近年来，深度学习（DL）方法的流行程度大大增加。尽管在图像数据的分类和操纵中证明了其最初的成功，但DL方法应用于生物医学科学中的问题的应用已显着增长。但是，生物医学数据集中缺失数据的较高流行率和复杂性对DL方法提出了重大挑战。在这里，我们在变化自动编码器（VAE）的背景下提供了对缺失数据的正式处理，这是一种普遍用于缩小尺寸，插补和学习复杂数据的潜在表示的流行无监督的DL体系结构。我们提出了一种新的VAE架构Nimiwae，这是第一个在训练时在输入功能中灵活解释可忽视和不可忽视的缺失模式之一。训练后，可以从缺失数据的后验分布中得出样本，可用于多个插补，从而促进高维不完整数据集的下游分析。我们通过统计模拟证明，我们的方法优于无监督的学习任务和插定精度的现有方法。我们以与12,000名ICU患者有关的EHR数据集的案例研究结束，该数据集具有大量诊断测量和临床结果，其中仅观察到许多特征。

近年来，深度学习（DL）方法的流行程度急剧增加，并且在生物医学科学中的监督学习问题中的应用显着增长。但是，现代生物医学数据集中缺失数据的较高流行率和复杂性对DL方法提出了重大挑战。在这里，我们在深入学习的广义线性模型的背景下，对缺失数据进行了正式处理，这是一种监督的DL架构，用于回归和分类问题。我们提出了一种新的体系结构，即\ textit {dlglm}，这是第一个能够在训练时在输入功能和响应中灵活地说明忽略和不可忽视的缺失模式之一。我们通过统计模拟证明，我们的方法在没有随机（MNAR）缺失的情况下胜过现有的监督学习任务方法。我们从UCI机器学习存储库中对银行营销数据集进行了案例研究，在该数据集中我们预测客户是否基于电话调查数据订阅了产品。

统计模型是机器学习的核心，具有广泛适用性，跨各种下游任务。模型通常由通过最大似然估计从数据估计的自由参数控制。但是，当面对现实世界数据集时，许多模型运行到一个关键问题：它们是在完全观察到的数据方面配制的，而在实践中，数据集会困扰缺失数据。来自不完整数据的统计模型估计理论在概念上类似于潜在变量模型的估计，其中存在强大的工具，例如变分推理（VI）。然而，与标准潜在变量模型相比，具有不完整数据的参数估计通常需要估计缺失变量的指数 - 许多条件分布，因此使标准的VI方法是棘手的。通过引入变分Gibbs推理（VGI），是一种新的通用方法来解决这个差距，以估计来自不完整数据的统计模型参数。我们在一组合成和实际估算任务上验证VGI，从不完整的数据中估算重要的机器学习模型，VAE和标准化流程。拟议的方法，同时通用，实现比现有的特定模型特定估计方法竞争或更好的性能。

福利值广泛用作模型不可知的解释框架，以解释复杂的预测机器学习模型。福利值具有理想的理论特性和声音数学基础。精确的福芙值估计依赖数据依赖于所有特征组合之间的依赖性的准确建模。在本文中，我们使用具有任意调节（VAEAC）的变形AutoEncoder来同时建模所有特征依赖性。我们通过全面的仿真研究证明了VAEAC对于连续和混合依赖特征的各种环境来说，VAEAC优于最先进的方法。最后，我们将VAEAC应用于从UCI机器学习存储库中的鲍鱼数据集。

Missing data are ubiquitous in real world applications and, if not adequately handled, may lead to the loss of information and biased findings in downstream analysis. Particularly, high-dimensional incomplete data with a moderate sample size, such as analysis of multi-omics data, present daunting challenges. Imputation is arguably the most popular method for handling missing data, though existing imputation methods have a number of limitations. Single imputation methods such as matrix completion methods do not adequately account for imputation uncertainty and hence would yield improper statistical inference. In contrast, multiple imputation (MI) methods allow for proper inference but existing methods do not perform well in high-dimensional settings. Our work aims to address these significant methodological gaps, leveraging recent advances in neural network Gaussian process (NNGP) from a Bayesian viewpoint. We propose two NNGP-based MI methods, namely MI-NNGP, that can apply multiple imputations for missing values from a joint (posterior predictive) distribution. The MI-NNGP methods are shown to significantly outperform existing state-of-the-art methods on synthetic and real datasets, in terms of imputation error, statistical inference, robustness to missing rates, and computation costs, under three missing data mechanisms, MCAR, MAR, and MNAR.

