Deep learning methods have advanced quickly in brain imaging analysis over the past few years, but they are usually restricted by the limited labeled data. Pre-trained model on unlabeled data has presented promising improvement in feature learning in many domains, including natural language processing and computer vision. However, this technique is under-explored in brain network analysis. In this paper, we focused on pre-training methods with Transformer networks to leverage existing unlabeled data for brain functional network classification. First, we proposed a Transformer-based neural network, named as BrainNPT, for brain functional network classification. The proposed method leveraged <cls> token as a classification embedding vector for the Transformer model to effectively capture the representation of brain network. Second, we proposed a pre-training framework for BrainNPT model to leverage unlabeled brain network data to learn the structure information of brain networks. The results of classification experiments demonstrated the BrainNPT model without pre-training achieved the best performance with the state-of-the-art models, and the BrainNPT model with pre-training strongly outperformed the state-of-the-art models. The pre-training BrainNPT model improved 8.75% of accuracy compared with the model without pre-training. We further compared the pre-training strategies, analyzed the influence of the parameters of the model, and interpreted the trained model.


翻译:近年来,深度学习方法在脑影像分析领域取得了快速进展,但通常受限于有限的标注数据。在自然语言处理和计算机视觉等多个领域,基于无标注数据的预训练模型已在特征学习方面展现出显著提升。然而,该技术在脑网络分析中尚未得到充分探索。本文聚焦于利用Transformer网络的预训练方法,以充分利用现有无标注数据进行脑功能网络分类。首先,我们提出了一种名为BrainNPT的Transformer神经网络,用于脑功能网络分类。该方法利用<cls>标记作为Transformer模型的分类嵌入向量,有效捕获脑网络的表征。其次,我们为BrainNPT模型设计了预训练框架,利用无标注脑网络数据学习其结构信息。分类实验结果表明:未预训练的BrainNPT模型达到了与现有最优模型相当的性能,而经过预训练的BrainNPT模型则显著超越了现有最优模型。与未预训练模型相比,预训练BrainNPT模型的准确率提升了8.75%。此外,我们还进一步比较了不同预训练策略,分析了模型参数的影响,并对训练后的模型进行了解释。

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