【空间转录组分析终极指南】:掌握R语言单细胞数据处理核心技能

空间转录组学(Spatial Transcriptomics) 01、空间转录组技术的发展 近年来单细胞转录组测序技术的应用大大拓宽了人们的视野,使人们能够深入了解组织中细胞的构成的多样性和基因表达状态。众所周知,基因表达具有时间和空间的特异性,通过对不同时间点的样本取材,使用单细胞转录组测序技术能够解析时间维度上细胞类型和基因表达的变化过程。 图1. 早期胚胎发育中基因表达的时间特异性【1】 然而单细胞测序实验的前提是组织必须通过机械分离或酶解消化成单细胞悬液,此过程不可避免的丢失了组织中细胞所处的原始位置信息,也导致了细胞间的通讯网络被打破,这使我们难以获得组织中不 阅读详情

第一章:空间转录组分析概述

空间转录组分析是一种结合高通量RNA测序与组织空间位置信息的前沿技术,能够在保留细胞在组织中原始空间坐标的同时,全面解析基因表达模式。该技术突破了传统单细胞转录组丢失空间背景的局限,广泛应用于发育生物学、肿瘤微环境研究和神经科学等领域。

技术原理

空间转录组通过在带有位置编码的芯片上捕获组织切片中的mRNA分子,将每个测序读段映射到其原始空间坐标。典型流程包括组织固定、透化、cDNA合成、文库构建与测序。最终生成的数据既包含基因表达量,也附带二维空间坐标(x, y)。

核心优势

  • 保留组织结构信息,揭示细胞间相互作用
  • 识别空间域(spatial domains)与功能区域
  • 支持多组学整合,如与免疫组化图像融合分析

常用工具与数据格式

工具名称功能描述
Seurat支持空间聚类、差异表达与可视化
SpaGCN基于图卷积网络进行空间域识别

基础代码示例


# 使用Seurat加载空间转录组数据
library(Seurat)
data <- Load10X_Spatial("path/to/data", 
                        filenames = "filtered_feature_bc_matrix.h5")
# 添加空间坐标信息
data[['spatial']] <- data[['spatial']]
# 可视化特定基因的空间表达
SpatialFeaturePlot(data, features = "SOX9")
上述代码首先加载10x Genomics格式的空间数据,随后调用SpatialFeaturePlot函数绘制指定基因在组织切片上的表达分布,便于直观观察其空间异质性。
graph TD A[组织切片] --> B(置于空间条形码芯片) B --> C[mRNA捕获与cDNA合成] C --> D[文库构建与测序] D --> E[空间基因表达矩阵] E --> F[数据分析与可视化]

第二章:空间转录组数据基础与R环境搭建

2.1 空间转录组技术原理与数据特点

技术原理概述
空间转录组技术结合高通量测序与组织切片的空间定位信息,实现基因表达在组织原位的可视化。其核心在于将mRNA捕获探针固定于带有空间坐标编码的芯片上,通过组织贴片使mRNA与对应位置的探针杂交,再进行文库构建与测序。
数据结构特征
空间转录组数据包含三维信息:x、y为空间坐标,z为基因表达矩阵。每个spot(约55μm)可检测数百至数千个基因的表达水平,并关联病理图像。
字段描述
x, y空间坐标,表示组织中的物理位置
UMI count每个基因在spot内的表达量
imageH&E染色图像,用于形态学比对

# 示例:加载空间转录组数据
library(Seurat)
data <- Load10X_Spatial("path/to/st_data")
该代码使用Seurat加载10x Genomics空间转录组数据,自动解析表达矩阵与空间坐标,为后续可视化和区域聚类提供基础。

2.2 R语言环境配置与核心包安装(Seurat、SpaGCN)

R环境准备
推荐使用R 4.2以上版本,并搭配RStudio或VS Code进行开发。首先确保系统依赖库更新,避免编译错误。
核心包安装流程
通过BiocManager安装单细胞分析核心包Seurat及空间转录组专用工具SpaGCN:

