟嘌呤和鳙嘌呤)组成的字符串,在神经网络中输入dna序列通常需要进行编码转换。以下是一些将dna序列输入到神经网络的方法:

  1. one-hot编码:

one-hot编码是将dna序列中每个核苷酸表示成一个固定长度为4的二进制序列。例如:

  • a: [1, 0, 0, 0]
  • c: [0, 1, 0, 0]
  • g: [0, 0, 1, 0]
  • t/u: [0, 0, 0, 1]

这样,整个dna序列就可以被转换成一个矩阵,其中每行表示一个核苷酸,每列表示该核苷酸是否存在,然后将其作为神经网络的输入。

  1. k-mer频率编码:

k-mer是dna序列中基因片段(k个连续核苷酸)。k-mers根据出现的频率编码,这样就考虑了更多的上下文信息,而不仅仅是单个核苷酸。例如:对于dna序列"atcgaaatg",当k=3时,有下面的三个k-mer:

  • atc
  • tcg
  • cga

然后可以统计每个k-mer的频率,将它们组成一个向量,并将该向量作为神经网络的输入。

  1. word2vec编码:

对于dna序列中的每个核苷酸或者k-mer,可以用word2vec进行嵌入式编码。word2vec是一种用于生成单词或短语的连续值向量的技术,原理是通过计算相邻单词

 

将DNA序列输入神经网络中需要将其转换成可处理的数字表示。其中一个最常用的方法是使用one-hot编码。

首先,我们需要确定DNA序列中有哪些核苷酸种类,即A、T、C和G。然后,我们可以创建一个与每个不同核苷酸对应的向量,每个向量由0和1组成。如果我们有4个不同的核苷酸,则每个向量的长度为4。

例如,假设我们要将 "ATCG" 编码为one-hot表示。这样,我们可以将每个核苷酸转换为一个四维数组,其中只有相应位置上的数值为1,其余均为0:

  • A:[1, 0, 0, 0]
  • T:[0, 1, 0, 0]
  • C:[0, 0, 1, 0]
  • G:[0, 0, 0, 1]

因此,将 "ATCG" 转换为one-hot编码后得到二维数组:

复制代码
[[1, 0, 0, 0],
 [0, 1, 0, 0],
 [0, 0, 1, 0],
 [0, 0, 0, 1]]

在神经网络中,每个序列通常会被视为独立的观察,并被准备成3D张量格式,对于DNA N个字母长的序列,我们就需要形成一个�×4N×4的二维数组,并将其堆叠在一起形成一个(1,N,4)的三维张量,然后我们可以利用该张量作为输入 向神经网络模型输入。

例如,假如有3个这样的DNA序列[ATCG, TTACG, CGATC], 我们需要先将它们编码为one-hot表示。每个序列都将转换为 $