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利用机器学习研究脑卒中早期皮质运动系统的结构-功能关系

​背景:脑卒中后的运动结果可以通过下行皮质运动通路的结构和功能生物标志物来预测,通常分别通过磁共振成像和经颅磁刺激来测量。然而,完整的皮质运动功能的确切结构决定因素尚不清楚。识别皮质运动通路的结构和功能联系可以为脑卒中后运动损伤的机制提供有价值的见解。这项研究使用监督机器学习来分类上肢运动诱发电位状态,使用卒中早期获得的MRI测量。方法:回顾性分析脑卒中后1周内上肢中重度无力患者91例(女性49例,年龄35 ~ 97岁)的资料。使用T1和弥散加权MRI的指标训练支持向量机分类器来分类运动诱发电位状态,使用经

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Neuron脑影像机器学习: 表征、模式信息与大脑特征:从神经元到神经影像

人们对于神经影像的研究已不满足于对大脑局部的研究,开始探索汇集了更多分散于多个脑系统的脑活动预测模型。这里我们回顾多变量预测模型如何对定量可重复的预测结果进行优化,构建了比传统模型具有更大影像的身心交互模型并对大脑表达构筑于思维模式的方法进行了解释,尽管在实现前两个目标方面取得了越来越大的进展,但是模型仅仅开始处理后一个目标。通过明确地识别知识的缺口,研究项目可以有意地、程序化地朝着识别潜在心理状态和过程的大脑表征的目标前进。本文由美国科罗拉多大学学者发表在Neuron杂志。

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单细胞 RNA 测序揭示胶质瘤细胞分化相关基因

胶质瘤是起源于中枢神经系统的最常见的原发性肿瘤,目前没有适用于胶质母细胞瘤 (GBM) 和低级别胶质瘤 (LGG) 的预后模型。胶质瘤是由胶质瘤干细胞 (GSC) 驱动的,这主要是导致目前针对恶性胶质瘤的治疗策略失败的原因。考虑到 GSC 的多能性,它们可以分化成多个细胞亚群,从而导致细胞分化状态的高度异质性。有研究表明,GSCs 的分化状态可能与耐药性有关。但目前细胞分化的机制仍不清楚,因此确定与星形胶质细胞有关的 GSC 中涉及的分化相关基因 (DRG) 可能有助于识别新的生物标志物。本文旨在确定分化相关基因从而预测胶质瘤患者的预后和免疫治疗反应。

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NPP:结构MRI数据的生理性别分类显示跨性别者女性的错误分类增加

跨性别者(TIs)表现出不同于其生理性别和心理性别的大脑结构变化。本文结合多变量和单变量的分析方法,证实TIs的大脑结构不同于男性和女性。对1753名顺性别者(CG,就是从心理上认同自己的生理性别)健康被试,基于体素的形态测量预处理后得到灰质分割结果,用于训练(N=1402)和验证(20%,N=351)可以对生理性别进行分类的支持向量机分类器。作为第二次验证,对1104名抑郁症患者进行分类。第三次验证使用与CG样本匹配的跨性别者女性(生理性别男、心理性别女,TW)样本。最后,通过控制性取向、年龄和大脑总体积的单变量分析,比较了CG男性、女性和TW跨性别激素治疗(CHT)前后的大脑体积。将生理性别分类器应用于跨性别者样本,真阳性率显著降低(TPR-男性=56.0%)。有抑郁者(TPR(真实标签正确预测)-男性=86.9%)与无抑郁者(TPR-男性=88.5%)的TPR差异无统计学意义(P>0.05)。对跨性别者样本的单变量分析表明,TW治疗前后在壳核和脑岛,CG女性和CG男性的脑结构存在差异,与全脑分析的结果一致。作者的结果支持这样的假设,即TW(跨性别者女性)的脑结构不同于其生物学性别(男性)的脑结构,也不同于他们感知的性别(女性)的脑结构。这一发现证实了TIs大脑结构发生变化,导致了与CG个体的不同。

