Recently, it has become progressively more evident that classic diagnostic labels are unable to reliably describe the complexity and variability of several clinical phenotypes. This is particularly true for a broad range of neuropsychiatric illnesses (e.g., depression, anxiety disorders, behavioral phenotypes). Patient heterogeneity can be better described by grouping individuals into novel categories based on empirically derived sections of intersecting continua that span across and beyond traditional categorical borders. In this context, neuroimaging data carry a wealth of spatiotemporally resolved information about each patient's brain. However, they are usually heavily collapsed a priori through procedures which are not learned as part of model training, and consequently not optimized for the downstream prediction task. This is because every individual participant usually comes with multiple whole-brain 3D imaging modalities often accompanied by a deep genotypic and phenotypic characterization, hence posing formidable computational challenges. In this paper we design a deep learning architecture based on generative models rooted in a modular approach and separable convolutional blocks to a) fuse multiple 3D neuroimaging modalities on a voxel-wise level, b) convert them into informative latent embeddings through heavy dimensionality reduction, c) maintain good generalizability and minimal information loss. As proof of concept, we test our architecture on the well characterized Human Connectome Project database demonstrating that our latent embeddings can be clustered into easily separable subject strata which, in turn, map to different phenotypical information which was not included in the embedding creation process. This may be of aid in predicting disease evolution as well as drug response, hence supporting mechanistic disease understanding and empowering clinical trials.


翻译:最近,越来越明显的是,经典诊断标签无法可靠地描述多种临床表型的复杂性和可变性。这对许多神经精神疾病(例如抑郁症、焦虑症、行为表型)尤其正确。患者的异质性可以通过将个体根据经验派生的交织连续的新类别分组来更好地描述,这些类别跨越和超越传统的分类边界。在这种情况下,神经影像数据携带有关每个患者大脑的丰富的时空分辨率信息。但是,它们通常经过重复折叠,这些过程不是作为模型训练的一部分而学习的,因此不能针对下游预测任务进行优化。这是因为每个个人参与者通常携带多种全脑三维成像模态,通常还附带有深层基因型和表型特征,因此构成了巨大的计算挑战。在本文中,我们设计了一种基于生成模型的深度学习架构,该架构基于模块化方法和可分卷积块,实现了以下目标:a) 在像素级别融合多个3D神经成像模态,b) 通过大幅度的降维将其转换为有信息量的潜在嵌入,c) 维持良好的通用性和最少的信息损失。作为概念验证,我们在深度特征空间上对其进行了聚类,证明了我们的潜在嵌入可以被聚成容易分离的主题层次结构,这些层次结构对应于不包括在嵌入创建过程中的不同表型信息。这可能有助于预测疾病演变以及药物反应,从而支持机械疾病理解并增强临床试验的能力。

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