Objectives: Functional connectivity triggered by naturalistic stimulus (e.g., movies) and machine learning techniques provide a great insight in exploring the brain functions such as fluid intelligence. However, functional connectivity are considered to be multi-layered, while traditional machine learning based on individual models not only are limited in performance, but also fail to extract multi-dimensional and multi-layered information from brain network. Methods: In this study, inspired by multi-layer brain network structure, we propose a new method namely Weighted Ensemble-model and Network Analysis, which combines the machine learning and graph theory for improved fluid intelligence prediction. Firstly, functional connectivity analysis and graphical theory were jointly employed. The functional connectivity and graphical indices computed using the preprocessed fMRI data were then all fed into auto-encoder parallelly for feature extraction to predict the fluid intelligence. In order to improve the performance, tree regression and ridge regression model were automatically stacked and fused with weighted values. Finally, layers of auto-encoder were visualized to better illustrate the connectome patterns, followed by the evaluation of the performance to justify the mechanism of brain functions. Results: Our proposed methods achieved best performance with 3.85 mean absolute deviation, 0.66 correlation coefficient and 0.42 R-squared coefficient, outperformed other state-of-the-art methods. It is also worth noting that, the optimization of the biological pattern extraction was automated though the auto-encoder algorithm. Conclusion: The proposed method not only outperforming the state-of-the-art reports, but also able to effectively capturing the biological patterns from functional connectivity during naturalistic movies state for potential clinical explorations.


翻译:目标: 由自然刺激(例如电影)和机器学习技术引发的功能连通性,为探索流体智能等大脑功能提供了深刻的洞察力。然而,功能连通性被认为是多层次的,而基于单个模型的传统机器学习不仅在性能上受到限制,而且未能从大脑网络中提取多维和多层信息。方法:在本研究中,在多层大脑网络结构的启发下,我们提出了一种新的方法,即“重力组合模型和网络分析”,它结合了机器学习和图形理论,以改进流体智能预测。首先,功能连通性分析和图形理论被联合使用。功能连通性和图形理论被认为是多层次的,而使用预处理的FMMRI模型数据计算出来的功能连通性和图形指数,后来都被同时输入自动编码,用于提取功能智能智能智能智能信息。为了提高性能、树回归和峰值回归模型的自动堆叠,最后,将自动编码层的层显示更能显示连接性模型模式,随后是用于为大脑功能机制的运行评估。结果: 以绝对的勘探方法, 也实现了 0.85 和精确的精确的比值。

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