项目反应理论（IRT）是一个无处不在的模型，可以根据他们对问题的回答理解人类行为和态度。大型现代数据集为捕捉人类行为的更多细微差别提供了机会，从而有可能改善心理测量模型，从而改善科学理解和公共政策。但是，尽管较大的数据集允许采用更灵活的方法，但许多用于拟合IRT模型的当代算法也可能具有禁止现实世界应用的巨大计算需求。为了解决这种瓶颈，我们引入了IRT的变异贝叶斯推理算法，并表明它在不牺牲准确性的情况下快速可扩展。将此方法应用于认知科学和教育的五个大规模项目响应数据集中，比替代推理算法更高的对数可能性和更高的准确性。然后，使用这种新的推论方法，我们将IRT概括为具有表现力的贝叶斯响应模型，利用深度学习的最新进展来捕获具有神经网络的非线性项目特征曲线（ICC）。使用TIMSS的特定级数学测试，我们显示我们的非线性IRT模型可以捕获有趣的不对称ICC。该算法实现是开源的，易于使用。

有效的决策需要了解预测中固有的不确定性。在回归中，这种不确定性可以通过各种方法估算;然而，许多这些方法对调谐进行费力，产生过度自确性的不确定性间隔，或缺乏敏锐度（给予不精确的间隔）。我们通过提出一种通过定义具有两个不同损失功能的神经网络来捕获回归中的预测分布的新方法来解决这些挑战。具体地，一个网络近似于累积分布函数，第二网络近似于其逆。我们将此方法称为合作网络（CN）。理论分析表明，优化的固定点处于理想化的解决方案，并且该方法是渐近的与地面真理分布一致。凭经验，学习是简单且强大的。我们基准CN对两个合成和六个现实世界数据集的几种常见方法，包括预测来自电子健康记录的糖尿病患者的A1C值，其中不确定是至关重要的。在合成数据中，所提出的方法与基本上匹配地面真理。在真实世界数据集中，CN提高了许多性能度量的结果，包括对数似然估计，平均误差，覆盖估计和预测间隔宽度。

纵向生物医学数据通常是稀疏时间网格和个体特定发展模式的特征。具体而言，在流行病学队列研究和临床登记处，我们面临的问题是在研究早期阶段中可以从数据中学到的问题，只有基线表征和一个后续测量。灵感来自最近的进步，允许将深度学习与动态建模相结合，我们调查这些方法是否可用于揭示复杂结构，特别是对于每个单独的两个观察时间点的极端小数据设置。然后，通过利用个体的相似性，可以使用不规则间距来获得有关个体动态的更多信息。我们简要概述了变形的自动化器（VAES）如何作为深度学习方法，可以与普通微分方程（ODES）相关联用于动态建模，然后具体研究这种方法的可行性，即提供个人特定的潜在轨迹的方法通过包括规律性假设和个人的相似性。我们还提供了对这种深度学习方法的描述作为过滤任务，以提供统计的视角。使用模拟数据，我们展示了方法可以在多大程度上从多大程度上恢复具有两个和四个未知参数的颂歌系统的单个轨迹，以及使用具有类似轨迹的个体群体，以及其崩溃的地方。结果表明，即使在极端的小数据设置中，这种动态深度学习方法也可能是有用的，但需要仔细调整。

尽管电子健康记录是生物医学研究的丰富数据来源，但这些系统并未在医疗环境中统一地实施，并且由于医疗保健碎片化和孤立的电子健康记录之间缺乏互操作性，可能缺少大量数据。考虑到缺少数据的案例的删除可能会在随后的分析中引起严重的偏见，因此，一些作者更喜欢采用多重插补策略来恢复缺失的信息。不幸的是，尽管几项文献作品已经通过使用现在可以自由研究的任何不同的多个归档算法记录了有希望的结果，但尚无共识，MI算法效果最好。除了选择MI策略之外，归纳算法及其应用程序设置的选择也至关重要且具有挑战性。在本文中，受鲁宾和范布伦的开创性作品的启发，我们提出了一个方法学框架，可以应用于评估和比较多种多个插补技术，旨在选择用于计算临床研究工作中最有效的推断。我们的框架已被应用于验证和扩展较大的队列，这是我们在先前的文献研究中提出的结果，我们在其中评估了关键患者的描述符和Covid-19的影响在2型糖尿病患者中的影响，其数据为2型糖尿病，其数据为2型糖尿病由国家共同队列合作飞地提供。

