[论文解读] Graph Models for Biological Pathway Visualization: State of the Art and Future Challenges

Hsiang‐Yun Wu, Martin Nöllenburg+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2021

Bioinformatics and Genomic Networks参考文献 38被引用 4

一句话总结

本文提出多层网络作为生物通路可视化的统一数据结构，将异构图模型（如二分图、超图和反应图）整合到一个连贯的框架中。通过分析现有的通路建模与可视化技术，本文识别出可扩展性、交互性、时间依赖性、不确定性以及跨物种比较等方面的关键挑战，并为未来支持动态、领域特定且认知效率高的通路探索的可视化系统提供指导。

ABSTRACT

The concept of multilayer networks has become recently integrated into complex systems modeling since it encapsulates a very general concept of complex relationships. Biological pathways are an example of complex real-world networks, where vertices represent biological entities, and edges indicate the underlying connectivity. For this reason, using multilayer networks to model biological knowledge allows us to formally cover essential properties and theories in the field, which also raises challenges in visualization. This is because, in the early days of pathway visualization research, only restricted types of graphs, such as simple graphs, clustered graphs, and others were adopted. In this paper, we revisit a heterogeneous definition of biological networks and aim to provide an overview to see the gaps between data modeling and visual representation. The contribution will, therefore, lie in providing guidelines and challenges of using multilayer networks as a unified data structure for the biological pathway visualization.

研究动机与目标

• 通过在多层网络框架下统一多种图模型，应对生物通路日益增长的复杂性。
• 识别当前数据建模实践与通路表示可视化技术之间的脱节。
• 突出可视化大规模、动态且异质生物网络时的关键挑战。
• 通过整合功能、物种和亚细胞区室等语义层，支持领域特定的可视化。
• 通过标准化的多层表示，实现跨生物体和细胞环境的比较分析。

提出的方法

• 调查并分类主要通路数据库和可视化工具中使用的底层图模型。
• 将传统的生物通路表示形式（如底物图、超图、反应图）映射到多层网络抽象。
• 分析手工设计与算法生成的通路布局，评估其视觉清晰度与结构保真度。
• 评估视觉层次与布局平衡在降低通路解读过程中的认知负荷方面的作用。
• 提出一个框架，使多层网络作为中心数据结构，实现不同可视化类型之间的转换。
• 将时间、不确定性和跨生物体比较整合到单一多层建模与可视化流程中。

实验结果

研究问题

• RQ1 多层网络如何统一生物通路建模中使用的多种图模型？
• RQ2 在表示大规模、动态且异质的生物通路时，可视化面临的关键挑战是什么？
• RQ3 多层网络如何支持复杂代谢与信号通路的可扩展且交互式的可视化？
• RQ4 多层网络在跨物种和细胞区室的通路比较分析中可发挥哪些作用？
• RQ5 不确定性与时间依赖性如何在多层网络框架内被形式化建模并可视化表示？

主要发现

• 多层网络提供了一种统一的抽象，能够封装多种生物通路模型，包括二分图、超图和反应图。
• 当前的可视化技术在面对真实生物网络的复杂性与高密度时，往往难以扩展，尤其是在涉及多个图层时。
• 整合语义层（如功能模块、物种和亚细胞区室）可提高可解释性，并支持领域特定分析。
• 动态和时间依赖的通路变化（如葡萄糖代谢中的变化）需要自适应布局算法，而这类算法目前仍不成熟。
• 尽管对药物开发和系统生物学解释至关重要，生物相互作用中的不确定性却很少被可视化。
• 多层网络通过将异质数据标准化为统一的结构框架，促进了跨物种的通路可视化比较。