復(fù)雜生物網(wǎng)絡(luò)可視化方法研究.pdf

1、生物網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)生物學(xué)研究的重要內(nèi)容?？焖僭鲩L(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和紛繁復(fù)雜的研究極大促進(jìn)了可視化技術(shù)的發(fā)展,需要設(shè)計(jì)快速的畫圖算法布局網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和開(kāi)發(fā)便利的可視化軟件系統(tǒng)以幫助直觀理解復(fù)雜生物網(wǎng)絡(luò)的抽象結(jié)構(gòu)和洞察其中隱含的生物學(xué)意義。
　　 為實(shí)現(xiàn)生物網(wǎng)絡(luò)畫圖,必須提供合適的畫圖算法。一般畫法如分層布局,環(huán)布局、力導(dǎo)向布局算法,對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)較少、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)效果較好,對(duì)于擁有大量節(jié)點(diǎn)和連接的復(fù)雜生物網(wǎng)絡(luò),這些算法的效果不佳。網(wǎng)格布局具

2、有能生成緊湊整齊的布局,同時(shí)節(jié)點(diǎn)在布局中的幾何位置分布與生物功能模塊有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。該算法需要較大的內(nèi)存和較多的運(yùn)行時(shí)間,在復(fù)雜生物網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)可視化和互動(dòng)分析應(yīng)用中受到較大的限制。Kato和Koiima等提出在目標(biāo)函數(shù)中增加“交叉罰分”和“增加生物學(xué)屬性”等方法改進(jìn)網(wǎng)格布局算法,加快布局過(guò)程,然而,這些算法仍然需要較長(zhǎng)的布局時(shí)間,需要研究新的快速網(wǎng)格布局算法以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜生物網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)可視化。
　　 復(fù)雜生物網(wǎng)絡(luò)

3、可視化軟件系統(tǒng)提供圖形用戶界面,用來(lái)直觀顯示算法布局結(jié)果和方便用戶交互式操作,較為流行的系統(tǒng)包括Cytoscape,VisAnt,Cell Illustrator,CADLIVE等等。為較好地整合和分析網(wǎng)絡(luò),復(fù)雜生物網(wǎng)絡(luò)可視化過(guò)程中經(jīng)常需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)值分析,然而,上述系統(tǒng)大多以建模為目的,沒(méi)有提供通用的網(wǎng)絡(luò)數(shù)值分析工具的支持,不方便研究者可視化分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。
　　 在復(fù)雜生物網(wǎng)絡(luò)視圖中,眾多的節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間不均勻的連接,通

4、常造成很高的視覺(jué)復(fù)雜度。如何在有限的圖形用戶界面空間恰當(dāng)顯示節(jié)點(diǎn)的注釋,從而方便用戶全面直觀獲取網(wǎng)絡(luò)信息是非常重要的問(wèn)題。
　　 基于以上分析,本文主要開(kāi)展了以下工作:
　　 a)提出一種快速網(wǎng)格布局算法。在相對(duì)較小的內(nèi)存空間和較少的布局時(shí)間代價(jià)下,能獲取較高質(zhì)量的布局,布局結(jié)果具有與生物學(xué)意義相吻合的模塊結(jié)構(gòu),這使得在互動(dòng)環(huán)境中,對(duì)典型的復(fù)雜生物網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)可視化成為可能。
　　 b)開(kāi)發(fā)了一個(gè)復(fù)雜生物網(wǎng)絡(luò)可視化軟

5、件系統(tǒng)LucidDraw。將快速網(wǎng)格布局算法實(shí)現(xiàn)為L(zhǎng)ucidDraw系統(tǒng)內(nèi)核;為方便網(wǎng)絡(luò)分析,該系統(tǒng)集成了方便、通用的網(wǎng)絡(luò)分析工具一一MATLAB。LucidDraw系統(tǒng)不僅設(shè)計(jì)了方便用戶交互操作的可視化顯示界面,還提供了控制快速網(wǎng)格布局算法參數(shù)的圖形用戶界面,用戶能根據(jù)自己需要調(diào)整布局風(fēng)格和快速網(wǎng)格算法參數(shù)。有關(guān)功能模塊的生物學(xué)屬性的信息也可以通過(guò)LucidDraw系統(tǒng)設(shè)置,用于影響算法布局。
　　 c)提出一種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)圖示背

6、景下有效展示節(jié)點(diǎn)注釋信息的解決方案,該方案通過(guò)三種標(biāo)簽,即內(nèi)置標(biāo)簽、浮動(dòng)標(biāo)簽和強(qiáng)制標(biāo)簽,方便用戶獲取節(jié)點(diǎn)的文字信息同時(shí)而不影響整體布局效果,其中節(jié)點(diǎn)的內(nèi)置標(biāo)簽顯示與否隨布局圖形當(dāng)前的放人率級(jí)別而發(fā)生變化,在盡量不增加視覺(jué)復(fù)雜度的前提下,顯示盡可能多的內(nèi)置標(biāo)簽。
　　 本文以綠濃桿菌(P.aeruginosa PAO1)的代謝網(wǎng)絡(luò)為例說(shuō)明LucidDraw在具體問(wèn)題中的應(yīng)用。在LucidDraw布局結(jié)果中,該網(wǎng)絡(luò)中毒力因子功能子系