Pharmacologically informed machine learning approach for identifying pathological states of unconsciousness via resting-state fMRI
Notice bibliographique
Résumé
Determining the level of consciousness in patients with disorders of consciousness (DOC) remains challenging. To address this challenge, resting-state fMRI (rs-fMRI) has been widely used for detecting the local, regional, and network activity differences between DOC patients and healthy controls. Although substantial progress has been made towards this endeavor, the identification of robust rs-fMRI-based biomarkers for level of consciousness is still lacking. Recent developments in machine learning show promise as a tool to augment the discrimination between different states of consciousness in clinical practice. Here, we investigated whether machine learning models trained to make a binary distinction between conscious wakefulness and anesthetic-induced unconsciousness would then be capable of reliably identifying pathologically induced unconsciousness. We did so by extracting rs-fMRI-based features associated with local activity, regional homogeneity, and interregional functional activity in 44 subjects during wakefulness, light sedation, and unresponsiveness (deep sedation and general anesthesia), and subsequently using those features to train three distinct candidate machine learning classifiers: support vector machine, Extra Trees, artificial neural network. First, we show that all three classifiers achieve reliable performance within-dataset (via nested cross-validation), with a mean area under the receiver operating characteristic curve (AUC) of 0.95, 0.92, and 0.94, respectively. Additionally, we observed comparable cross-dataset performance (making predictions on the DOC data) as the anesthesia-trained classifiers demonstrated a consistent ability to discriminate between unresponsive wakefulness syndrome (UWS/VS) patients and healthy controls with mean AUC's of 0.99, 0.94, 0.98, respectively. Lastly, we explored the potential of applying the aforementioned classifiers towards discriminating intermediate states of consciousness, specifically, subjects under light anesthetic sedation and patients diagnosed as having a minimally conscious state (MCS). Our findings demonstrate that machine learning classifiers trained on rs-fMRI features derived from participants under anesthesia have potential to aid the discrimination between degrees of pathological unconsciousness in clinical patients.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,002 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».