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Enregistrement W4405035644 · doi:10.48550/arxiv.2412.01865

Enhancing Brain Age Estimation with a Multimodal 3D CNN Approach Combining Structural MRI and AI-Synthesized Cerebral Blood Volume Measures

2024· preprint· en· W4405035644 sur OpenAlexfundno aff
Jordan Jomsky, Zongyu Li, Yiren Zhang, Jia Guo

Notice bibliographique

RevuearXiv (Cornell University) · 2024
Typepreprint
Langueen
DomaineNeuroscience
ThématiqueBrain Tumor Detection and Classification
Établissements canadiensnon disponible
Organismes subventionnairesCanadian Institutes of Health ResearchNational Institutes of HealthGenentechIXICOH. Lundbeck A/SServierEisaiCommonwealth Scientific and Industrial Research OrganisationNorthern California Institute for Research and EducationPfizerNovartis Pharmaceuticals CorporationUniversity of Southern CaliforniaBiogenEli Lilly and CompanyBristol-Myers SquibbBioClinicaU.S. Department of DefenseAlzheimer's Disease Neuroimaging InitiativeMeso Scale DiagnosticsAlzheimer's Association
Mots-clésVolume (thermodynamics)Cerebral blood volumeBrain sizeArtificial intelligenceComputer sciencePattern recognition (psychology)EstimationNeuroimagingNeuroscienceMagnetic resonance imagingMedicinePsychologyRadiologyEngineeringPhysics

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Abstract Brain age gap estimation (BrainAGE) is a promising imaging-derived biomarker of neurobiological ageing and disease risk, yet current approaches rely predominantly on T1-weighted structural MRI, overlooking functional vascular changes that may precede tissue damage and cognitive decline. Deep learning-derived cerebral blood volume (DeepCBV) maps, synthesized from non-contrast MRI, offer a scalable alternative to contrast-enhanced perfusion imaging by capturing vascular information relevant to early neurodegeneration. We developed a multimodal BrainAGE framework that combines predictions from two separate three-dimensional convolutional neural networks: one trained only on structural MRI scans and another trained only on DeepCBV maps generated by a pre-trained three-dimensional patch-based deep learning model. Each model was trained and validated on 2851 scans (1507 females) from 13 open-source datasets and was evaluated for concordance with mild cognitive impairment (MCI) and Alzheimer’s disease (AD) using 1233 subjects. The combined model achieved the most accurate brain age gap for cognitively normal (CN) controls, with a mean absolute error of 3.95 years (R2 = 0.943), outperforming models trained on MRI (mean absolute error = 4.10) or DeepCBV alone (mean absolute error = 4.49). Saliency maps revealed complementary modality contributions: MRI emphasized white matter and cortical atrophy, while DeepCBV highlighted vascular-rich and periventricular regions implicated in hypoperfusion and early cerebrovascular dysfunction, consistent with known patterns of normal ageing. Next, we observed that BrainAGE increased stepwise across diagnostic strata (CN < MCI < AD) and correlated with cognitive impairment (Clinical Dementia Rating Sum of Boxes ⍴ = 0.403; Mini-Mental State Examination ⍴ = −0.310). DeepCBV-based BrainAGE showed a particularly strong separation between stable versus progressive MCI (Mann–Whitney U = 2.177 × 104, P = 4.43 × 10−8), suggesting sensitivity to prodromal vascular changes that precede overt atrophy. Integrating structural MRI with deep learning-derived vascular measures substantially enhances BrainAGE estimation and improves sensitivity to MCI and Alzheimer’s disease progression, supporting its potential role in risk stratification, early detection and monitoring of therapeutic response. By enabling a functional-like assessment from routine MRI, this approach lowers barriers to multimodal evaluation and provides a clinically actionable biomarker for large-scale ageing and dementia 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)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,001
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Méthodes · Signal consensuel: Méthodes
Score de désaccord entre enseignants0,010
Score d'incertitude au seuil0,020

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

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

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 Opus0,052
Tête enseignante GPT0,201
Écart entre enseignants0,149 · 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'étudeSimulation ou modélisation
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

Citations0
Publié2024
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Résumé présentoui

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