Deep Learning-Based Parameter Estimation for Neurophysiological Models of Neuroimaging Data
Notice bibliographique
Résumé
A bstract Connectome-based neural mass modelling is the emerging computational neuroscience paradigm for simulating large-scale network dynamics observed in whole-brain activity measurements such as fMRI, M/EEG, and related techniques. Estimating physiological parameters by fitting these models to empirical data is challenging however, due to large network sizes, often physiologically detailed fast-timescale system equations, and the need for long (e.g. tens of minutes) simulation runs. Here we introduce a novel approach to connectome-based neural mass model parameter estimation by employing optimization tools developed for deep learning. We cast the system of differential equations representing both neural and haemodynamic activity dynamics as a deep neural network, implemented within a widely used machine learning programming environment (PyTorch). This allows us to use robust industry-standard optimization algorithms, automatic differentiation for computation of gradients, and other useful functionality. The approach is demonstrated using a connectome-based network with nodal dynamics specified by the two-state RWW mean-field neural mass model equations, which we use here as a model of fMRI-measured activity and correlation fluctuations. Additional optimization constraints are explored and prove fruitful, including restricting the model to domains of parameter space near a bifurcation point that yield metastable dynamics. Using these techniques, we first show robust recovery of physiological model parameters in synthetic data and then, as a proof-of-principle, apply the framework to modelling of empirical resting-state fMRI data from the Human Connectome Project database. For resting state activity, the system can be understood as a deep net that receives uncorrelated noise on its input layer, which is transformed into network-wide modelled functional connectivity on its output layer. This is consistent with the prevailing conception in theoretical neuroscience of resting-state functional connectivity patterns as an emergent phenomenon that is driven by (effectively) random activity fluctuations, which are then in turn spatiotemporally filtered by anatomical connectivity and local neural dynamics.
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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 | 0,002 | 0,010 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| 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 | 0,003 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 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 ».