Representational learning of brain responses in executive function and higher-order cognition using deep graph convolutions
Notice bibliographique
Résumé
Abstract Brain decoding aims to infer human cognition from recordings of neural activity using modern neuroimaging techniques. Studies so far often concentrated on a limited number of cognitive states and aimed to classifying patterns of brain activity within a local area. This procedure demonstrated a great success on classifying motor and sensory processes but showed limited power over higher cognitive functions. In this work, we investigate a high-order graph convolution model, named ChebNet, to model the segregation and integration organizational principles in neural dynamics, and to decode brain activity across a large number of cognitive domains. By leveraging our prior knowledge on brain organization using a graph-based model, ChebNet graph convolution learns a new representation from task-evoked neural activity, which demonstrates a highly predictive signature of cognitive states and task performance. Our results reveal that between-network integration significantly boosts the decoding of high-order cognition such as visual working memory tasks, while the segregation of localized brain activity is sufficient to classify motor and sensory processes. Using twin and family data from the Human Connectome Project (n = 1,070), we provide evidence that individual variability in the graph representations of working-memory tasks are under genetic control and strongly associated with participants in-scanner behaviors. These findings uncover the essential role of functional integration in brain decoding, especially when decoding high-order cognition other than sensory and motor functions. Teaser Modelling functional integration through graph convolution is a necessary step towards decoding high-order human cognition. Significance statement Over the past two decades, many studies have applied multivariate pattern analysis to decode what task a human participant is performing, based on a scan of her brain. The vast majority of these studies have however concentrated on select regions and a specific domain, because of the computational complexity of handling full brain data in a multivariate model. With the fast progress in the field of deep learning, it is now possible to decode a variety of cognitive domains simultaneously using a full-brain model. By leveraging our prior knowledge on brain organization using a graph-based model, we uncovered different organizational principles in brain decoding for motor execution and high-order cognition by modelling functional integration through graph convolution.
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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 | 0,003 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 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 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 ».