An Explainable Geometric-Weighted Graph Attention Network for Identifying Functional Networks Associated with Gait Impairment

连接体 步态 计算机科学 成对比较 物理医学与康复 功能连接 图形 人工智能 机器学习 神经科学 心理学 理论计算机科学 医学
作者
Favour Nerrise,Qingyu Zhao,Kathleen L. Poston,Kilian M. Pohl,Ehsan Adeli
出处
期刊:Lecture Notes in Computer Science 卷期号:: 723-733 被引量:2
标识
DOI:10.1007/978-3-031-43895-0_68
摘要

One of the hallmark symptoms of Parkinson's Disease (PD) is the progressive loss of postural reflexes, which eventually leads to gait difficulties and balance problems. Identifying disruptions in brain function associated with gait impairment could be crucial in better understanding PD motor progression, thus advancing the development of more effective and personalized therapeutics. In this work, we present an explainable, geometric, weighted-graph attention neural network (xGW-GAT) to identify functional networks predictive of the progression of gait difficulties in individuals with PD. xGW-GAT predicts the multi-class gait impairment on the MDS-Unified PD Rating Scale (MDS-UPDRS). Our computational- and data-efficient model represents functional connectomes as symmetric positive definite (SPD) matrices on a Riemannian manifold to explicitly encode pairwise interactions of entire connectomes, based on which we learn an attention mask yielding individual- and group-level explain-ability. Applied to our resting-state functional MRI (rs-fMRI) dataset of individuals with PD, xGW-GAT identifies functional connectivity patterns associated with gait impairment in PD and offers interpretable explanations of functional subnetworks associated with motor impairment. Our model successfully outperforms several existing methods while simultaneously revealing clinically-relevant connectivity patterns. The source code is available at https://github.com/favour-nerrise/xGW-GAT.

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