基于單細(xì)胞數(shù)據(jù)理解細(xì)胞變化過程——擬時間序列分析詳解

單細(xì)胞檢測技術(shù)的發(fā)展為我們理解復(fù)雜生命體中細(xì)胞的組成與各自功能及變化過程提供了強(qiáng)有力的工具。基于單細(xì)胞基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)，我們可以窺探發(fā)育過程中細(xì)胞內(nèi)的調(diào)控變化，發(fā)現(xiàn)腫瘤微環(huán)境中的各類細(xì)胞及它們的細(xì)胞間交流，理解器官組織中復(fù)雜多樣的細(xì)胞類型�，F(xiàn)有單細(xì)胞研究是一個從整體到個體，再由個體特征重建整體的過程。在這個過程中，有一些非常有意思的問題是我們希望通過單細(xì)胞數(shù)據(jù)加以理解的，比如，某個組織中，某類細(xì)胞的發(fā)育生成過程；在不同條件下，細(xì)胞的改變過程和命運(yùn)等等。因此，我們需要通過特定的分析手段實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分類和還原，并通過數(shù)據(jù)來勾畫出細(xì)胞間的變化過程。在這樣的背景下，擬時間序列分析（Pseudotime分析）為我們提供了來解決該問題的工具。

擬時間序列分析（Pseudotime分析）的字面意思是通過構(gòu)建細(xì)胞間的變化軌跡來重塑細(xì)胞隨著時間的變化過程。從具體的分類分析和復(fù)雜程度來說，可以分為細(xì)胞軌跡分析和細(xì)胞譜系分析。
細(xì)胞軌跡分析指的是簡單模型的細(xì)胞變化軌跡分析，通常指的是細(xì)胞沿著某個過程有特定化的變化終點(diǎn)，軌跡具有簡單樹狀結(jié)構(gòu)，一端是“根”，另一端是“葉”；細(xì)胞譜系分析通常指的是某類祖源細(xì)胞，在特定條件下，有多個發(fā)育軌跡和命運(yùn)，變化過程類似復(fù)雜樹狀分支變化過程。因此，簡單細(xì)胞軌跡分析和細(xì)胞譜系分析原理上類似，復(fù)雜程度有所區(qū)別，當(dāng)然，基于此的分析手法和方式也會有所不同。

近期單細(xì)胞檢測技術(shù)的發(fā)展也激起了基于單細(xì)胞數(shù)據(jù)分析技術(shù)的爆發(fā)。從現(xiàn)有發(fā)表研究來看，已有不同類型的分析方法用于擬時間序列分析。我們對現(xiàn)有常用的分析策略整理如下圖：