A plethora of machine learning methods have been applied to imaging data, enabling the construction of clinically relevant imaging signatures of neurological and neuropsychiatric diseases. Oftentimes, such methods don't explicitly model the heterogeneity of disease effects, or approach it via nonlinear models that are not interpretable. Moreover, unsupervised methods may parse heterogeneity that is driven by nuisance confounding factors that affect brain structure or function, rather than heterogeneity relevant to a pathology of interest. On the other hand, semi-supervised clustering methods seek to derive a dichotomous subtype membership, ignoring the truth that disease heterogeneity spatially and temporally extends along a continuum. To address the aforementioned limitations, herein, we propose a novel method, termed Surreal-GAN (Semi-SUpeRvised ReprEsentAtion Learning via GAN). Using cross-sectional imaging data, Surreal-GAN dissects underlying disease-related heterogeneity under the principle of semi-supervised clustering (cluster mappings from normal control to patient), proposes a continuously dimensional representation, and infers the disease severity of patients at individual level along each dimension. The model first learns a transformation function from normal control (CN) domain to the patient (PT) domain with latent variables controlling transformation directions. An inverse mapping function together with regularization on function continuity, pattern orthogonality and monotonicity was also imposed to make sure that the transformation function captures necessarily meaningful imaging patterns with clinical significance. We first validated the model through extensive semi-synthetic experiments, and then demonstrate its potential in capturing biologically plausible imaging patterns in Alzheimer's disease (AD).


翻译:对成像数据应用了过多的机器学习方法,从而可以构建与临床相关的神经和神经精神疾病成像信号。 通常,这种方法并不明确地模拟疾病效应的异质性, 或通过无法解释的非线性模型来接近它。 此外, 未经监督的方法可能会分析影响大脑结构或功能的异质性, 而不是与感兴趣的病理学相关的异质性。 另一方面, 半监督的组群方法试图产生分异性子型成份, 忽略疾病异质性在空间和时间上随一个连续体扩展。 为了应对上述限制, 我们提出了一种新型方法, 称为Surreal-GAN( 半线性- supepected RepreptionAent Learledge) 。 使用跨部模型的成像数据, Surreal-GAN 将与疾病相关的异性性直系性直系性直系性, 在半线性CN 类比型分组原则下, 忽略了疾病异性超异性性性模式的成型结构模式, 和直径直径直系函数在正常变变型的正常变型中, 性变形功能中, 学习 。

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