GATE: Graph CCA for Temporal Self-Supervised Learning for Label-Efficient fMRI Analysis

功能磁共振成像 计算机科学 人工智能 杠杆(统计) 图形 模式识别(心理学) 机器学习 人口 卷积神经网络 理论计算机科学 神经科学 心理学 社会学 人口学
作者
Liang Peng,Nan Wang,Jie Xu,Xiaofeng Zhu,Xiaoxiao Li
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:42 (2): 391-402 被引量:29
标识
DOI:10.1109/tmi.2022.3201974
摘要

In this work, we focus on the challenging task, neuro-disease classification, using functional magnetic resonance imaging (fMRI). In population graph-based disease analysis, graph convolutional neural networks (GCNs) have achieved remarkable success. However, these achievements are inseparable from abundant labeled data and sensitive to spurious signals. To improve fMRI representation learning and classification under a label-efficient setting, we propose a novel and theory-driven self-supervised learning (SSL) framework on GCNs, namely Graph CCA for Temporal sElf-supervised learning on fMRI analysis ( GATE ). Concretely, it is demanding to design a suitable and effective SSL strategy to extract formation and robust features for fMRI. To this end, we investigate several new graph augmentation strategies from fMRI dynamic functional connectives (FC) for SSL training. Further, we leverage canonical-correlation analysis (CCA) on different temporal embeddings and present the theoretical implications. Consequently, this yields a novel two-step GCN learning procedure comprised of (i) SSL on an unlabeled fMRI population graph and (ii) fine-tuning on a small labeled fMRI dataset for a classification task. Our method is tested on two independent fMRI datasets, demonstrating superior performance on autism and dementia diagnosis. Our code is available at https://github.com/LarryUESTC/GATE .
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