Human brains lie at the core of complex neurobiological systems, where the neurons, circuits, and subsystems interact in enigmatic ways. Understanding the structural and functional mechanisms of the brain has long been an intriguing pursuit for neuroscience research and clinical disorder therapy. Mapping the connections of the human brain as a network is one of the most pervasive paradigms in neuroscience. Graph Neural Networks (GNNs) have recently emerged as a potential method for modeling complex network data. Deep models, on the other hand, have low interpretability, which prevents their usage in decision-critical contexts like healthcare. To bridge this gap, we propose an interpretable framework to analyze disorder-specific Regions of Interest (ROIs) and prominent connections. The proposed framework consists of two modules: a brain-network-oriented backbone model for disease prediction and a globally shared explanation generator that highlights disorder-specific biomarkers including salient ROIs and important connections. We conduct experiments on three real-world datasets of brain disorders. The results verify that our framework can obtain outstanding performance and also identify meaningful biomarkers. All code for this work is available at https://github.com/HennyJie/IBGNN.git.


翻译:人类大脑处于复杂的神经生物系统的核心,神经元、电路和子系统在其中相互作用。了解大脑的结构和功能机制长期以来一直是对神经科学研究和临床紊乱疗法的一种令人感兴趣的追求。将人类大脑作为网络进行绘图是神经科学中最普遍的范例之一。图形神经网络(GNNs)最近成为建模复杂网络数据的一个潜在方法。深层模型的可解释性较低,因此无法在保健等决策关键环境中使用。为了缩小这一差距,我们提议了一个可解释的框架,以分析特定神经科学研究和临床疾病治疗领域以及突出的连接。拟议框架由两个模块组成:一个面向大脑的疾病预测骨干模型和一个全球共享的解释生成器,以突出特定疾病的生物标志,包括显著的RONIs和重要的连接。我们在三个真实世界的脑疾病数据集上进行实验。结果证实我们的框架能够取得杰出的性能,并识别有意义的生物标志。这项工作的所有代码都可在 https://gibis/HING.com/HINYJie.

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