Brain connectome analysis commonly compresses high-resolution brain scans (typically composed of millions of voxels) down to only hundreds of regions of interest (ROIs) by averaging within-ROI signals. This huge dimension reduction improves computational speed and the morphological properties of anatomical structures; however, it also comes at the cost of substantial losses in spatial specificity and sensitivity, especially when the signals exhibit high within-ROI heterogeneity. Oftentimes, abnormally expressed functional connectivity (FC) between a pair of ROIs caused by a brain disease is primarily driven by only small subsets of voxel pairs within the ROI pair. This article proposes a new network method for detection of voxel-pair-level neural dysconnectivity with spatial constraints. Specifically, focusing on an ROI pair, our model aims to extract dense sub-areas that contain aberrant voxel-pair connections while ensuring that the involved voxels are spatially contiguous. In addition, we develop sub-community-detection algorithms to realize the model, and the consistency of these algorithms is justified. Comprehensive simulation studies demonstrate our method's effectiveness in reducing the false-positive rate while increasing statistical power, detection replicability, and spatial specificity. We apply our approach to reveal: (i) voxel-wise schizophrenia-altered FC patterns within the salience and temporal-thalamic network from 330 participants in a schizophrenia study; (ii) disrupted voxel-wise FC patterns related to nicotine addiction between the basal ganglia, hippocampus, and insular gyrus from 3269 participants using UK Biobank data. The detected results align with previous medical findings but include improved localized information.


翻译:脑连接组分析通常将高分辨率脑扫描(通常由数百万个体素组成)通过平均区域内信号压缩至仅有数百个感兴趣区域(ROI)。这种大幅降维虽提升了计算速度及解剖结构的形态特性,但同时也导致空间特异性和敏感性的显著损失,尤其当信号在ROI内呈现高度异质性时。由脑疾病引起的ROI对间的异常功能连接(FC)往往仅由该ROI对内少数体素对子集所主导。本文提出一种新颖的网络方法,用于在空间约束下检测体素对级别的神经连接异常。具体而言,我们的模型聚焦于特定ROI对,旨在提取包含异常体素对连接且确保所涉体素空间邻接的密集子区域。此外,我们开发了子社区检测算法以实现该模型,并验证了算法的一致性。综合仿真研究表明,本方法在降低假阳性率的同时提升了统计功效、检测可重复性及空间特异性。我们应用该方法揭示了:(i) 基于330名精神分裂症研究参与者数据,在突显网络及丘脑-颞叶网络中精神分裂症改变的体素级功能连接模式;(ii) 利用英国生物银行3269名参与者数据,发现尼古丁成瘾相关基底节、海马及脑岛之间的破坏性体素级连接模式。检测结果与既往医学发现一致,但提供了更精细的定位信息。

0
下载
关闭预览

相关内容

Networking:IFIP International Conferences on Networking。 Explanation:国际网络会议。 Publisher:IFIP。 SIT: http://dblp.uni-trier.de/db/conf/networking/index.html
专知会员服务
61+阅读 · 2020年3月19日
专知会员服务
162+阅读 · 2020年1月16日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10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
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
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】图像分类必读开创性论文汇总
机器学习研究会
14+阅读 · 2017年8月15日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2008年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年6月15日
Arxiv
12+阅读 · 2022年11月21日
VIP会员
最新内容
为初级军官战术训练设计生成式人工智能平台
专知会员服务
2+阅读 · 35分钟前
《美军条令:作战伤员后送保障》
专知会员服务
2+阅读 · 40分钟前
《美空军条令出版物 4-0,维持》
专知会员服务
1+阅读 · 46分钟前
《基于仿真的空军任务规划优化》
专知会员服务
1+阅读 · 57分钟前
CVPR 2026教程:统一多模态模型走向收敛之路
专知会员服务
5+阅读 · 6月8日
《人工智能在网络防御中的机遇》
专知会员服务
6+阅读 · 6月8日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22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
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】图像分类必读开创性论文汇总
机器学习研究会
14+阅读 · 2017年8月15日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2008年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员