# 安装依赖管理器
if (!require("BiocManager", quietly = TRUE))
    install.packages("BiocManager")

# 安装Seurat与SpaGCN
BiocManager::install(c("Seurat", "spatialExperiment"))
install.packages("devtools")
devtools::install_github("JQin-Lab/SpaGCN")
上述代码首先检查并安装BiocManager,用于管理生物信息学包;随后安装Seurat及其配套的spatialExperiment对象支持,最后从GitHub源码安装SpaGCN,确保获取最新功能版本。

2.3 数据读取与初步质量控制实践

数据加载与格式校验
在数据处理流程中,首先需从多种源(如CSV、数据库)安全读取数据。使用Pandas进行数据加载时,建议显式指定数据类型以避免隐式转换错误。
import pandas as pd
df = pd.read_csv('data.csv', dtype={'id': 'int64', 'status': 'category'}, na_values=['', 'NULL'])
上述代码通过 dtype 强制类型解析,提升内存效率;na_values 自定义缺失值标识,增强数据一致性。
基础质量检查清单
执行以下步骤确保数据可用性:
  • 检查缺失值比例是否超过阈值(如10%)
  • 验证关键字段的唯一性(如主键重复检测)
  • 识别异常数值范围(如年龄为负)
数据质量评估表示例
字段名缺失率(%)唯一值数异常值标记
user_id0.09850无
age2.189存在负值

2.4 空间坐标与基因表达矩阵的整合处理

数据对齐原理
空间转录组技术需将组织切片中的物理位置信息(x, y 坐标)与单细胞基因表达谱精准映射。核心在于构建统一索引,使每个空间点对应一个基因表达向量。
整合流程实现
通过坐标哈希表关联表达矩阵行索引,实现毫秒级查询:

# 假设 coords_dict: {spot_id: (x, y)}, expr_matrix: pd.DataFrame (rows=spots)
expr_matrix['x'] = expr_matrix.index.map(lambda sid: coords_dict[sid][0])
expr_matrix['y'] = expr_matrix.index.map(lambda sid: coords_dict[sid][1])
该代码段将空间坐标注入表达矩阵,形成“基因-细胞-空间”三维结构,便于后续可视化与邻域分析。
数据结构对照
数据源维度用途
空间坐标(N, 2)定位细胞位置
表达矩阵(N, G)记录基因活性

2.5 可视化基础:空间表达图谱的初步绘制

在构建空间表达图谱时,首要任务是将抽象数据映射为可视化的几何元素。这一过程依赖于坐标系统定义与图形渲染引擎的协同工作。
核心绘制流程
  • 数据预处理:清洗并结构化原始空间数据
  • 坐标转换:将逻辑坐标映射至屏幕像素坐标
  • 图层渲染:按层级顺序绘制点、线、面要素
示例代码:基础点位绘制

// 初始化画布上下文
const ctx = canvas.getContext('2d');
// 绘制单个空间点
function drawPoint(x, y, radius = 3) {
  ctx.beginPath();
  ctx.arc(x, y, radius, 0, 2 * Math.PI);
  ctx.fillStyle = '#3498db';
  ctx.fill();
}
上述代码定义了在Canvas中绘制圆形点的基本方法。x 和 y 表示该点在画布中的像素位置,radius 控制其显示大小,默认为3像素,fillStyle 设定填充颜色为蓝色。
常见图形属性对照表
图形类型关键属性用途说明
点坐标、半径、颜色表示离散空间位置
线路径点列、线宽、样式连接点形成轨迹或边界

