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利用机器学习和功能连接预测认知能力

使用机器学习方法,可以从个体的脑功能连通性中以适度的准确性预测认知表现。然而,到目前为止,预测模型对支持认知的神经生物学过程的洞察有限。为此,特征选择和特征权重估计需要是可靠的,以确保具有高预测效用的重要连接和环路能够可靠地识别出来。我们全面研究了基于健康年轻人静息状态功能连接网络构建的认知性能各种预测模型的特征权重-重测可靠性(n=400)。尽管实现了适度的预测精度(r=0.2-0.4),我们发现所有预测模型的特征权重可靠性普遍较差(ICC<0.3),显著低于性别等显性生物学属性的预测模型(ICC≈0.5)。较大的样本量(n=800)、Haufe变换、非稀疏特征选择/正则化和较小的特征空间略微提高了可靠性(ICC<0.4)。我们阐明了特征权重可靠性和预测精度之间的权衡,并发现单变量统计数据比预测模型的特征权重稍微更可靠。最后,我们表明,交叉验证折叠之间的特征权重度量一致性提供了夸大的特征权重可靠性估计。因此,如果可能的话,我们建议在样本外估计可靠性。我们认为,将焦点从预测准确性重新平衡到模型可靠性,可能有助于用机器学习方法对认知的机械性理解。

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Neuro-Oncology:对脑胶质瘤IDH突变状态进行分类的一种新型的基于MRI的全自动深度学习算法

异柠檬酸脱氢酶(Isocitrate dehydrogenase, IDH)突变状态已成为神经胶质瘤的重要预后标志。当前,可靠的IDH突变诊断需要侵入性外科手术。该研究的目的是使用T2加权(T2w)MR图像开发高度精确的、基于MRI的、基于体素的深度学习IDH分类网络,并将其性能与基于多模态数据的网络进行比较。研究人员从癌症影像档案馆(The Cancer Imaging Archive,TCIA)和癌症基因组图谱(The Cancer Genome Atlas,TCGA)中获得了214位受试者(94位IDH突变,120位IDH野生型)的多参数脑MRI数据和相应的基因组信息。他们开发了两个单独的网络,其中包括一个仅使用T2w图像的网络(T2-net)和一个使用多模态数据(T2w,磁共振成像液体衰减反转恢复序列(FLAIR)和T1 postcontrast)的网络(TS-net),以执行IDH分类任务和同时进行单标签肿瘤分割任务。本文使用3D的Dense-UNets的架构。使用三折交叉验证泛化网络的性能。同时使用Dice系数评估算法分割肿瘤的精度。T2-net在预测IDH突变状态任务上表现出97.14%±0.04的平均交叉验证准确率,灵敏度为0.97±0.03,特异性为0.98±0.01,曲线下面积(AUC)为0.98±0.01。TS-net的平均交叉验证准确性为97.12%±0.09,灵敏度为0.98±0.02,特异性为0.97±0.001,AUC为0.99±0.01。T2-net的肿瘤分割Dice系数的平均得分为0.85±0.009,TS-net的肿瘤分割Dice系数的平均得分为0.89±0.006。

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Molecular Psychiatry:静息态fMRI预测青少年认知能力

青春期是主要的身体、认知和社会心理的变化时期,极易出现不良行为模式和精神疾病,可能会导致整个成年期的精神和身体健康状况恶化。其中主要危险因素之一是难以获得较高层次的认知功能,其中包括各种不同的推理和解决问题的能力、认知能力和学习/回忆信息能力。目前普遍认为,高阶认知功能依赖于任务控制网络和默认模式网络(DMN)之间的复杂相互作用。而且,从儿童早期到成年早期,任务控制网络和DMN之间的功能联系逐渐发展,这意味着信息交换的增长和自上而下的监管关系的成熟。这提出了一个有趣的问题:这些网络之间的连接模式的差异是否预示着高阶认知功能的差异。

01

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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Cerebral Cortex:额顶控制网络的网络间作用可以很好地预测记忆抑制能力

记忆抑制(Memorysuppression,MS)与精神健康相关。然而,没有研究探索内在静息态功能连接(resting-state functional connectivity,rs-FC)如何预测这种能力。本文基于rsfMRI脑功能连接组预测模型(connectome-based predictivemodeling,CPM)来探究预先定义脑网络(额顶控制网络或FPCN)中的rs-FC图谱是否能以及如何预测健康个体的MS(497名参与者)。在think/no-think范式中,使用由MS导致的遗忘来评估MS能力。结果表明,FPCN网络有利于建立MS预测模型。FPCN中的一些区域,如额中回、额上回和顶下叶在预测MS能力中起着重要作用。此外,FPCN与多个网络(如背侧注意网络(DAN)、腹侧注意网络(VAN)、默认模式网络(DMN)、边缘系统和皮下层区域)间的功能相互作用能够预测MS。关键的是,用于预测的FPCN网络是稳定的并对MS是特定的。这些结果表明FPCN与其他网络相互作用能够表明MS能力。这些结果有助于解释这些功能网络的相互作用是如何导致某些精神障碍中的特定入侵性思维和记忆的。

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