International initiatives such as METABRIC (Molecular Taxonomy of Breast Cancer International Consortium) have collected several multigenomic and clinical data sets to identify the undergoing molecular processes taking place throughout the evolution of various cancers. Numerous Machine Learning and statistical models have been designed and trained to analyze these types of data independently, however, the integration of such differently shaped and sourced information streams has not been extensively studied. To better integrate these data sets and generate meaningful representations that can ultimately be leveraged for cancer detection tasks could lead to giving well-suited treatments to patients. Hence, we propose a novel learning pipeline comprising three steps - the integration of cancer data modalities as graphs, followed by the application of Graph Neural Networks in an unsupervised setting to generate lower-dimensional embeddings from the combined data, and finally feeding the new representations on a cancer sub-type classification model for evaluation. The graph construction algorithms are described in-depth as METABRIC does not store relationships between the patient modalities, with a discussion of their influence over the quality of the generated embeddings. We also present the models used to generate the lower-latent space representations: Graph Neural Networks, Variational Graph Autoencoders and Deep Graph Infomax. In parallel, the pipeline is tested on a synthetic dataset to demonstrate that the characteristics of the underlying data, such as homophily levels, greatly influence the performance of the pipeline, which ranges between 51\% to 98\% accuracy on artificial data, and 13\% and 80\% on METABRIC. This project has the potential to improve cancer data understanding and encourages the transition of regular data sets to graph-shaped data.

Pre-publication draft of a book to be published byMorgan & Claypool publishers. Unedited version released with permission. All relevant copyrights held by the author and publisher extend to this pre-publication draft.

Deep learning has revolutionized many machine learning tasks in recent years, ranging from image classification and video processing to speech recognition and natural language understanding. The data in these tasks are typically represented in the Euclidean space. However, there is an increasing number of applications where data are generated from non-Euclidean domains and are represented as graphs with complex relationships and interdependency between objects. The complexity of graph data has imposed significant challenges on existing machine learning algorithms. Recently, many studies on extending deep learning approaches for graph data have emerged. In this survey, we provide a comprehensive overview of graph neural networks (GNNs) in data mining and machine learning fields. We propose a new taxonomy to divide the state-of-the-art graph neural networks into four categories, namely recurrent graph neural networks, convolutional graph neural networks, graph autoencoders, and spatial-temporal graph neural networks. We further discuss the applications of graph neural networks across various domains and summarize the open source codes, benchmark data sets, and model evaluation of graph neural networks. Finally, we propose potential research directions in this rapidly growing field.

疾病预测是医学应用中的知名分类问题。 GCNS提供了一个强大的工具，用于分析患者相对于彼此的特征。这可以通过将问题建模作为图形节点分类任务来实现，其中每个节点是患者。由于这种医学数据集的性质，类别不平衡是疾病预测领域的普遍存在问题，其中类的分布是歪曲的。当数据中存在类别不平衡时，现有的基于图形的分类器倾向于偏向于主要类别并忽略小类中的样本。另一方面，所有患者中罕见阳性病例的正确诊断在医疗保健系统中至关重要。在传统方法中，通过将适当的权重分配给丢失函数中的类别来解决这种不平衡，这仍然依赖于对异常值敏感的权重的相对值，并且在某些情况下偏向于小类（ES）。在本文中，我们提出了一种重加权的对抗性图形卷积网络（RA-GCN），以防止基于图形的分类器强调任何特定类的样本。这是通过将基于图形的神经网络与每个类相关联来完成的，这负责加权类样本并改变分类器的每个样本的重要性。因此，分类器自身调节并确定类之间的边界，更加关注重要样本。分类器和加权网络的参数受到侵犯方法训练。我们在合成和三个公共医疗数据集上显示实验。与最近的方法相比，ra-gcn展示了与最近的方法在所有三个数据集上识别患者状态的方法相比。详细分析作为合成数据集的定量和定性实验提供。

这是一门专门针对STEM学生开发的介绍性机器学习课程。我们的目标是为有兴趣的读者提供基础知识，以在自己的项目中使用机器学习，并将自己熟悉术语作为进一步阅读相关文献的基础。在这些讲义中，我们讨论受监督，无监督和强化学习。注释从没有神经网络的机器学习方法的说明开始，例如原理分析，T-SNE，聚类以及线性回归和线性分类器。我们继续介绍基本和先进的神经网络结构，例如密集的进料和常规神经网络，经常性的神经网络，受限的玻尔兹曼机器，（变性）自动编码器，生成的对抗性网络。讨论了潜在空间表示的解释性问题，并使用梦和对抗性攻击的例子。最后一部分致力于加强学习，我们在其中介绍了价值功能和政策学习的基本概念。