第三章:单细胞分辨率下的空间聚类分析

3.1 空间聚类算法原理与选择依据

空间聚类的核心思想
空间聚类旨在发现地理空间中对象的自然分组,其核心是基于距离或密度识别数据点的聚集模式。常用算法包括DBSCAN、K-Means和OPTICS,各自适用于不同分布特征的数据集。
典型算法对比
  • K-Means:适用于球状簇,需预设簇数量,对异常值敏感;
  • DBSCAN:基于密度,可识别任意形状簇,能过滤噪声点;
  • Hierarchical Clustering:构建树状结构,适合小规模精细分析。
选择依据与代码示例
# DBSCAN 示例:eps 控制邻域半径,min_samples 决定核心点密度
from sklearn.cluster import DBSCAN
clustering = DBSCAN(eps=0.5, min_samples=5).fit(coordinates)
参数 eps 过小导致碎片化聚类,过大则可能合并独立簇;min_samples 增强对稀疏区域的鲁棒性。实际应用中需结合空间尺度与业务目标综合判断。

3.2 基于Seurat框架的细胞类型注释实战

数据预处理与特征筛选
在单细胞RNA测序分析中,使用Seurat进行细胞类型注释前需完成质量控制。通过过滤低质量细胞、去除线粒体基因比例过高的样本,保留高变基因用于后续降维分析。
seurat_obj <- CreateSeuratObject(counts = raw_data)
seurat_obj <- NormalizeData(seurat_obj)
seurat_obj <- FindVariableFeatures(seurat_obj, selection.method = "vst", nfeatures = 2000)
上述代码创建Seurat对象并标准化数据,FindVariableFeatures选取2000个高变基因,提升聚类灵敏度。
细胞类型标注策略
结合已知标记基因表达模式,利用DotPlot或FeaturePlot可视化关键基因在簇中的分布,对照文献定义细胞类型。例如,CD3E高表达指示T细胞,MS4A1对应B细胞。
  • 整合参考图谱(如CellMarker)辅助注释
  • 采用AutoGeneS或SingleR等工具实现自动化注释

3.3 空间邻域结构识别与功能区域划分

在智能空间系统中,准确识别空间邻域结构是实现环境理解与服务调度的基础。通过传感器网络采集的拓扑数据,可构建室内空间的图表示模型。
邻域关系建模
采用无向图 $ G = (V, E) $ 描述空间连接关系,其中节点 $ V $ 表示功能区域,边 $ E $ 表示可达性连接。
# 构建空间邻接矩阵
adj_matrix = np.zeros((n_zones, n_zones))
for edge in connections:
    i, j = edge
    adj_matrix[i][j] = adj_matrix[j][i] = 1  # 双向连通
上述代码实现邻接矩阵初始化,值为1表示两个区域物理连通,便于后续路径推理与人流模拟。
功能区域聚类划分
基于使用频率与设备密度,利用谱聚类算法进行功能分区:
  • 数据采集:收集Wi-Fi探针与门禁记录
  • 特征提取:提取停留时长、访问频次、时段分布
  • 聚类优化:调整簇数量以最大化轮廓系数
区域编号功能类型平均日访问量
A1办公区142
B3会议区67

第四章:高级空间表达模式挖掘

4.1 差异表达基因的空间分布特征分析

在空间转录组学研究中,差异表达基因(DEGs)的空间分布揭示了组织功能区的分子基础。通过整合空间坐标与基因表达矩阵,可精准定位基因活性区域。
数据预处理与空间映射
首先将测序获得的基因表达矩阵与组织切片的空间位置对齐,构建空间-表达联合数据结构:

# 使用Seurat进行空间数据整合
spatial_data <- CreateSeuratObject(counts = count_matrix)
spatial_data <- SetIdent(spatial_data, value = "region")
spatial_data <- SpatialFeaturePlot(spatial_data, features = c("GeneA", "GeneB"))
该代码段实现基因表达数据与空间坐标的绑定,并可视化特定基因在组织中的分布模式。参数 features 指定待展示的基因列表。
空间聚类与功能区识别
利用空间邻近性约束的聚类算法识别分子功能域:
  • 基于Moran’s I指数评估基因的空间自相关性
  • 采用BayesSpace算法优化簇划分
  • 注释高变基因富集的解剖亚区

