Mechanistic modeling provides a biophysically grounded framework for studying the spread of pathological tau protein in tauopathies like Alzheimer's disease. Existing approaches typically model tau propagation as a diffusive process on the brain's structural connectome, reproducing macroscopic patterns but neglecting microscale cellular transport and reaction mechanisms. The Network Transport Model (NTM) was introduced to fill this gap, explaining how region-level progression of tau emerges from microscale biophysical processes. However, the NTM faces a common challenge for complex models defined by large systems of partial differential equations: the inability to perform parameter inference and mechanistic discovery due to high computational burden and slow model simulations. To overcome this barrier, we propose Tau-BNO, a Brain Neural Operator surrogate framework for rapidly approximating NTM dynamics that captures both intra-regional reaction kinetics and inter-regional network transport. Tau-BNO combines a function operator that encodes kinetic parameters with a query operator that preserves initial state information, while approximating anisotropic transport through a spectral kernel that retains directionality. Empirical evaluations demonstrate high predictive accuracy ($R^2\approx$ 0.98) across diverse biophysical regimes and an 89\% performance improvement over state-of-the-art sequence models like Transformers and Mamba, which lack inherent structural priors. By reducing simulation time from hours to seconds, we show that the surrogate model is capable of producing new insights and generating new hypotheses. This framework is readily extensible to a broader class of connectome-based biophysical models, showcasing the transformative value of deep learning surrogates to accelerate analysis of large-scale, computationally intensive dynamical systems.


翻译:机理建模为研究阿尔茨海默病等tau蛋白病中病理性tau蛋白的扩散提供了一个生物物理基础框架。现有方法通常将tau传播建模为大脑结构连接组上的扩散过程,能够再现宏观模式但忽略了微观尺度的细胞运输与反应机制。网络传输模型(NTM)的提出填补了这一空白,解释了区域水平的tau蛋白进展如何从微观生物物理过程中产生。然而,NTM面临着由大型偏微分方程组定义的复杂模型的共同挑战:由于计算负担重和模型仿真速度慢,无法进行参数推断和机理发现。为克服这一障碍,我们提出Tau-BNO——一种用于快速近似NTM动力学的脑神经算子代理框架,该框架同时捕捉区域内反应动力学和区域间网络传输。Tau-BNO结合了编码动力学参数的函数算子与保留初始状态信息的查询算子,同时通过保留方向性的谱核来近似各向异性传输。实证评估表明,该方法在多种生物物理状态下均具有较高的预测精度($R^2\approx$ 0.98),且性能较缺乏固有结构先验的先进序列模型(如Transformer和Mamba)提升了89%。通过将仿真时间从数小时缩短至数秒,我们证明该代理模型能够产生新的见解并生成新的假设。该框架可轻松扩展至更广泛的基于连接组的生物物理模型,展示了深度学习代理在加速分析大规模计算密集型动力系统中的变革性价值。

0
下载
关闭预览

相关内容

【博士论文】机器学习中新型神经元模型的研究
专知会员服务
25+阅读 · 2024年11月20日
PubMed GPT : 用于生物医学文本的特定领域大型语言模型
专知会员服务
38+阅读 · 2022年12月19日
综述:基于进化和物理启发建模的计算蛋白设计
专知会员服务
16+阅读 · 2022年9月12日
【Google AI】鲁棒图神经网络,Robust Graph Neural Networks
专知会员服务
38+阅读 · 2022年3月9日
【图神经网络入门】GAT图注意力网络
深度学习自然语言处理
28+阅读 · 2020年5月16日
图神经网络入门(三)GAT图注意力网络
图与推荐
10+阅读 · 2020年5月14日
【GNN】MPNN:消息传递神经网络
深度学习自然语言处理
17+阅读 · 2020年4月11日
类脑计算的前沿论文,看我们推荐的这7篇
人工智能前沿讲习班
21+阅读 · 2019年1月7日
图神经网络最近这么火,不妨看看我们精选的这七篇
人工智能前沿讲习班
37+阅读 · 2018年12月10日
基础 | GRU神经网络
黑龙江大学自然语言处理实验室
27+阅读 · 2018年3月5日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
内省扩散语言模型
专知会员服务
4+阅读 · 4月14日
国外反无人机系统与技术动态
专知会员服务
3+阅读 · 4月14日
大规模作战行动中的战术作战评估(研究论文)
未来的海战无人自主系统
专知会员服务
3+阅读 · 4月14日
美军多域作战现状分析:战略、概念还是幻想?
无人机与反无人机系统(书籍)
专知会员服务
19+阅读 · 4月14日
美陆军2026条令:安全与机动支援
专知会员服务
9+阅读 · 4月14日
相关VIP内容
【博士论文】机器学习中新型神经元模型的研究
专知会员服务
25+阅读 · 2024年11月20日
PubMed GPT : 用于生物医学文本的特定领域大型语言模型
专知会员服务
38+阅读 · 2022年12月19日
综述:基于进化和物理启发建模的计算蛋白设计
专知会员服务
16+阅读 · 2022年9月12日
【Google AI】鲁棒图神经网络,Robust Graph Neural Networks
专知会员服务
38+阅读 · 2022年3月9日
相关资讯
【图神经网络入门】GAT图注意力网络
深度学习自然语言处理
28+阅读 · 2020年5月16日
图神经网络入门(三)GAT图注意力网络
图与推荐
10+阅读 · 2020年5月14日
【GNN】MPNN:消息传递神经网络
深度学习自然语言处理
17+阅读 · 2020年4月11日
类脑计算的前沿论文,看我们推荐的这7篇
人工智能前沿讲习班
21+阅读 · 2019年1月7日
图神经网络最近这么火,不妨看看我们精选的这七篇
人工智能前沿讲习班
37+阅读 · 2018年12月10日
基础 | GRU神经网络
黑龙江大学自然语言处理实验室
27+阅读 · 2018年3月5日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员