Multi-scale semi-supervised clustering of brain images: deriving disease subtypes
Notice bibliographique
Résumé
Abstract Disease heterogeneity is a significant obstacle to understanding pathological processes and delivering precision diagnostics and treatment. Clustering methods have gained popularity for stratifying patients into subpopulations (i.e., subtypes) of brain diseases using imaging data. However, unsupervised clustering approaches are often confounded by anatomical and functional variations not related to a disease or pathology of interest. Semi-supervised clustering techniques have been proposed to overcome this and, therefore, capture disease-specific patterns more effectively. An additional limitation of both unsupervised and semi-supervised conventional machine learning methods is that they typically model, learn and infer from data using a basis of feature sets pre-defined at a fixed anatomical or functional scale (e.g., atlas-based regions of interest). Herein we propose a novel method, “Multi-scAle heteroGeneity analysIs and Clustering” (MAGIC), to depict the multi-scale presentation of disease heterogeneity, which builds on a previously proposed semi-supervised clustering method, HYDRA. It derives multi-scale and clinically interpretable feature representations and exploits a double-cyclic optimization procedure to effectively drive identification of inter-scale-consistent disease subtypes. More importantly, to understand the conditions under which the clustering model can estimate true heterogeneity related to diseases, we conducted extensive and systematic semi-simulated experiments to evaluate the proposed method on a sizeable healthy control sample from the UK Biobank (N=4403). We then applied MAGIC to imaging data from Alzheimer’s disease (ADNI, N =1728) and schizophrenia (PHENOM, N =1166) patients to demonstrate its potential and challenges in dissecting the neuroanatomical heterogeneity of common brain diseases. Taken together, we aim to provide guidance regarding when such analyses can succeed or should be taken with caution. The code of the proposed method is publicly available at https://github.com/anbai106/MAGIC . Highlights We propose a novel multi-scale semi-supervised clustering method, termed MAGIC, to disentangle the heterogeneity of brain diseases. We perform extensive semi-simulated experiments on large control samples (UK Biobank, N =4403) to precisely quantify performance under various conditions, including varying degrees of brain atrophy, different levels of heterogeneity, overlapping disease subtypes, class imbalance, and varying sample sizes. We apply MAGIC to MCI and Alzheimer’s disease (ADNI, N =1728) and schizophrenia (PHENOM, N =1166) patients to dissect their neuroanatomical heterogeneity, providing guidance regarding the use of the semi-simulated experiments to validate the subtypes found in actual clinical applications. Graphical abstract
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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 | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,004 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 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 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 ».