4.2 空间轨迹推断与发育路径建模

在单细胞组学研究中,空间轨迹推断旨在重建细胞在空间维度上的动态演化过程。通过整合空间转录组与单细胞RNA-seq数据,可实现对组织微环境中细胞状态转变路径的精准建模。
核心算法流程
  • 数据预处理:对空间点进行聚类与降维处理
  • 轨迹初始化:基于细胞相似性构建初始拓扑结构
  • 空间约束优化:引入物理坐标信息调整路径走向
代码示例:轨迹推断核心逻辑

import numpy as np
from sklearn.neighbors import NearestNeighbors

def infer_spatial_trajectory(expressions, coordinates, k=10):
    # 构建空间邻域图
    nbrs = NearestNeighbors(n_neighbors=k).fit(coordinates)
    adjacency = nbrs.kneighbors_graph(mode='connectivity')
    
    # 融合基因表达流形
    trajectory_scores = np.dot(adjacency.toarray(), expressions)
    return trajectory_scores
上述函数通过K近邻建立空间连接关系,并结合基因表达矩阵计算细胞状态转移概率。参数k控制局部邻域大小,影响路径平滑度。
性能对比
方法空间一致性路径连续性
Monocle30.720.81
STalign0.850.76

4.3 细胞间通讯预测与配体-受体相互作用可视化

细胞间通讯建模原理
单细胞转录组数据可揭示细胞群体间的潜在通讯机制。通过识别不同细胞类型中配体(Ligand)与受体(Receptor)的共表达模式,推断其相互作用关系。
常用分析流程
  • 输入:单细胞聚类结果与注释的细胞类型标签
  • 数据库:使用CellPhoneDB或iTALK等工具内置的LR对数据库
  • 输出:显著交互的细胞类型对及对应分子对
import cellphonedb
cellphonedb method statistical_analysis meta.txt counts.txt
该命令执行统计分析,meta.txt 包含细胞-样本映射及类型标签,counts.txt 为基因表达矩阵。工具基于置换检验评估LR对在细胞对间的富集显著性。
交互网络可视化

支持生成热图、环形图或网络图展示细胞类型间互作强度。

4.4 多组学整合:空间转录组与单细胞RNA-seq联合分析

数据对齐策略
整合空间转录组(spatial transcriptomics, ST)与单细胞RNA-seq(scRNA-seq)的核心在于细胞类型注释的空间映射。常用方法是通过反卷积算法将ST斑点中的表达信号拆解为潜在的细胞类型组成。
  1. 数据预处理:标准化并筛选高变基因
  2. 参考图谱构建:基于scRNA-seq数据进行聚类与注释
  3. 空间映射:使用如RCTD或SpaGE工具进行细胞比例推断
代码实现示例

# 使用RCTD进行细胞类型反卷积
library(RCTD)
cdata <- CreateRctdData(raw_counts_st, scRNA_seu@assays$RNA@counts, spots_per_cell = 10)
rctd <- run_rctd(cdata, max_cores = 8)
results <- get_deconvolution(rctd)
该代码段初始化RCTD分析,传入空间数据与单细胞数据,指定每个spot约包含10个细胞。run_rctd执行核心反卷积计算,最终获得各spot中细胞类型的概率分布。
整合优势
联合分析不仅保留单细胞分辨率的异质性信息,还赋予其空间位置上下文,揭示肿瘤微环境或发育组织中细胞互作的真实拓扑结构。

第五章:未来发展方向与应用前景

边缘计算与AI模型的融合
随着物联网设备数量激增,边缘侧推理需求显著上升。将轻量化AI模型部署至边缘网关已成为主流趋势。例如,在工业质检场景中,使用TensorFlow Lite在树莓派上运行YOLOv5s进行实时缺陷检测:

import tflite_runtime.interpreter as tflite
interpreter = tflite.Interpreter(model_path="yolov5s_quant.tflite")
interpreter.allocate_tensors()

input_details = interpreter.get_input_details()
output_details = interpreter.get_output_details()

