Inferring Continuous-Time Reaction Models from Time-Series Data
Laufzeit:
Projektkoordination:
Wissenschaftliche Bearbeiter:
Finanzierung:
01.01.2027 bis 31.12.2029
Prof. Adelinde M. Uhrmacher,
Prof. François Fages (Inria)
M.Sc Glenn Skrzypczak,
M.Sc. Justin N. Kreikemeyer
Deutsche Forschungsgemeinschaft - DFG,
Agence nationale de la recherche - ANR
Zusammenfassung
Methoden des maschinellen Lernens verändern viele Bereiche der Wissenschaft und eröffnen neue Möglichkeiten für die Entwicklung quantitativer Simulationsmodelle. Eine besonders vielversprechende Richtung, auf der auch der Schwerpunkt von INCRE liegt, ist die Inferenz mechanistischer Simulationsmodelle direkt aus Zeitreihendaten. Insbesondere wird das Projekt neue Methoden zur Inferenz chemischer Reaktionsnetzwerke entwickeln, eines Standardformalismus zur Modellierung in der Systembiologie.
In der Systembiologie bilden chemische Reaktionsnetzwerke (Chemical Reaction Networks, CRNs) einen etablierten Formalismus zur Modellierung molekularer Interaktionsprozesse, sowohl in deterministischen, zeitkontinuierlichen Interpretationen auf Basis gewöhnlicher Differentialgleichungen (ODEs) als auch in stochastischen Interpretationen auf Basis zeitkontinuierlicher Markov-Ketten (CTMCs). Trotz jüngster Fortschritte bleibt die Inferenz von CRN-Modellen aus experimentellen Zeitreihendaten eine Herausforderung. Zu den zentralen offenen Problemen gehören die Robustheit gegenüber verrauschten und nur teilweise beobachteten Daten, das Vorhandensein unbeobachteter Variablen, die Einbindung biologischen Vorwissens zur Verbesserung der Interpretierbarkeit sowie das Fehlen standardisierter Benchmarks für die Evaluation. Das Projekt INCRE (Inferring Continuous-Time Reaction Models from Time-Series Data) zielt darauf ab, diese Herausforderungen durch die Entwicklung neuer Methoden zur Inferenz von CRNs aus zeitlichen Daten anzugehen. INCRE baut auf den Vorarbeiten der Partner zum Lernen von CRN-Modellen auf, mit besonderem Fokus auf Beam-Search-Verfahren und simulationsbasierten Lernmethoden. Darüber hinaus wird das Projekt Benchmark-Datensätze und Evaluationsprotokolle entwickeln, um einen systematischen Vergleich von Methoden zu ermöglichen und den Fortschritt in der datengetriebenen Inferenz von Simulationsmodellen zu fördern. Ein zentraler Aspekt von INCRE ist die Zusammenarbeit zwischen Inria Paris-Saclay und der Universität Rostock, die komplementäre Expertise in formaler Modellierung, Simulation und datengetriebener Entwicklung zellbiologischer Modelle vereint. Zu den erwarteten Ergebnissen von INCRE gehören neuartige Algorithmen, aussagekräftige Benchmarks und methodische Fortschritte, von denen sowohl die Systembiologie-Community als auch das breitere Feld der datengetriebenen Inferenz von Simulationsmodellen profitieren werden.



