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Brain Functional Network Topology in Autism Spectrum Disorder: A Novel Weighted Hierarchical Complexity Metric for Electroencephalogram

计算机科学 自闭症谱系障碍 中心性 网络拓扑 支持向量机 公制(单位) 连接体 网络体系结构 人工智能 模块化(生物学) 模式识别(心理学) 模块化设计 拓扑(电路) 机器学习 自闭症 数学 计算机网络 功能连接 心理学 神经科学 生物 经济 发展心理学 组合数学 操作系统 遗传学 运营管理
作者
Tanu Wadhera,Mufti Mahmud
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:: 1-8 被引量:17
标识
DOI:10.1109/jbhi.2022.3232550
摘要

Recent complex network analysis reflected the brain network as a modular network with small-world architecture in Autism Spectrum Disorder (ASD). Network hierarchy, which can provide important information to comment on brain networks, especially in ASD, has not yet been fully explored. The present work proposes a Weighted Hierarchical Complexity (WHC) metric to study network topology using the node degree concept. To do so, brain networks have been constructed using a visibility algorithm. To ensure proper mapping of network characteristics by the proposed metric, it is statistically compared to other network measures of brain connectivity related to integration, segregation and centrality. Further, for automated ASD classification, these network metrics were fed to explainable machine learning algorithms and the results revealed that brain regions tend to hierarchically coordinate in ASD, but the hierarchical architecture is attenuated after a few steps compared to networks in Typically Developing individuals (TDs). The value of WHC (0.55) reveals architecture up to three levels (four-degree nodes) with an abundance of 2-degree hubs in ASD indicating high intra-connectivity compared to TDs (WHC=0.78; four-level spread). The explainable Support Vector Machine (SVM)-classifier model highlighted the role of WHC in classifying ASD with 98.76% of accuracy. The graph-theory metrics ensured that weaker long-range connections and stronger intra-connections are markers of ASD. Thus, it becomes evident that whole-brain architecture can be characterised by a chain-like hierarchical modular structure representing atypical brain topology as in ASD.

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