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ICML 2024 | WISER:弱监督和支持表示学习来改善癌症的药物反应预测

今天为大家介绍的是来自Kumar Shubham团队的一篇论文。癌症是全球主要的死亡原因之一,由于基因组的变化在患者中表现出异质性。为了推进个性化治疗策略的研究,实验室中通常会实验确定各种药物对从癌症中提取的细胞(‘细胞系’)的效果。然而,由于生物和环境差异,细胞系和人类之间的基因组数据和药物反应分布存在差异。此外,尽管许多癌症患者的基因组资料容易获得,但相应的药物反应数据稀缺,这限制了训练能够有效预测患者药物反应的机器学习模型的能力。最近的癌症药物反应预测方法主要遵循无监督域不变表示学习的范式,然后进行下游的药物反应分类。由于患者对药物反应的异质性和药物反应数据的有限性,在两个阶段引入监督是具有挑战性的。本文通过在第一阶段引入一种新颖的表示学习方法和在第二阶段引入弱监督来应对这些挑战。对真实患者数据的实验结果表明,作者的方法(WISER)在预测个性化药物反应方面优于现有的最先进方法。作者的实现代码可以在https://github.com/kyrs/WISER上找到。

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fMRI时变功能连接的数据和模型考虑

大脑的功能连接(FC)已被证明在会话中表现出微妙但可靠的调节。估计时变FC的一种方法是使用基于状态的模型,该模型将fMRI时间序列描述为状态的时间序列,每个状态都有一个相关的FC特征模式。然而,从数据对这些模型的估计有时不能以一种有意义的方式捕获变化,这样模型估计将整个会话(或它们的最大部分)分配给单个状态,因此不能有效地捕获会话内的状态调制;我们将这种现象称为模型变得静态或模型停滞。在这里,我们的目标是量化数据的性质和模型参数的选择如何影响模型检测FC时间变化的能力,使用模拟fMRI时间过程和静息状态fMRI数据。我们表明,主体间FC的巨大差异可以压倒会话调制中的细微差异,导致模型成为静态的。此外,分区的选择也会影响模型检测时间变化的能力。我们最后表明,当需要估计的每个状态的自由参数数量很高,而可用于这种估计的观测数据数量较低时,模型往往会变成静态的。基于这些发现,我们针对时变FC研究在预处理、分区和模型复杂性方面提出了一套实用的建议。

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Brain综述:整合直接电刺激与脑连接组学

神经和神经发育疾病是一个主要的公共卫生问题,迫切需要新的治疗方法。有效疗法的发展依赖于对行为产生过程中涉及的神经底物的精确定位。在清醒手术中进行的认知和神经监测中进行的直接电刺激(Direct electrical stimulation, DES)目前被认为是脑功能因果关系映射的金标准。然而,DES受限于刺激位点的局限性,阻碍了在网络水平上对人脑功能的真正整体探索。我们使用了来自612例胶质瘤患者的4137个DES点,并结合人类脑连接组数据——静息态功能MRI (n = 1000)和扩散加权成像(n = 284)——来提供针对12个不同行为域的因果宏观功能网络的多模态描述。为了探讨我们的程序的有效性,我们(i)比较了健康人群和临床人群的网络地形;(ii)测试了DES衍生网络的预测能力;(iii)量化结构连接与功能连接之间的耦合;(iv)建立一个多元模型,能够量化单个受试者偏离正常人群的情况。最后,我们通过测试DES衍生的功能网络在识别与术后语言障碍相关的关键神经调控靶点和神经底物方面的特异性和敏感性,探索了其转译潜能。与单独使用DES相比,DES和人类连接组数据的组合使全脑覆盖率平均增加了29.4倍。DES衍生的功能网络可以预测未来的刺激点(准确率为97.8%),并得到皮层下刺激的解剖连接的有力支持。我们没有观察到患者和健康人群在组和单一受试者水平之间有任何显著的地形差异。在具体的临床应用中,我们发现DES衍生的功能网络在多个功能域与有效的神经调控靶点重叠,在使用不同刺激技术的颅内刺激点进行测试时显示出高度的特异性,并可有效地用于表征术后行为缺陷。DES与人类连接组的集成从根本上提高了DES或单独功能成像提供的功能映射的质量。DES衍生的功能网络可以可靠地预测未来的刺激点,与基础白质有很强的对应关系,可用于患者特异性的功能定位。可能的应用范围从精神病学和神经病学到神经心理学、神经外科和神经康复。

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基于机器学习的脑电病理学诊断

机器学习(Machine learning, ML)方法有可能实现临床脑电(Electroencephalography, EEG)分析的自动化。它们可以分为基于特征的方法(使用手工制作的特征)和端到端的方法(使用学习的特征)。以往对EEG病理解码的研究通常分析了有限数量的特征、解码器或两者兼而有之。对于I)更详细的基于特征的EEG分析,以及II)两种方法的深入比较,我们首先开发了一个全面的基于特征的框架,然后将该框架与最先进的端到端方法进行比较。为此,我们将提出的基于特征的框架和深度神经网络(包括EEG优化的时间卷积网络(temporal convolutional network, TCN))应用于病理性和非病理性EEG分类。为了进行强有力的比较,我们选择了天普大学医院(Temple University Hospital, TUH)的异常EEG语料库(2.0.0版),其中包含大约3000个EEG记录。结果表明,所提出的基于特征的解码框架可以达到与现有深度神经网络相同的精度。我们发现这两种方法的准确率都在81%到86%的范围内。此外,可视化和分析表明,这两种方法使用了相似的数据方面,例如,在颞叶电极位置处的delta和theta波段功率。我们认为,由于临床标签之间的不完全一致性,目前的二值EEG病理解码器的准确率可能达到90%左右,并且这种解码器已经在临床上有用,例如在临床EEG专家很少的领域。我们提出的基于特征的框架是开源的,从而为EEG机器学习研究提供了一个新的工具。本文发表在Neuroimage杂志。

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Nature子刊:阅读表现与大脑结构、表型和遗传的相关性

阅读是一种进化上的新发展,它招募和调节连接初级和语言处理区域的大脑回路。我们研究了大脑物理结构的指标是否与阅读表现相关,以及遗传变异是否影响这种关系。为此,我们使用了9 - 10岁儿童的青少年大脑认知发展数据集(n = 9013),并关注了150项皮质表面积(CSA)和厚度的测量。我们的研究结果表明,阅读表现与包括阅读网络相关区域在内的九种大脑结构有关。此外,我们表明,这种关系部分是由遗传因素介导的,包括其中两个测量:整个左半球的CSA,特别是左颞上回的CSA。这些影响强调了基因、大脑和阅读之间复杂而微妙的相互作用,这是一种部分可遗传的多基因技能,依赖于分布式网络。

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机器学习模型的特征选择第一部分:启发式搜索

特征选择能够改善你的机器学习模型。在这个系列中,我简单介绍你需要了解的特征选择的全部内容。本文为第一部分,我将讨论为什么特征选择很重要,以及为什么它实际上是一个非常难以解决的问题。我将详细介绍一些用于解决当前特征选择的不同方法。 我们为什么要关心特征选择? 特征工程对模型质量的影响通常比模型类型或其参数对模型质量的影响更大。而特征选择对于特征工程来说是关键部分,更不用说正在执行隐式特征空间转换的核函数和隐藏层了。在支持向量机(SVM)和深度学习的时代,特征选择仍然具有相关性。 首先,我们可以愚弄最复杂的模型

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