Discovering Brain Network Dysfunction in Alzheimer’s Disease Using Brain Hypergraph Neural Network

超图 计算机科学 人工神经网络 图形 判别式 节点(物理) 人工智能 理论计算机科学 数学 离散数学 结构工程 工程类
作者
Hongmin Cai,Zhixuan Zhou,Defu Yang,Guorong Wu,Jiazhou Chen
出处
期刊:Lecture Notes in Computer Science 卷期号:: 230-240
标识
DOI:10.1007/978-3-031-43904-9_23
摘要

Previous studies have shown that neurodegenerative diseases, specifically Alzheimer's disease (AD), primarily affect brain network function due to neuropathological burdens that spread throughout the network, similar to prion-like propagation. Therefore, identifying brain network alterations is crucial in understanding the pathophysiological mechanism of AD progression. Although recent graph neural network (GNN) analyses have provided promising results for early AD diagnosis, current methods do not account for the unique topological properties and high-order information in complex brain networks. To address this, we propose a brain network-tailored hypergraph neural network (BrainHGNN) to identify the propagation patterns of neuropathological events in AD. Our BrainHGNN approach constructs a hypergraph using region of interest (ROI) identity encoding and random-walk-based sampling strategy, preserving the unique identities of brain regions and characterizing the intrinsic properties of the brain-network organization. We then propose a self-learned weighted hypergraph convolution to iteratively update node and hyperedge messages and identify AD-related propagation patterns. We conducted extensive experiments on ADNI data, demonstrating that our BrainHGNN outperforms other state-of-the-art methods in classification performance and identifies significant propagation patterns with discriminative differences in group comparisons.

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