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【论文解读】在上下文中学习创建任务向量

大型语言模型(LLMs)中的上下文学习(ICL)已经成为一种强大的新的学习范式。然而,其潜在的机制仍未被很好地了解。特别是,将其映射到“标准”机器学习框架是具有挑战性的,在该框架中,人们使用训练集S在某些假设类中找到最佳拟合函数f (x)。在这里,论文通过展示ICL学习到的函数通常有一个非常简单的结构:它们对应于transformerLLM,它的唯一输入是查询x和从训练集计算出的单个“任务向量”。因此,ICL可以看作是将S压缩为一个单个的任务向量θ(S),然后使用这个任务向量来调制transformer以产生输出。论文通过对一系列模型和任务的全面实验来支持上述主张。

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NeuroImage:功能磁共振成像中自发、短暂脑网络相互作用的行为相关性

摘要:几十年来,不同脑区自发波动的功能磁共振成像(fMRI)信号与行为之间的关系一直处于探索阶段,这些信号间的相关性(即功能连接)可以在几分钟的数据中平均,为个体提供功能网络架构的稳定表征。然而,这些稳定表征和行为特征之间的联系已被证明是由解剖学上的个体差异所决定。这里,我们使用核学习方法,提出了评估和比较时变功能连接、时间平均功能连接、脑结构数据和非成像主体行为特征间关系的方法。我们将这些方法应用于Human Connectome Project(HCP)静息态功能磁共振(rsfMRI)数据中,发现在几秒钟的时间尺度上检测到的fMRI时变功能连接和一些与解剖学无关的行为特征有关。尽管时均功能连接在个体间的fMRI信号可变性中所占比例最大,但我们发现智力的某些方面只能用时变功能连接来解释。研究表明,时变fMRI功能连接与群体行为多变有着独特的关系,它可能反映了围绕稳定的神经结构波动的短暂神经元交流。

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重度抑郁症患者的脑龄

重度抑郁症(Major depressive disorder, MDD) 与脑萎缩、衰老相关疾病以及死亡事件的风险增加有关。本研究在一个大型多中心国际数据集中,研究了成人MDD患者大脑的提前衰老,以及这一过程是否与临床特征相关。本研究汇集了来自全球19个样本集中T1加权MRI图像的大脑测量数据,进行了一项mega分析。通过测量来自ENIGMA MDD工作组对照组 (952名男性和1236名女性) 的7个皮质下体积、34个皮质厚度和34个表面积、侧脑室和总颅内体积,预测实际年龄 (18–75岁),来评估健康脑龄。将学习到的模型系数应用于927名对照组男性和986名抑郁症男性、1199名对照组女性和1689名抑郁症女性,以获得独立的无偏差脑龄预测值。计算预测“脑龄”和实际年龄之间的差异,来代表预测脑龄差异 (brain-predicted age difference, brain-PAD) 。平均而言,与对照组相比,MDD患者的brain-PAD 高出+1.08岁(SE 0.22) (Cohen's d=0.14, 95%置信区间: 0.08–0.20) 。然而,这种差异似乎不是由特定的临床特征 (复发状态、缓解状态、抗抑郁药物使用、发病年龄或症状严重程度) 驱动的。这项研究显示了MDD患者中与年龄相关的大脑结构异常的微妙模式。观察到大量组内差异和组间重叠。未来,需要对MDD和躯体健康结果进行纵向研究,以进一步评估这些brain-PAD估计值的临床价值。本文发表在 Molecular Psychiatry杂志。

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皮层网络内在组织预测状态焦虑:一项fNIRS研究

状态焦虑的脑活动特点是皮层下活动的高反应性以及其与皮层区域的自下而上的连接,但是状态焦虑的皮层网络依旧还不清楚。因此,本研究利用近红外技术来测量静息态脑皮层功能连接特征,并结合机器学习来预测被试的状态焦虑。结果表示,皮层静息态功能连接的一系列特征能很好地预测状态焦虑,但不是特质焦虑,特别是默认模式网络(Default model network,DMN)的脑皮层区与背侧注意网络(DAN)的连接和DMN内在的连接,且这些连接性都与状态焦虑程度成负性相关。此外,DMN脑皮层区与额顶叶网络(frontoparietal network, FRN), FRN与显著网络(sailence network, SN),FPN与DAN,DMN与SN之间的连接性与状态焦虑正相关。因此,内源性皮层组织可以对状态焦虑有一定的预测作用。该研究也为情绪状态的潜在神经机制和情绪障碍的诊断、预后和治疗提供了一定的启发。

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