Data analysis with Shapley values for automatic subject selection in Alzheimer’s disease data sets using interpretable machine learning
Notice bibliographique
Résumé
BACKGROUND: For the recruitment and monitoring of subjects for therapy studies, it is important to predict whether mild cognitive impaired (MCI) subjects will prospectively develop Alzheimer's disease (AD). Machine learning (ML) is suitable to improve early AD prediction. The etiology of AD is heterogeneous, which leads to high variability in disease patterns. Further variability originates from multicentric study designs, varying acquisition protocols, and errors in the preprocessing of magnetic resonance imaging (MRI) scans. The high variability makes the differentiation between signal and noise difficult and may lead to overfitting. This article examines whether an automatic and fair data valuation method based on Shapley values can identify the most informative subjects to improve ML classification. METHODS: An ML workflow was developed and trained for a subset of the Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative (ADNI) cohort. The validation was executed for an independent ADNI test set and for the Australian Imaging, Biomarker and Lifestyle Flagship Study of Ageing (AIBL) cohort. The workflow included volumetric MRI feature extraction, feature selection, sample selection using Data Shapley, random forest (RF), and eXtreme Gradient Boosting (XGBoost) for model training as well as Kernel SHapley Additive exPlanations (SHAP) values for model interpretation. RESULTS: The RF models, which excluded 134 of the 467 training subjects based on their RF Data Shapley values, outperformed the base models that reached a mean accuracy of 62.64% by 5.76% (3.61 percentage points) for the independent ADNI test set. The XGBoost base models reached a mean accuracy of 60.00% for the AIBL data set. The exclusion of those 133 subjects with the smallest RF Data Shapley values could improve the classification accuracy by 2.98% (1.79 percentage points). The cutoff values were calculated using an independent validation set. CONCLUSION: The Data Shapley method was able to improve the mean accuracies for the test sets. The most informative subjects were associated with the number of ApolipoproteinE ε4 (ApoE ε4) alleles, cognitive test results, and volumetric MRI measurements.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,004 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,003 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 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 tête enseignante, 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 ».