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Enregistrement W3155150813 · doi:10.1101/2021.04.19.440501

Multi-scale semi-supervised clustering of brain images: deriving disease subtypes

2021· preprint· en· W3155150813 sur OpenAlexfundno aff
Junhao Wen, Erdem Varol, Aristeidis Sotiras, Zhijian Yang, Ganesh B. Chand, Güray Erus, Haochang Shou, Ahmed Abdulkadir, Gyujoon Hwang, Dominic Dwyer, Alessandro Pigoni, Paola Dazzan, René S. Kahn, Hugo G. Schnack, Marcus V. Zanetti, Eva Meisenzahl, Geraldo F. Busatto, Benedicto Crespo‐Facorro, Christos Pantelis, Stephen J. Wood, Chuanjun Zhuo, Russell T. Shinohara, Yong Fan, Ruben C. Gur, Raquel E. Gur, Theodore D. Satterthwaite, Nikolaos Koutsouleris, Daniel H. Wolf

Notice bibliographique

RevuebioRxiv (Cold Spring Harbor Laboratory) · 2021
Typepreprint
Langueen
DomaineComputer Science
ThématiqueMachine Learning in Healthcare
Établissements canadiensnon disponible
Organismes subventionnairesNational Institute of Biomedical Imaging and BioengineeringCanadian Institutes of Health ResearchNational Institutes of HealthGenentechIXICOH. Lundbeck A/SServierEisaiNorthern California Institute for Research and EducationPfizerBiogenBioClinicaF. Hoffmann-La RocheUniversity of Southern CaliforniaEuropean CommissionEli Lilly and CompanyU.S. Department of DefenseMeso Scale DiagnosticsAlzheimer's Disease Neuroimaging InitiativeNovartis Pharmaceuticals CorporationBristol-Myers SquibbNational Institute on AgingAlzheimer's AssociationFoundation for the National Institutes of Health
Mots-clésCluster analysisComputer scienceArtificial intelligencePattern recognition (psychology)Scale (ratio)Identification (biology)Machine learningData miningBiologyCartographyGeography

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

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

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction distillée sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni 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.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,001
Version: codex-gemma-dda1882f352aStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesMéta-épidémiologie (sens strict)
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Expérimental (laboratoire) · Signal consensuel: aucune
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,714
Score d'incertitude au seuil0,999

Scores Codex et Gemma par catégorie

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,000
Bibliométrie0,0000,001
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0020,004
Intégrité de la recherche0,0000,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0000,000

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.

Tête enseignante Opus0,017
Tête enseignante GPT0,251
Écart entre enseignants0,234 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_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 découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.

Devis d'étudeExpérimental (laboratoire)
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations7
Publié2021
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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