Latent variable models such as the Variational Auto-Encoder (VAE) have become a go-to tool for analyzing biological data, especially in the field of single-cell genomics. One remaining challenge is the interpretability of latent variables as biological processes that define a cell's identity. Outside of biological applications, this problem is commonly referred to as learning disentangled representations. Although several disentanglement-promoting variants of the VAE were introduced, and applied to single-cell genomics data, this task has been shown to be infeasible from independent and identically distributed measurements, without additional structure. Instead, recent methods propose to leverage non-stationary data, as well as the sparse mechanism shift assumption in order to learn disentangled representations with a causal semantic. Here, we extend the application of these methodological advances to the analysis of single-cell genomics data with genetic or chemical perturbations. More precisely, we propose a deep generative model of single-cell gene expression data for which each perturbation is treated as a stochastic intervention targeting an unknown, but sparse, subset of latent variables. We benchmark these methods on simulated single-cell data to evaluate their performance at latent units recovery, causal target identification and out-of-domain generalization. Finally, we apply those approaches to two real-world large-scale gene perturbation data sets and find that models that exploit the sparse mechanism shift hypothesis surpass contemporary methods on a transfer learning task. We implement our new model and benchmarks using the scvi-tools library, and release it as open-source software at \url{https://github.com/Genentech/sVAE}.

贝叶斯神经网络具有潜在变量（BNN + LVS）通过明确建模模型不确定性（通过网络权重）和环境暂停（通过潜在输入噪声变量）来捕获预测的不确定性。在这项工作中，我们首先表明BNN + LV具有严重形式的非可识别性：可以在模型参数和潜在变量之间传输解释性，同时拟合数据。我们证明，在无限数据的极限中，网络权重和潜变量的后部模式从地面真理渐近地偏离。由于这种渐近偏差，传统的推理方法可以在实践中，产量参数概括不确定和不确定的不确定性。接下来，我们开发一种新推断过程，明确地减轻了训练期间不可识别性的影响，并产生高质量的预测以及不确定性估计。我们展示我们的推理方法在一系列合成和实际数据集中改善了基准方法。

对于许多应用科学来说，高维数据中缺少值的存在是无处不在的问题。许多可用的数据挖掘和机器学习方法的严重限制是它们无法处理部分缺失的值，因此结合插补和模型估计的集成方法对于下游分析至关重要。引入了一种称为EMFLOW的计算快速算法，该算法通过使用归一化流量（NF）模型，通过在线版本的期望最大化（EM）算法在潜在空间中执行插补，该模型将数据空间映射到潜在空间。提出的EMFLOW算法是迭代的，涉及更新在线EM和NF的参数。就算法收敛的预测准确性和速度而言，提供了高维多元和图像数据集的广泛实验结果，以说明EMFLOW的出色性能。我们为所有实验提供代码。

从电子健康记录（EHR）数据中进行有效学习来预测临床结果，这通常是具有挑战性的，因为在不规则的时间段记录的特征和随访的损失以及竞争性事件（例如死亡或疾病进展）。为此，我们提出了一种生成的事实模型，即Survlatent Ode，该模型采用了基于基于微分方程的复发性神经网络（ODE-RNN）作为编码器，以有效地对不规则采样的输入数据进行潜在状态的动力学有效地参数化。然后，我们的模型利用所得的潜在嵌入来灵活地估计多个竞争事件的生存时间，而无需指定事件特定危害功能的形状。我们展示了我们在Mimic-III上的竞争性能，这是一种从重症监护病房收集的自由纵向数据集，预测医院死亡率以及DANA-FARBER癌症研究所（DFCI）的数据，以预测静脉血栓症（静脉血栓症（DFCI）（DFCI）（ VTE），是癌症患者的生命并发症，死亡作为竞争事件。幸存ODE优于分层VTE风险组的当前临床标准Khorana风险评分，同时提供临床上有意义且可解释的潜在表示。

无监督的学习通常用于揭示数据中的群集。然而，不同类型的噪声可能会妨碍来自真实世界的时间序列数据的有用模式的发现。在这项工作中，我们专注于减轻疾病表型群体任务中的间隔审查的干扰。我们开发了一个深入的生成，连续时间模型，时间序列数据串联时间系列，同时纠正审查时间。我们提供了在无噪声模型下的数据中识别群集和延迟条目的条件。

Learning individual-level causal effects from observational data, such as inferring the most effective medication for a specific patient, is a problem of growing importance for policy makers. The most important aspect of inferring causal effects from observational data is the handling of confounders, factors that affect both an intervention and its outcome. A carefully designed observational study attempts to measure all important confounders. However, even if one does not have direct access to all confounders, there may exist noisy and uncertain measurement of proxies for confounders. We build on recent advances in latent variable modeling to simultaneously estimate the unknown latent space summarizing the confounders and the causal effect. Our method is based on Variational Autoencoders (VAE) which follow the causal structure of inference with proxies. We show our method is significantly more robust than existing methods, and matches the state-of-the-art on previous benchmarks focused on individual treatment effects.

