BrainGNN: Interpretable Brain Graph Neural Network for fMRI Analysis

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作者
Xiaoxiao Li,Yuan Zhou,Nicha C. Dvornek,Muhan Zhang,Siyuan Gao,Jian Zhuang,Dustin Scheinost,Lawrence H. Staib,Pamela Ventola,James S. Duncan
出处
期刊:Medical Image Analysis [Elsevier]
卷期号:74: 102233-102233 被引量:206
标识
DOI:10.1016/j.media.2021.102233
摘要

Understanding which brain regions are related to a specific neurological disorder or cognitive stimuli has been an important area of neuroimaging research. We propose BrainGNN, a graph neural network (GNN) framework to analyze functional magnetic resonance images (fMRI) and discover neurological biomarkers. Considering the special property of brain graphs, we design novel ROI-aware graph convolutional (Ra-GConv) layers that leverage the topological and functional information of fMRI. Motivated by the need for transparency in medical image analysis, our BrainGNN contains ROI-selection pooling layers (R-pool) that highlight salient ROIs (nodes in the graph), so that we can infer which ROIs are important for prediction. Furthermore, we propose regularization terms-unit loss, topK pooling (TPK) loss and group-level consistency (GLC) loss-on pooling results to encourage reasonable ROI-selection and provide flexibility to encourage either fully individual- or patterns that agree with group-level data. We apply the BrainGNN framework on two independent fMRI datasets: an Autism Spectrum Disorder (ASD) fMRI dataset and data from the Human Connectome Project (HCP) 900 Subject Release. We investigate different choices of the hyper-parameters and show that BrainGNN outperforms the alternative fMRI image analysis methods in terms of four different evaluation metrics. The obtained community clustering and salient ROI detection results show a high correspondence with the previous neuroimaging-derived evidence of biomarkers for ASD and specific task states decoded for HCP. Our code is available at https://github.com/xxlya/BrainGNN_Pytorch.
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