Functional connectivity (FC) between regions of the brain is commonly estimated through statistical dependency measures applied to functional magnetic resonance imaging (fMRI) data. The resulting functional connectivity matrix (FCM) is often taken to represent the adjacency matrix of a brain graph. Recently, graph neural networks (GNNs) have been successfully applied to FCMs to learn brain graph representations. A common limitation of existing GNN approaches, however, is that they require the graph adjacency matrix to be known prior to model training. As such, it is implicitly assumed the ground-truth dependency structure of the data is known. Unfortunately, for fMRI this is not the case as the choice of which statistical measure best represents the dependency structure of the data is non-trivial. Also, most GNN applications to fMRI assume FC is static over time, which is at odds with neuroscientific evidence that functional brain networks are time-varying and dynamic. These compounded issues can have a detrimental effect on the capacity of GNNs to learn representations of brain graphs. As a solution, we propose Dynamic Brain Graph Structure Learning (DBGSL), a supervised method for learning the optimal time-varying dependency structure of fMRI data. Specifically, DBGSL learns a dynamic graph from fMRI timeseries via spatial-temporal attention applied to brain region embeddings. The resulting graph is then fed to a spatial-temporal GNN to learn a graph representation for classification. Experiments on large resting-state as well as task fMRI datasets for the task of gender classification demonstrate that DBGSL achieves state-of-the-art performance. Moreover, analysis of the learnt dynamic graphs highlights prediction-related brain regions which align with findings from existing neuroscience literature.


翻译:通常通过对功能磁共振成像(fMRI)数据应用的统计依赖度测量,来估计大脑区域之间的功能连接。由此得出的功能连接矩阵(FCM)往往被理解为代表大脑图的相近矩阵。最近,图形神经网络(GNNs)成功地应用到功能内存中学习大脑图示。但是,现有的GNN方法的一个共同局限性是,它们要求在模型培训之前了解图形相近矩阵。因此,它暗含地假设数据对地图的依赖性结构。不幸的是,对于FMRI而言,FMRI的功能连接性矩阵(FCM)往往被理解为代表大脑图的匹配性矩阵矩阵。我们建议采用动态内存数据测量数据结构(DGGSLL),监督FNNNN对FC的应用程序是固定的,这与神经科学证据表明,功能脑网络的功能变化和动态矩阵关系。这些复杂问题可能会对GNNFCS的配置能力产生有害影响。作为解决方案,我们建议采用动态内建图结构的动态直径直径直径直径直径直径直径直径分析。

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