Our knowledge of the organisation of the human brain at the population-level is yet to translate into power to predict functional differences at the individual-level, limiting clinical applications, and casting doubt on the generalisability of inferred mechanisms. It remains unknown whether the difficulty arises from the absence of individuating biological patterns within the brain, or from limited power to access them with the models and compute at our disposal. Here we comprehensively investigate the resolvability of such patterns with data and compute at unprecedented scale. Across 23810 unique participants from UK Biobank, we systematically evaluate the predictability of 25 individual biological characteristics, from all available combinations of structural and functional neuroimaging data. Over 4526 GPU*hours of computation, we train, optimize, and evaluate out-of-sample 700 individual predictive models, including multilayer perceptrons of demographic, psychological, serological, chronic morbidity, and functional connectivity characteristics, and both uni- and multi-modal 3D convolutional neural network models of macro- and micro-structural brain imaging. We find a marked discrepancy between the high predictability of sex (balanced accuracy 99.7%), age (mean absolute error 2.048 years, R2 0.859), and weight (mean absolute error 2.609Kg, R2 0.625), for which we set new state-of-the-art performance, and the surprisingly low predictability of other characteristics. Neither structural nor functional imaging predicted individual psychology better than the coincidence of common chronic morbidity (p<0.05). Serology predicted common morbidity (p<0.05) and was best predicted by it (p<0.001), followed by structural neuroimaging (p<0.05). Our findings suggest either more informative imaging or more powerful models will be needed to decipher individual level characteristics from the brain.


翻译:我们对人群水平人类脑组织结构的认知尚未转化为在个体水平预测功能差异的能力,这限制了临床应用,并对推断机制的泛化性提出质疑。目前尚不清楚这种困难源于大脑缺乏个体化生物学模式,还是受限于现有模型和计算资源的解析能力。本研究以前所未有的规模系统探究数据与计算对此类模式的可解析性。基于英国生物银行(UK Biobank)23810名独立参与者,我们通过结构性与功能性神经影像数据的所有可用组合,系统评估了25项个体生物学特征的可预测性。历时4526 GPU*小时计算,我们训练、优化并评估了700个脱离样本的个体预测模型,包括针对人口统计学、心理学、血清学、慢性共病及功能连接性特征的多层感知器,以及基于宏观和微观脑结构影像的单模态与多模态三维卷积神经网络模型。研究显示:性别(平衡准确率99.7%)、年龄(平均绝对误差2.048岁,R²=0.859)和体重(平均绝对误差2.609公斤,R²=0.625)具有极高可预测性(三项指标均达当前最优性能),而其他特征的可预测性却出奇低下。结构或功能影像对个体心理特征的预测能力均未优于普通慢性共病的偶然一致性(p<0.05)。血清学可预测常见共病(p<0.05),且其本身亦被共病最佳预测(p<0.001),其次为结构性神经影像(p<0.05)。本研究结果表明,从大脑解码个体层面特征或需更高信息量的影像或更强大的模型。

0
下载
关闭预览

相关内容

【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
学习自然语言处理路线图
专知会员服务
140+阅读 · 2019年9月24日
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
国家自然科学基金
2+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
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
5+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年12月28日
Arxiv
16+阅读 · 2022年5月17日
A survey on deep hashing for image retrieval
Arxiv
15+阅读 · 2020年6月10日
VIP会员
最新内容
ICML 2026 | CFPO:用反事实策略优化提升多模态推理
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:45
综述 | 世界动作模型:少做梦,多行动
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:43
美以伊冲突:无人机与人工智能的运用
专知会员服务
3+阅读 · 今天14:31
《特种部队在透明战场中的生存力》最新报告
专知会员服务
2+阅读 · 今天14:11
《人工智能生成的零日漏洞:对未来作战的影响》
综述 | 3D场景图:开放挑战与未来方向
专知会员服务
8+阅读 · 6月22日
21世纪的无人机战争
专知会员服务
4+阅读 · 6月22日
《量子技术的军事任务技术适配与利用》
专知会员服务
5+阅读 · 6月22日
相关VIP内容
相关资讯
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
相关基金
国家自然科学基金
2+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
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
5+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员