# 预处理图像并推理
interpreter.set_tensor(input_details[0]['index'], input_data)
interpreter.invoke()
detections = interpreter.get_tensor(output_details[0]['index'])
自动化运维中的智能决策系统
大型云平台正引入基于强化学习的资源调度策略。某公有云厂商在其Kubernetes集群中集成Proximal Policy Optimization(PPO)算法,动态调整节点扩缩容时机。实际测试表明,相比HPA默认算法,PPO策略降低18%的冗余资源开销。
  • 采集历史负载数据与响应延迟指标
  • 构建状态空间:CPU、内存、请求数/秒
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深度学习工具包Deprecation notice.-----This toolbox is outdated and no longer maintained.There are much better tools available for deep learning than this toolbox, e.g. [Theano](http://deeplearning.net/software/theano/), [torch](http://torch.ch/) or [tensorflow](http://www.tensorflow.org/)I would suggest you use one of the tools mentioned above rather than use this toolbox.Best, Rasmus.DeepLearnToolbox================A Matlab toolbox for Deep Learning.Deep Learning is a new subfield of machine learning that focuses on learning deep hierarchical models of data.It is inspired by the human brain's apparent deep (layered, hierarchical) architecture.A good overview of the theory of Deep Learning theory is[Learning Deep Architectures for AI](http://www.iro.umontreal.ca/~bengioy/papers/ftml_book.pdf)For a more informal introduction, see the following videos by Geoffrey Hinton and Andrew Ng.* [The Next Generation of Neural Networks](http://www.youtube.com/watch?v=AyzOUbkUf3M) (Hinton, 2007)* [Recent Developments in Deep Learning](http://www.youtube.com/watch?v=VdIURAu1-aU) (Hinton, 2010)* [Unsupervised Feature Learning and Deep Learning](http://www.youtube.com/watch?v=ZmNOAtZIgIk) (Ng, 2011)If you use this toolbox in your research please cite [Prediction as a candidate for learning deep hierarchical models of data](http://www2.imm.dtu.dk/pubdb/views/publication_details.php?id=6284)```@MASTERSTHESIS\{IMM2012-06284, author = "R. B. Palm", title = "Prediction as a candidate for learning deep hierarchical models of data", year = "2012",}```Contact: rasmusbergpalm at gmail dot comDirectories included in the toolbox-----------------------------------`NN/` - A library for Feedforward Backpropagation Neural Networks`CNN/` - A library for Convolutional Neural Networks`DBN/` - A library for Deep Belief Networks`SAE/` - A library for Stacked Auto-Encoders`CAE/` - A library for Convolutional Auto-Encoders`util/` - Utility functions used by the libraries`data/` - Data used by the examples`tests/` - unit tests to verify toolbox is workingFor references on each library check REFS.mdSetup-----1. Download.2. addpath(genpath('DeepLearnToolbox'));Example: Deep Belief Network---------------------```matlabfunction test_example_DBNload mnist_uint8;train_x = double(train_x) / 255;test_x = double(test_x) / 255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);%% ex1 train a 100 hidden unit RBM and visualize its weightsrand('state',0)dbn.sizes = [100];opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;opts.momentum = 0;opts.alpha = 1;dbn = dbnsetup(dbn, train_x, opts);dbn = dbntrain(dbn, train_x, opts);figure; visualize(dbn.rbm{1}.W'); % Visualize the RBM weights%% ex2 train a 100-100 hidden unit DBN and use its weights to initialize a NNrand('state',0)%train dbndbn.sizes = [100 100];opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;opts.momentum = 0;opts.alpha = 1;dbn = dbnsetup(dbn, train_x, opts);dbn = dbntrain(dbn, train_x, opts);%unfold dbn to nnnn = dbnunfoldtonn(dbn, 10);nn.activation_function = 'sigm';%train nnopts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;nn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.10, 'Too big error');```Example: Stacked Auto-Encoders---------------------```matlabfunction test_example_SAEload mnist_uint8;train_x = double(train_x)/255;test_x = double(test_x)/255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);%% ex1 train a 100 hidden unit SDAE and use it to initialize a FFNN% Setup and train a stacked denoising autoencoder (SDAE)rand('state',0)sae = saesetup([784 100]);sae.ae{1}.activation_function = 'sigm';sae.ae{1}.learningRate = 1;sae.ae{1}.inputZeroMaskedFraction = 0.5;opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;sae = saetrain(sae, train_x, opts);visualize(sae.ae{1}.W{1}(:,2:end)')% Use the SDAE to initialize a FFNNnn = nnsetup([784 100 10]);nn.activation_function = 'sigm';nn.learningRate = 1;nn.W{1} = sae.ae{1}.W{1};% Train the FFNNopts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;nn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.16, 'Too big error');```Example: Convolutional Neural Nets---------------------```matlabfunction test_example_CNNload mnist_uint8;train_x = double(reshape(train_x',28,28,60000))/255;test_x = double(reshape(test_x',28,28,10000))/255;train_y = double(train_y');test_y = double(test_y');%% ex1 Train a 6c-2s-12c-2s Convolutional neural network %will run 1 epoch in about 200 second and get around 11% error. %With 100 epochs you'll get around 1.2% errorrand('state',0)cnn.layers = { struct('type', 'i') %input layer struct('type', 'c', 'outputmaps', 6, 'kernelsize', 5) %convolution layer struct('type', 's', 'scale', 2) %sub sampling layer struct('type', 'c', 'outputmaps', 12, 'kernelsize', 5) %convolution layer struct('type', 's', 'scale', 2) %subsampling layer};cnn = cnnsetup(cnn, train_x, train_y);opts.alpha = 1;opts.batchsize = 50;opts.numepochs = 1;cnn = cnntrain(cnn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = cnntest(cnn, test_x, test_y);%plot mean squared errorfigure; plot(cnn.rL);assert(er<0.12, 'Too big error');```Example: Neural Networks---------------------```matlabfunction test_example_NNload mnist_uint8;train_x = double(train_x) / 255;test_x = double(test_x) / 255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);% normalize[train_x, mu, sigma] = zscore(train_x);test_x = normalize(test_x, mu, sigma);%% ex1 vanilla neural netrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);opts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samples[nn, L] = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.08, 'Too big error');%% ex2 neural net with L2 weight decayrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.weightPenaltyL2 = 1e-4; % L2 weight decayopts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex3 neural net with dropoutrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.dropoutFraction = 0.5; % Dropout fraction opts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex4 neural net with sigmoid activation functionrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.activation_function = 'sigm'; % Sigmoid activation functionnn.learningRate = 1; % Sigm require a lower learning rateopts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex5 plotting functionalityrand('state',0)nn = nnsetup([784 20 10]);opts.numepochs = 5; % Number of full sweeps through datann.output = 'softmax'; % use softmax outputopts.batchsize = 1000; % Take a mean gradient step over this many samplesopts.plot = 1; % enable plottingnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex6 neural net with sigmoid activation and plotting of validation and training error% split training data into training and validation datavx = train_x(1:10000,:);tx = train_x(10001:end,:);vy = train_y(1:10000,:);ty = train_y(10001:end,:);rand('state',0)nn = nnsetup([784 20 10]); nn.output = 'softmax'; % use softmax outputopts.numepochs = 5; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 1000; % Take a mean gradient step over this many samplesopts.plot = 1; % enable plottingnn = nntrain(nn, tx, ty, opts, vx, vy); % nntrain takes validation set as last two arguments (optionally)[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');```[![Bitdeli Badge](https://d2weczhvl823v0.cloudfront.net/rasmusbergpalm/deeplearntoolbox/trend.png)](https://bitdeli.com/free "Bitdeli Badge")

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