在不完整的数据集中对样本进行分类是机器学习从业人员的普遍目的，但并非平凡。在大多数现实世界数据集中发现缺失的数据，这些缺失值通常是使用已建立的方法估算的，然后进行分类现在完成，估算的样本。然后，机器学习研究人员的重点是优化下游分类性能。在这项研究中，我们强调必须考虑插补的质量。我们展示了如何评估质量的常用措施有缺陷，并提出了一类新的差异评分，这些分数着重于该方法重新创建数据的整体分布的程度。总而言之，我们强调了使用不良数据训练的分类器模型的可解释性损害。

概率生成模型对科学建模具有吸引力，因为它们的推论参数可用于生成假设和设计实验。这要求学习的模型提供了对输入数据的准确表示，并产生一个潜在空间，该空间有效地预测了与科学问题相关的结果。监督的变异自动编码器（SVAE）以前已用于此目的，在此目的中，精心设计的解码器可以用作可解释的生成模型，而监督目标可确保预测性潜在表示。不幸的是，监督的目标迫使编码器学习与生成后验分布有偏见的近似，这在科学模型中使用时使生成参数不可靠。由于通常用于评估模型性能的重建损失，因此该问题仍未被发现。我们通过开发一个二阶监督框架（SOS-VAE）来解决这个以前未报告的问题，该框架影响解码器诱导预测潜在的代表。这样可以确保关联的编码器保持可靠的生成解释。我们扩展了此技术，以使用户能够在生成参数中折叠以提高预测性能，并充当SVAE和我们的新SOS-VAE之间的中间选择。我们还使用这种方法来解决在组合来自多个科学实验的录音时经常出现的缺失数据问题。我们使用合成数据和电生理记录来证明这些发展的有效性，重点是如何使用我们学到的表示形式来设计科学实验。

因果推断对于跨业务参与，医疗和政策制定等领域的数据驱动决策至关重要。然而，关于因果发现的研究已经与推理方法分开发展，从而阻止了两个领域方法的直接组合。在这项工作中，我们开发了深层端到端因果推理（DECI），这是一种基于流动的非线性添加噪声模型，该模型具有观察数据，并且可以执行因果发现和推理，包括有条件的平均治疗效果（CATE） ）估计。我们提供了理论上的保证，即DECI可以根据标准因果发现假设恢复地面真实因果图。受应用影响的激励，我们将该模型扩展到具有缺失值的异质，混合型数据，从而允许连续和离散的治疗决策。我们的结果表明，与因果发现的相关基线相比，DECI的竞争性能和（c）在合成数据集和因果机器学习基准测试基准的一千多个实验中，跨数据类型和缺失水平进行了估计。

在机器学习的许多应用中，不可避免的值是不可避免的，并且在培训和测试时都提出了挑战。当反复出现的模式中缺少变量时，已经提出了单独的图案子模型作为解决方案。但是，独立模型并不能有效利用所有可用数据。相反，将共享模型拟合到完整数据集通常取决于插补，而当丢失度取决于未观察到的因素时，这可能是次优的。我们提出了一种替代方法，称为共享模式子模型，该方法做出了a）在测试时对缺失值的强大预测，b）维持或提高模式子模型的预测能力，c）有一个简短的描述，可改善可解释性。我们确定共享是最佳的情况，即使缺失本身具有预测性以及预测目标取决于未观察到的变量。关于合成数据和两个医疗保健数据集的分类和回归实验表明，我们的模型在模式专业化和信息共享之间实现了良好的权衡。

近几十年来，技术进步使得可以收集大数据集。在这种情况下，基于模型的群集是一种非常流行的，灵活和可解释的方法，用于在明确定义的统计框架中进行数据探索。大型数据集的增加之一是缺失值更频繁。但是，传统方式（由于丢弃具有缺失的值或估算方法的观察）不是为聚类目的而设计的。此外，它们很少适用于常规情况，虽然在实践中频繁地缺失，但是当缺失取决于未观察到的数据值时，缺失就缺失（mnar）值，而且可能在观察到的数据值上。本文的目标是通过直接在基于模型的聚类算法内嵌入MNAR数据来提出一种新的方法。我们为数据和缺失数据指示器的联合分布进行了选择模型。它对应于数据分布的混合模型和缺失数据机制的一般Mnar模型，其可以取决于底层类（未知）和/或缺失变量本身的值。导出大量有意义的MNAR子模型，对每个子模型研究了参数的可识别性，这通常是任何MNAR提案的关键问题。考虑EM和随机EM算法估计。最后，我们对合成数据的提议子模型进行了实证评估，我们说明了我们的方法对医疗寄存器的方法，创伤者（R）数据集。