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Enregistrement W4385794187 · doi:10.1101/2023.08.12.553067

Whole-Brain Causal Discovery Using fMRI

2023· preprint· en· W4385794187 sur OpenAlexafffund
Fahimeh Arab, AmirEmad Ghassami, Hamidreza Jamalabadi, Megan A. K. Peters, Erfan Nozari

Notice bibliographique

RevuebioRxiv (Cold Spring Harbor Laboratory) · 2023
Typepreprint
Langueen
DomaineNeuroscience
ThématiqueFunctional Brain Connectivity Studies
Établissements canadiensCanadian Institute for Advanced Research
Organismes subventionnairesCanadian Institute for Advanced ResearchNational Science Foundation
Mots-clésGranger causalityComputer scienceCausal modelCausality (physics)Human Connectome ProjectConnectomeResting state fMRIConditional independenceDefault mode networkArtificial intelligenceMachine learningCausal inferenceScalabilityCausal structureEconometricsPsychologyFunctional magnetic resonance imagingFunctional connectivityMathematicsNeuroscienceStatistics

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

ABSTRACT Despite significant research, discovering causal relationships from fMRI remains a challenge. Popular methods such as Granger Causality and Dynamic Causal Modeling fall short in handling contemporaneous effects and latent common causes. Methods from causal structure learning literature can address these limitations but often scale poorly with network size and need acyclicity. In this study, we first provide a taxonomy of existing methods and compare their accuracy and efficiency on simulated fMRI from simple topologies. This analysis demonstrates a pressing need for more accurate and scalable methods, motivating the design of Causal discovery for Large-scale Low-resolution Time-series with Feedback (CaLLTiF). CaLLTiF is a constraint-based method that uses conditional independence between contemporaneous and lagged variables to extract causal relationships. On simulated fMRI from the macaque connectome, CaLLTiF achieves significantly higher accuracy and scalability than all tested alternatives. From resting-state human fMRI, CaLLTiF learns causal connectomes that are highly consistent across individuals, show clear top-down flow of causal effect from attention and default mode to sensorimotor networks, exhibit Euclidean distance-dependence in causal interactions, and are highly dominated by contemporaneous effects. Overall, this work takes a major step in enhancing causal discovery from whole-brain fMRI and defines a new standard for future investigations. AUTHOR SUMMARY Discovering causal relationships from fMRI data is challenging due to contemporaneous effects and latent causes. Popular methods like Granger Causality and Dynamic Causal Modeling struggle with these issues, especially in large networks. To address this, we introduce CaLLTiF, a scalable method that uses both lagged and contemporaneous variables to identify causal relationships. CaLLTiF outperforms various existing techniques in accuracy and scalability on simulated fMRI data. When applied to human resting-state fMRI, it reveals consistent and biologically-plausible patterns across individuals, with a clear top-down causal flow from attention and default mode networks to sensorimotor areas. Overall, this work advances the field of causal discovery in large-scale fMRI studies.

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 machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni 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.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,003
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,014
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Expérimental (laboratoire) · Signal consensuel: aucune
GenreSignal candidat: Méthodes · Signal consensuel: Méthodes
Score de désaccord entre enseignants0,004
Score d'incertitude au seuil0,015

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0030,014
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0000,001
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0010,002
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0030,000

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 Opus0,058
Tête enseignante GPT0,266
Écart entre enseignants0,209 · 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 source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeExpérimental (laboratoire)
Domainenon disponible
GenreMéthodes

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

En bref

Citations1
Publié2023
Routes d'admission2
Résumé présentoui

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