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Graph Autoencoders for Embedding Learning in Brain Networks and Major Depressive Disorder Identification

连接体 计算机科学 判别式 图形 深度学习 人工智能 图嵌入 卷积神经网络 功能磁共振成像 模式识别(心理学) 自编码 嵌入 特征学习 机器学习 理论计算机科学 神经科学 功能连接 心理学
作者
Fuad Noman,Chee‐Ming Ting,Hakmook Kang,Raphaël C.‐W. Phan,Hernando Ombao
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:28 (3): 1644-1655 被引量:54
标识
DOI:10.1109/jbhi.2024.3351177
摘要

Brain functional connectivity (FC) networks inferred from functional magnetic resonance imaging (fMRI) have shown altered or aberrant brain functional connectome in various neuropsychiatric disorders. Recent application of deep neural networks to connectome-based classification mostly relies on traditional convolutional neural networks (CNNs) using input FCs on a regular Euclidean grid to learn spatial maps of brain networks neglecting the topological information of the brain networks, leading to potentially sub-optimal performance in brain disorder identification. We propose a novel graph deep learning framework that leverages non-Euclidean information inherent in the graph structure for classifying brain networks in major depressive disorder (MDD). We introduce a novel graph autoencoder (GAE) architecture, built upon graph convolutional networks (GCNs), to embed the topological structure and node content of large fMRI networks into low-dimensional representations. For constructing the brain networks, we employ the Ledoit-Wolf (LDW) shrinkage method to efficiently estimate high-dimensional FC metrics from fMRI data. We explore both supervised and unsupervised techniques for graph embedding learning. The resulting embeddings serve as feature inputs for a deep fully-connected neural network (FCNN) to distinguish MDD from healthy controls (HCs). Evaluating our model on resting-state fMRI MDD dataset, we observe that the GAE-FCNN outperforms several state-of-the-art methods for brain connectome classification, achieving the highest accuracy when using LDW-FC edges as node features. The graph embeddings of fMRI FC networks also reveal significant group differences between MDD and HCs. Our framework demonstrates the feasibility of learning graph embeddings from brain networks, providing valuable discriminative information for diagnosing brain disorders.
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