在本文中，我们提供了针对深度学习（DL）模型的结构化文献分析，该模型用于支持癌症生物学的推论，并特别强调了多词分析。这项工作着重于现有模型如何通过先验知识，生物学合理性和解释性，生物医学领域的基本特性来解决更好的对话。我们讨论了DL模型的最新进化拱门沿整合先前的生物关系和网络知识的方向，以支持更好的概括（例如途径或蛋白质 - 蛋白质相互作用网络）和解释性。这代表了向模型的基本功能转变，该模型可以整合机械和统计推断方面。我们讨论了在此类模型中整合域先验知识的代表性方法。该论文还为解释性和解释性的当代方法提供了关键的看法。该分析指向编码先验知识和改善解释性之间的融合方向。

高通量测序技术的最新进展使得可以提取多个特征，这些特征描绘了以不同和互补分子水平的患者样本。此类数据的产生导致了计算生物学方面的新挑战，这些挑战涉及捕获多个基因及其功能之间相互关系的高维和异质数据集的整合。由于它们的多功能性和学习复杂数据的合成潜在表示的能力，深度学习方法为整合多词数据提供了有希望的观点。这些方法导致了许多主要基于自动编码器模型的许多原始体系结构的概念。但是，由于任务的困难，集成策略是基本的，而不是失去全球趋势而充分利用来源的特殊性。本文提出了一种新型策略，以构建可自定义的自动编码器模型，该模型适应高维多源集成而言使用的数据集。我们将评估整合策略对潜在代表的影响，并结合提出一种新方法的最佳策略（https://github.com/hakimbenkirane/customics）。我们在这里关注来自多个OMIC来源的数据的集成，并证明了针对多个任务（例如分类和生存分析）的测试用例的拟议方法的性能。

生物医学网络是与疾病网络的蛋白质相互作用的普遍描述符，从蛋白质相互作用，一直到医疗保健系统和科学知识。随着代表学习提供强大的预测和洞察的显着成功，我们目睹了表现形式学习技术的快速扩展，进入了这些网络的建模，分析和学习。在这篇综述中，我们提出了一个观察到生物学和医学中的网络长期原则 - 而在机器学习研究中经常出口 - 可以为代表学习提供概念基础，解释其当前的成功和限制，并告知未来进步。我们综合了一系列算法方法，即在其核心利用图形拓扑到将网络嵌入到紧凑的向量空间中，并捕获表示陈述学习证明有用的方式的广度。深远的影响包括鉴定复杂性状的变异性，单细胞的异心行为及其对健康的影响，协助患者的诊断和治疗以及制定安全有效的药物。

Graph classification is an important area in both modern research and industry. Multiple applications, especially in chemistry and novel drug discovery, encourage rapid development of machine learning models in this area. To keep up with the pace of new research, proper experimental design, fair evaluation, and independent benchmarks are essential. Design of strong baselines is an indispensable element of such works. In this thesis, we explore multiple approaches to graph classification. We focus on Graph Neural Networks (GNNs), which emerged as a de facto standard deep learning technique for graph representation learning. Classical approaches, such as graph descriptors and molecular fingerprints, are also addressed. We design fair evaluation experimental protocol and choose proper datasets collection. This allows us to perform numerous experiments and rigorously analyze modern approaches. We arrive to many conclusions, which shed new light on performance and quality of novel algorithms. We investigate application of Jumping Knowledge GNN architecture to graph classification, which proves to be an efficient tool for improving base graph neural network architectures. Multiple improvements to baseline models are also proposed and experimentally verified, which constitutes an important contribution to the field of fair model comparison.

