Classification of brain activity using synolitic networks

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Because the brain is an extremely complex hypernet of interacting macroscopic subnetworks, full-scale analysis of brain activity is a daunting task. Nevertheless, this task can be greatly simplified by analysing the correspondence between various patterns of macroscopic brain activity, for example, through functional magnetic resonance imaging (fMRI) scans, and the performance of particular cognitive tasks or pathological states. The purpose of this work is to present and validate a methodology of representing fMRI data in the form of graphs that effectively convey valuable insights into the interconnectedness of brain region activity for subsequent classification purposes. Methods. This paper explores the application of synolitic networks in the analysis of brain activity. We propose a method for constructing a graph, the vertices of which reflect fMRI voxels’ values, and the edges and edge weights reflect the relationships between fMRI voxels. Results and Conclusion. Based on the classification of fMRI data by graph properties, the effectiveness of the method in conveying important information for classification in the construction of graphs was shown.

About the authors

Daniil Vladimirovich Vlasenko

Saint Petersburg State University

ORCID iD: 0009-0002-4867-2896
7/9 Universitetskaya Emb., 199034 , Saint Petersburg , Russia

Aleksei Anatolevich Zaikin

University College London

ORCID iD: 0000-0001-7540-1130
ResearcherId: K-6581-2017
University College London, Gower Street, London, UK

Denis Gennadevich Zakharov

National Research University "Higher School of Economics"

ORCID iD: 0000-0003-4367-8965
SPIN-code: 8021-2904
Scopus Author ID: 26435617000
ResearcherId: Q-1962-2015
ul. Myasnitskaya 20, Moscow, 101000, Russia

References

  1. Ogawa S, Lee TM, Kay AR, Tank DW. Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1990;87(24):9868–9872. doi: 10.1073/pnas.87.24.9868.
  2. Singleton MJ. Functional magnetic resonance imaging. Yale J. Biol. Med. 2009;82(4):233.
  3. Gao JS, Huth AG, Lescroart MD, Gallant JL. Pycortex: an interactive surface visualizer for fMRI. Frontiers in Neuroinformatics. 2015;9:23. doi: 10.3389/fninf.2015.00023.
  4. Li X, Dvornek NC, Zhou Y, Zhuang J, Ventola P, Duncan JS. Graph neural network for interpreting task-fMRI biomarkers. In: Shen D, Liu T, Peters TM, Staib LH, Essert C, Zhou S, Yap PT, Khan A, editors. Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention – MICCAI 2019. MICCAI 2019. Vol. 11678 of Lecture Notes in Computer Science. Cham: Springer; 2019. P. 485–493. doi: 10.1007/978-3-030-32254-0_54.
  5. Saueressig C, Berkley A, Munbodh R, Singh R. A joint graph and image convolution network for automatic brain tumor segmentation. In: Crimi A, Bakas S, editors. Brainlesion: Glioma, Multiple Sclerosis, Stroke and Traumatic Brain Injuries. BrainLes 2021. Vol. 12962 of Lecture Notes in Computer Science. Cham: Springer; 2022. P. 356–365. doi: 10.1007/978-3-031-08999-2_30.
  6. Anderson A, Cohen MS. Decreased small-world functional network connectivity and clustering across resting state networks in schizophrenia: an fMRI classification tutorial. Frontiers in Human Neuroscience. 2013;7:520. doi: 10.3389/fnhum.2013.00520.
  7. Kim BH, Ye JC. Understanding graph isomorphism network for rs-fMRI functional connectivity analysis. Frontiers in Neuroscience. 2020;14:630. doi: 10.3389/fnins.2020.00630.
  8. Nazarenko T, Whitwell HJ, Blyuss O, Zaikin A. Parenclitic and synolytic networks revisited. Frontiers in Genetics. 2021;12:733783. doi: 10.3389/fgene.2021.733783.
  9. Horikawa T, Kamitani Y. Generic Object Decoding (fMRI on ImageNet) [Electronic resource]. OpenNeuro. 2019. No. ds001246. doi: 10.18112/openneuro.ds001246.v1.2.1.
  10. Pedregosa F, Varoquaux G, Gramfort A, Michel V, Thirion B, Grisel O, Blondel M, Prettenhofer P, Weiss R, Dubourg V, Vanderplas J, Passos A, Cournapeau D, Brucher M, Perrot M, Duchesnay E. ´ Scikit-learn: Machine learning in Python. Journal of Machine Learning Research. 2011;12(85): 2825–2830.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».