Directed fMRI-based Functional Connectivity Estimation using Physics-Informed Neural Networks

神经质的 计算机科学 人工神经网络 功能磁共振成像 人工智能 功能连接 机器学习 自闭症谱系障碍 可扩展性 自闭症 神经科学 心理学 发展心理学 数据库
作者
Roberto C. Sotero,José M. Sánchez‐Bornot
标识
DOI:10.1101/2024.07.09.602748
摘要

Estimating directed functional connectivity (dFC) within the brain is crucial for comprehending neural interactions. However, conventional methodologies encounter constraints in accuracy, scalability, and interpretation. The method presented here harnesses Physics-Informed Neural Networks (PINNs) to amalgamate the governing physical principles of brain dynamics, thereby improving dFC estimation from resting-state functional magnetic resonance imaging (rsfMRI) data. In particular, during the training phase, we derive the input weights from a long-short term memory (LSTM) network, which, within our framework, represent the influence of all other brain areas on the specific region under consideration. These input weights are then integrated into the nonlinear differential equation that models the rsfMRI time series within the specific brain area. Through the training of the PINN model, we simultaneously estimate, for each brain area, the biophysical parameters of the model, including the dFC parameters from all the remaining areas. We applied this methodology to both autism spectrum disorder (ASD) and neurotypical data, revealing significant sex-specific differences in connectivity patterns. These findings underscore the potential of PINNs in advancing our understanding of neural dynamics and emphasize the significance of directionality in brain connectivity research.

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