Ensemble manifold based regularized multi-modal graph convolutional network for cognitive ability prediction

计算机科学 人工智能 功能磁共振成像 机器学习 认知 模式识别(心理学) 正规化(语言学) 图形 心理学 理论计算机科学 神经科学
作者
Gang Qu,Li Xiao,Wenxing Hu,Kun Zhang,Vince D. Calhoun,Yu‐Ping Wang
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2101.08316
摘要

Objective: Multi-modal functional magnetic resonance imaging (fMRI) can be used to make predictions about individual behavioral and cognitive traits based on brain connectivity networks. Methods: To take advantage of complementary information from multi-modal fMRI, we propose an interpretable multi-modal graph convolutional network (MGCN) model, incorporating the fMRI time series and the functional connectivity (FC) between each pair of brain regions. Specifically, our model learns a graph embedding from individual brain networks derived from multi-modal data. A manifold-based regularization term is then enforced to consider the relationships of subjects both within and between modalities. Furthermore, we propose the gradient-weighted regression activation mapping (Grad-RAM) and the edge mask learning to interpret the model, which is used to identify significant cognition-related biomarkers. Results: We validate our MGCN model on the Philadelphia Neurodevelopmental Cohort to predict individual wide range achievement test (WRAT) score. Our model obtains superior predictive performance over GCN with a single modality and other competing approaches. The identified biomarkers are cross-validated from different approaches. Conclusion and Significance: This paper develops a new interpretable graph deep learning framework for cognitive ability prediction, with the potential to overcome the limitations of several current data-fusion models. The results demonstrate the power of MGCN in analyzing multi-modal fMRI and discovering significant biomarkers for human brain studies.

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