DiffSHAPer — Explaining Molecular Diffusion Models

DiffSHAPer: Explaining a Molecular Diffusion Model

Mastropietro & Bajorath — Cell Reports Physical Science 7, 103270 (2026) | DOI: 10.1016/j.xcrp.2026.103270

🎯 Shapley値で拡散モデルの分子生成プロセスを初めて説明：化学ルール不要・距離制約のみでリンカーが生成される

① 背景と課題

E(3)-等変拡散モデル（DiffLinker等）はフラグメントベース化合物設計でSOTAな性能を示しているが、なぜ特定のリンカーが生成されるかを説明する手段が存在しなかった。既存のXAI手法（SHAP等）はクラス確率のような明示的出力値が必要であり、生成モデルに直接適用できない。

拡散モデルの説明研究は画像生成のトレーニングデータ帰属のみに限定されており、分子設計への特徴帰属XAIは皆無

生成モデルには確率的出力がなく、価値関数の設計が非自明

→ 距離ベース価値関数を設計することでShapley値を拡散モデルに初めて適用し、原子寄与を定量化

② DiffSHAPer手法

フラグメント原子 (players)
↓
モンテカルロサンプリング (M=200, P=0.5)
↓
Hausdorff距離価値関数
v(S) = d_H(l₀, l_S)
↓
Shapley値 φᵢ (原子ごとの寄与)

DiffSHAPer

E(3)-等変DDPMへの初のインスタンスレベル特徴帰属

価値関数：生成リンカーl₀と原子サブセットSで生成したリンカーlₛのHausdorff距離を使用。距離関数への依存性をChamfer・RMSDでも検証（Spearman ρ=0.95〜0.98）。

③ 計算化学パイプラインへの応用

実装ギャップ: DiffSHAPer・Hausdorff距離ユーティリティ・等変モデル説明APIがlib/molgenに未実装

④ 主な結果 (a) アンカー原子の重要性

アンカー+近隣で97%カバー。遠方原子はリンカー生成を阻害する方向に寄与する。

④ 主な結果 (b) 距離関数間の一致度

Hausdorff・Chamfer・RMSD の3距離関数でSpearman ρ=0.88〜0.98の高い一致。Kendall W=0.94で3者間の総合一致を確認。

④ 主な結果 (c) 近隣原子除去実験

重要な近隣原子を除去すると生成リンカーが発散し、再注入で元のリンカーに収束する実験を実施。

収束

全原子存在時（ベースライン）

発散

重要近隣原子除去後

再収束

除去原子を逆方向プロセス中に再注入

→ 近隣原子がモデルの探索空間を制約し、アンカーを優先させる役割を担うことを直接証明。

④ 主な結果 (d) 主要な発見

限界: DiffLinker単一モデルのみ対象。大規模スクリーニングへの直接適用は計算コスト的に困難。