Structural magnetic resonance imaging (sMRI) provides accurate estimates of the brain's structural organization and learning invariant brain representations from sMRI is an enduring issue in neuroscience. Previous deep representation learning models ignore the fact that the brain, as the core of human cognitive activity, is distinct from other organs whose primary attribute is anatomy. Therefore, capturing the semantic structure that dominates interindividual cognitive variability is key to accurately representing the brain. Given that this high-level semantic information is subtle, distributed, and interdependently latent in the brain structure, sMRI-based models need to capture fine-grained details and understand how they relate to the overall global structure. However, existing models are optimized by simple objectives, making features collapse into homogeneity and worsening simultaneous representation of fine-grained information and holistic semantics, causing a lack of biological plausibility and interpretation of cognition. Here, we propose MCIAT, a unified framework that combines Multi-task Collaborative pre-training and Individual-Adaptive-Tokens fine-tuning. Specifically, we first synthesize restorative learning, age prediction auxiliary learning and adversarial learning as a joint proxy task for deep semantic representation learning. Then, a mutual-attention-based token selection method is proposed to highlight discriminative features. The proposed MCIAT achieves state-of-the-art diagnosis performance on the ADHD-200 dataset compared with several sMRI-based approaches and shows superior generalization on the MCIC and OASIS datasets. Moreover, we studied 12 behavioral tasks and found significant associations between cognitive functions and MCIAT-established representations, which verifies the interpretability of our proposed framework.


翻译:结构磁共振成像(sMRI)可提供大脑结构组织的精确估计,而从sMRI中学习不变脑表征是神经科学中一个持续存在的问题。以往的深度表征学习模型忽略了大脑作为人类认知活动的核心,其与主要以解剖学为主要属性的其他器官存在本质区别这一事实。因此,捕捉主导个体间认知变异性的语义结构是准确表征大脑的关键。鉴于此类高层语义信息在大脑结构中具有微妙、分布且相互依赖的潜在特性,基于sMRI的模型需要捕捉精细细节并理解其与整体全局结构的关系。然而,现有模型通过简单目标进行优化,导致特征坍缩为同质化,并加剧了细粒度信息与整体语义的同步表征困难,进而缺乏生物学合理性与认知可解释性。为此,我们提出MCIAT——一种融合多任务协同预训练与个体自适应令牌微调的统一框架。具体而言,我们首先将复原学习、年龄预测辅助学习与对抗学习整合为联合代理任务,用于深度语义表征学习;随后提出一种基于互注意力机制的令牌选择方法以突出判别性特征。与多种基于sMRI的方法相比,所提MCIAT在ADHD-200数据集上实现了最先进的诊断性能,并在MCIC和OASIS数据集上展现出优越的泛化能力。此外,我们研究了12项行为任务,发现认知功能与MCIAT建立的表征之间存在显著关联,这验证了所提框架的可解释性。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+阅读 · 2019年10月17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
【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
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24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
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017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 · 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
0+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
3+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
2+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
VIP会员
最新内容
《决策模型比较研究》
专知会员服务
0+阅读 · 5分钟前
《美军水下战与海床战概述及本地实施》
专知会员服务
0+阅读 · 51分钟前
面向未来冲突推进陆军情报体制改革
专知会员服务
0+阅读 · 今天4:12
乌克兰纵深打击如何重塑俄罗斯的战略选择
专知会员服务
2+阅读 · 7月24日
俄乌战争中关于中程打击无人机部署的经验启示
《基于强化学习的自动化红队测试》
专知会员服务
4+阅读 · 7月23日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24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
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017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 · 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
0+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
3+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
2+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