How to identify and characterize functional brain networks (BN) is fundamental to gain system-level insights into the mechanisms of brain organizational architecture. Current functional magnetic resonance (fMRI) analysis highly relies on prior knowledge of specific patterns in either spatial (e.g., resting-state network) or temporal (e.g., task stimulus) domain. In addition, most approaches aim to find group-wise common functional networks, individual-specific functional networks have been rarely studied. In this work, we propose a novel Twin-Transformers framework to simultaneously infer common and individual functional networks in both spatial and temporal space, in a self-supervised manner. The first transformer takes space-divided information as input and generates spatial features, while the second transformer takes time-related information as input and outputs temporal features. The spatial and temporal features are further separated into common and individual ones via interactions (weights sharing) and constraints between the two transformers. We applied our TwinTransformers to Human Connectome Project (HCP) motor task-fMRI dataset and identified multiple common brain networks, including both task-related and resting-state networks (e.g., default mode network). Interestingly, we also successfully recovered a set of individual-specific networks that are not related to task stimulus and only exist at the individual level.


翻译:如何识别和定性功能性脑网络(BN)对于获得对大脑组织结构机制的系统层面洞察力至关重要。当前功能性磁共振(fMRI)分析高度依赖对空间(例如休息状态网络)或时间(例如任务刺激)领域特定模式的先前知识。此外,大多数方法的目的是寻找群体性共同功能网络,很少研究个人特有功能网络。在这项工作中,我们提议了一个全新的双轨式转移者框架,以自我监督的方式同时推导空间和时间空间空间空间的共同和单独功能网络。第一个变异器将空间化信息作为输入并生成空间特征,而第二个变异器则将时间相关信息作为输入和输出时间性特征。空间和时间性特征通过两个变异器之间的互动(重量共享)和制约进一步分离为共同和个别的。我们将双轨式变异器应用到人类连接项目(HCP)的发动机任务-fMRI数据集,并确定了多个共同的脑网络,包括任务相关和休息状态网络,而我们又成功地确定了一个单个和默认型网络。

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