图表神经网络（GNNS）最近在人工智能（AI）领域的普及，这是由于它们作为输入数据相对非结构化数据类型的独特能力。尽管GNN架构的一些元素在概念上类似于传统神经网络（以及神经网络变体）的操作中，但是其他元件代表了传统深度学习技术的偏离。本教程通过整理和呈现有关GNN最常见和性能变种的动机，概念，数学和应用的细节，将GNN的权力和新颖性暴露给AI从业者。重要的是，我们简明扼要地向实际示例提出了本教程，从而为GNN的主题提供了实用和可访问的教程。

这篇综述的目的是将读者介绍到图表内，以将其应用于化学信息学中的分类问题。图内核是使我们能够推断分子的化学特性的功能，可以帮助您完成诸如寻找适合药物设计的化合物等任务。内核方法的使用只是一种特殊的两种方式量化了图之间的相似性。我们将讨论限制在这种方法上，尽管近年来已经出现了流行的替代方法，但最著名的是图形神经网络。

无创医学神经影像学已经对大脑连通性产生了许多发现。开发了几种实质技术绘制形态，结构和功能性脑连接性，以创建人脑中神经元活动的全面路线图。依靠其非欧国人数据类型，图形神经网络（GNN）提供了一种学习深图结构的巧妙方法，并且它正在迅速成为最先进的方法，从而导致各种网络神经科学任务的性能增强。在这里，我们回顾了当前基于GNN的方法，突出了它们在与脑图有关的几种应用中使用的方式，例如缺失的脑图合成和疾病分类。最后，我们通过绘制了通往网络神经科学领域中更好地应用GNN模型在神经系统障碍诊断和人群图整合中的路径。我们工作中引用的论文列表可在https://github.com/basiralab/gnns-inns-intwork-neuroscience上找到。

即使机器学习算法已经在数据科学中发挥了重要作用，但许多当前方法对输入数据提出了不现实的假设。由于不兼容的数据格式，或数据集中的异质，分层或完全缺少的数据片段，因此很难应用此类方法。作为解决方案，我们提出了一个用于样本表示，模型定义和培训的多功能，统一的框架，称为“ Hmill”。我们深入审查框架构建和扩展的机器学习的多个范围范式。从理论上讲，为HMILL的关键组件的设计合理，我们将通用近似定理的扩展显示到框架中实现的模型所实现的所有功能的集合。本文还包含有关我们实施中技术和绩效改进的详细讨论，该讨论将在MIT许可下发布供下载。该框架的主要资产是其灵活性，它可以通过相同的工具对不同的现实世界数据源进行建模。除了单独观察到每个对象的一组属性的标准设置外，我们解释了如何在框架中实现表示整个对象系统的图表中的消息推断。为了支持我们的主张，我们使用框架解决了网络安全域的三个不同问题。第一种用例涉及来自原始网络观察结果的IoT设备识别。在第二个问题中，我们研究了如何使用以有向图表示的操作系统的快照可以对恶意二进制文件进行分类。最后提供的示例是通过网络中实体之间建模域黑名单扩展的任务。在所有三个问题中，基于建议的框架的解决方案可实现与专业方法相当的性能。

本次调查绘制了用于分析社交媒体数据的生成方法的研究状态的广泛的全景照片（Sota）。它填补了空白，因为现有的调查文章在其范围内或被约会。我们包括两个重要方面，目前正在挖掘和建模社交媒体的重要性：动态和网络。社会动态对于了解影响影响或疾病的传播，友谊的形成，友谊的形成等，另一方面，可以捕获各种复杂关系，提供额外的洞察力和识别否则将不会被注意的重要模式。

Neuroomaging的最新进展以及网络数据统计学习中的算法创新提供了一种独特的途径，可以集成大脑结构和功能，从而有助于揭示系统水平的一些大脑组织原则。在此方向上，我们通过曲线图编码器 - 解码器系统制定了一种模拟脑结构连接（SC）和功能连接（FC）之间的关系的监督图形表示学习框架，其中SC用作预测经验FC的输入。训练图卷积编码器捕获模拟实际神经通信的大脑区域之间的直接和间接相互作用，以及集成结构网络拓扑和节点（即，区域特定的）属性的信息。编码器学习节点级SC嵌入，它们组合以生成用于重建经验FC网络的（全大脑）图级表示。所提出的端到端模型利用多目标损失函数来共同重建FC网络，并学习用于下游主题的SC-To-Fc映射的判别图表表示（即，图形级）分类。综合实验表明，所述关系的学习表现从受试者的脑网络的内在属性中捕获有价值的信息，并导致提高对来自人类连接项目的大量重型饮酒者和非饮酒者的准确性提高。我们的工作提供了关于脑网络之间关系的新见解，支持使用图形表示学习的有希望的前景，了解有关人脑活动和功能的更多信息。

