Many natural dynamic processes -- such as in vivo cellular differentiation or disease progression -- can only be observed through the lens of static sample snapshots. While challenging, reconstructing their temporal evolution to decipher underlying dynamic properties is of major interest to scientific research. Existing approaches enable data transport along a temporal axis but are poorly scalable in high dimension and require restrictive assumptions to be met. To address these issues, we propose Multi-Marginal temporal Schrödinger Bridge Matching (MMtSBM) from unpaired data, extending the theoretical guarantees and empirical efficiency of Diffusion Schrödinger Bridge Matching (arXiv:2303.16852) by deriving the Iterative Markovian Fitting algorithm to multiple marginals in a novel factorized fashion. Experiments show that MMtSBM retains theoretical properties on toy examples, achieves state-of-the-art performance on real-world datasets such as transcriptomic trajectory inference in 100 dimensions, and, for the first time, recovers couplings and dynamics in very high-dimensional image settings. Our work establishes multi-marginal Schrödinger bridges as a practical and principled approach for recovering hidden dynamics from static data.


翻译:许多自然动态过程——例如体内细胞分化或疾病进展——只能通过静态样本快照进行观测。尽管具有挑战性,重建其时间演化以揭示潜在的动态特性对科学研究具有重要意义。现有方法能够沿时间轴实现数据迁移,但在高维情况下可扩展性较差,且需满足严格的假设条件。为解决这些问题,我们提出基于非配对数据的多边际时间薛定谔桥匹配(MMtSBM),通过以新颖的因子化形式将迭代马尔可夫拟合算法推广至多边际情形,扩展了扩散薛定谔桥匹配(arXiv:2303.16852)的理论保证与实证效率。实验表明:MMtSBM在玩具示例中保持了理论特性,在真实世界数据集(如100维转录组轨迹推断)上达到最先进性能,并首次在超高维图像场景中恢复了耦合关系与动态演化。本工作确立了多边际薛定谔桥作为一种实用且原理明确的方法,可用于从静态数据中恢复隐藏动态。

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