最近有一项激烈的活动在嵌入非常高维和非线性数据结构的嵌入中，其中大部分在数据科学和机器学习文献中。我们分四部分调查这项活动。在第一部分中，我们涵盖了非线性方法，例如主曲线，多维缩放，局部线性方法，ISOMAP，基于图形的方法和扩散映射，基于内核的方法和随机投影。第二部分与拓扑嵌入方法有关，特别是将拓扑特性映射到持久图和映射器算法中。具有巨大增长的另一种类型的数据集是非常高维网络数据。第三部分中考虑的任务是如何将此类数据嵌入中等维度的向量空间中，以使数据适合传统技术，例如群集和分类技术。可以说，这是算法机器学习方法与统计建模（所谓的随机块建模）之间的对比度。在论文中，我们讨论了两种方法的利弊。调查的最后一部分涉及嵌入$ \ mathbb {r}^ 2 $，即可视化中。提出了三种方法：基于第一部分，第二和第三部分中的方法，$ t $ -sne，UMAP和大节。在两个模拟数据集上进行了说明和比较。一个由嘈杂的ranunculoid曲线组成的三胞胎，另一个由随机块模型和两种类型的节点产生的复杂性的网络组成。

我们描述了作为黑暗机器倡议和LES Houches 2019年物理学研讨会进行的数据挑战的结果。挑战的目标是使用无监督机器学习算法检测LHC新物理学的信号。首先，我们提出了如何实现异常分数以在LHC搜索中定义独立于模型的信号区域。我们定义并描述了一个大型基准数据集，由> 10亿美元的Muton-Proton碰撞，其中包含> 10亿美元的模拟LHC事件组成。然后，我们在数据挑战的背景下审查了各种异常检测和密度估计算法，我们在一组现实分析环境中测量了它们的性能。我们绘制了一些有用的结论，可以帮助开发无监督的新物理搜索在LHC的第三次运行期间，并为我们的基准数据集提供用于HTTPS://www.phenomldata.org的未来研究。重现分析的代码在https://github.com/bostdiek/darkmachines-unsupervisedChallenge提供。

Deep learning has been shown to be successful in a number of domains, ranging from acoustics, images, to natural language processing. However, applying deep learning to the ubiquitous graph data is non-trivial because of the unique characteristics of graphs. Recently, substantial research efforts have been devoted to applying deep learning methods to graphs, resulting in beneficial advances in graph analysis techniques. In this survey, we comprehensively review the different types of deep learning methods on graphs. We divide the existing methods into five categories based on their model architectures and training strategies: graph recurrent neural networks, graph convolutional networks, graph autoencoders, graph reinforcement learning, and graph adversarial methods. We then provide a comprehensive overview of these methods in a systematic manner mainly by following their development history. We also analyze the differences and compositions of different methods. Finally, we briefly outline the applications in which they have been used and discuss potential future research directions.

多模式单细胞技术的最新进展已使从同一细胞中的多个OMICS数据同时采集，从而更深入地了解细胞状态和动力学。但是，从多模式数据，模拟模式之间的关系并更重要的是，将大量的单模式数据集纳入下游分析是一项挑战。为了应对这些挑战并相应地促进了多模式的单细胞数据分析，已经引入了三个关键任务：$ \ textit {模式预测} $，$ \ textit {modital {modital {modational conterative} $和$ \ textit {intimit {interion {intim interding} $。在这项工作中，我们提出了一个通用图形神经网络框架$ \ textit {scmognn} $来解决这三个任务，并表明$ \ textit {scmognn} $与最新的任务相比，在所有三个任务中都表现出了卓越的结果。艺术和传统方法。我们的方法是\ textit {模式预测}的整体排名的官方获奖者，来自神经2021竞赛\ footNote {\ url {https://openproblems.bio/neurips_2021/}}，我们的所有方法都已整合到我们的所有实现中舞蹈软件包\ footNote {\ url {https://github.com/omicsml/dance}}}。

在过去十年中，图形内核引起了很多关注，并在结构化数据上发展成为一种快速发展的学习分支。在过去的20年中，该领域发生的相当大的研究活动导致开发数十个图形内核，每个图形内核都对焦于图形的特定结构性质。图形内核已成功地成功地在广泛的域中，从社交网络到生物信息学。本调查的目标是提供图形内核的文献的统一视图。特别是，我们概述了各种图形内核。此外，我们对公共数据集的几个内核进行了实验评估，并提供了比较研究。最后，我们讨论图形内核的关键应用，并概述了一些仍有待解决的挑战。