دوره 18، شماره 3 - ( 10-1400 )                   جلد 18 شماره 3 صفحات 126-109 | برگشت به فهرست نسخه ها

XML English Abstract Print


Download citation:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:

Hourani O, Moghadam Charkari N, Jalili S. An Ensemble Multiview learning method for visual object decoding from fMRI brain data. JSDP. 2021; 18 (3) :109-126
URL: http://jsdp.rcisp.ac.ir/article-1-1022-fa.html
حورانی اسامه، مقدم چرکری نصر اله، جلیلی سعید. روش یادگیری گروهی چند‌‌وجهی برای کدگشایی اشیاء دیداری از دادگان fMRI مغزی. پردازش علائم و داده‌ها. 1400; 18 (3) :126-109

URL: http://jsdp.rcisp.ac.ir/article-1-1022-fa.html


دانشکده برق و کامپیوتر، دانشگاه تربیت مدرس
چکیده:   (437 مشاهده)
با توجه به گسترش روزافزون پژوهش‌های علوم شناختی، کدگشایی مغز انسان یک موضوع داغ در حوزه علوم عصبشناسی محاسباتی است. در این راستا پژوهش‌های متعددی جهت ارائه روشی کارا و مؤثر برای کدگشایی فعالیت مغز انسان با پردازش دادگان fMRI در حال انجام است. خروجی این روشها به‌طورعمومی معطوف به ارائه یک مدل محاسباتی تعمیمیافته است که امکان تشخیص سیگنال مغزی و تعلق آن به عامل محرک (شیء دیداری) را ارائه می‎دهد. دادگان مغزی دارای ابعاد زمانی و فضایی زیادی هستند که سبب افزایش تعداد ویژگی‌ها نیز می‌شود. همچنین استخراج ویژگیهای مفید از تصاویر مغزی مانند fMRI کاری پیچیده است. این امر سبب طولانی‌شدن عمل هم‌گرایی در الگوریتمهای یادگیری برای ایجاد مدل مناسب می‌شود؛ با توجه به چالش‌های یادشده، روش‌های یادگیری گروهی چندوجهی یک پیشنهاد مناسب برای حل مسأله کدگشایی مغز محسوب می‌شود که تلفیقی مناسب بین ویژگیهای عملکردی متفاوت در دادگان مغزی ایجاد می‌کند. در روش پیشنهادی داده‌های آموزشی بر اساس اطلاعات متقابل در فضای ویژگی خوشه‌بندی می‌شوند، به‌صورتی که فضای ویژگی به چند وجه تفکیک می‌شود؛ سپس روی هر وجهِ ویژگی یک مدل ماشین بردار پشتیبان به‌صورت موازی آموزش داده می‌شود. در مرحله آزمون، فضای ویژگی دادگان آزمون نیز به‌صورت مشابه دادگان آموزش تقسیم می‌شود؛ و هر بردار ویژگی به مدل مربوطه تخصیص داده خواهد شد. از هر مدل یک بردار احتمالاتی تولید می‌شود و با هم‌جوشی این بردارها ماتریس پروفایل تصمیم‌گیری ساخته خواهد شد؛ درنهایت عملگرهای وزن‌دار مرتب‌شده اعمال می‌‌شود. جهت بررسی کارایی رویکرد پیشنهادی از رویکرد اعتبار سنجی متقابل با سناریوی درون فردی استفاده ‌شده است. معیارهایی مانند صحت و ماتریسِ درهم‌ریختگی برای ارزیابی مدل، به‌کار برده شده است. با بررسی عملکرد مدل بر روی هر وجه ویژگی، می‌توان دقت دستهبندی با میانگین  بیش از 50% را به‌دست آورد؛ اما در مدل گروهی نظارتی متوسط صحت تشخیص به بیش از 90 درصد می‌رسد.
متن کامل [PDF 1170 kb]   (97 دریافت)    
نوع مطالعه: كاربردي | موضوع مقاله: مقالات گروه علائم حیاتی ( مرتبط با مهندسی پزشکی)
دریافت: 1398/3/7 | پذیرش: 1400/6/13 | انتشار: 1400/10/30 | انتشار الکترونیک: 1400/10/30

فهرست منابع
1. [1] J. V. Haxby, M. I. Gobbini, M. L. Furey, A. Ishai, J. L. Schouten, and P. Pietrini, "Distributed and Overlapping Representations of Faces and Objects in Ventral Temporal Cortex," Science (80-. )., vol. 293, no. 5539, pp. 2425-2430, 2001. [DOI:10.1126/science.1063736] [PMID]
2. [2] T. Naselaris, K. N. Kay, S. Nishimoto, and J. L. Gallant, "Encoding and decoding in fMRI," Neuroimage, vol. 56, no. 2, pp. 400-410, 2011. [DOI:10.1016/j.neuroimage.2010.07.073] [PMID] [PMCID]
3. [3] H. Uchida et al., "Visual Image Reconstruction from Human Brain Activity using a Combination of Multiscale Local Image Decoders," Neuron, vol. 60, no. 5, pp. 915-929, 2008. [DOI:10.1016/j.neuron.2008.11.004] [PMID]
4. [4] ali mahloojifar, "Classification of Parkinson Disease Based on Inter - and Intra -Regional Biomarkers of the Brain Motor Network Using Resting State fMRI Data," Signal Data Process., vol. 11, no. 2, 2015.
5. [4] قاسمی مهدیه، محلوجی فر علی. طبقه‌بندی بیماری پارکینسون بر مبنای شاخص‌های درون-ناحیه‌ای و بین-ناحیه‌ای شبکه حرکتی مغز با استفاده از دادگان fMRI حالت استراحت . پردازش علائم و داده‌ها. ۱۳۹۳; ۱۱ (۲) :۱۵-۲۹
6. [5] P. Dayan and L. F. Abbott, Theoretical neuroscience: computational and mathematical modeling of neural systems. Computational Neuroscience Series, 2001.
7. [6] J. L. Gallant and K. N. Kay, "I can see what you see.," Nat. Neurosci., vol. 12, no. 3, p. 245, 2009. [DOI:10.1038/nn0309-245] [PMID]
8. [7] N. Branan, "Reading Minds," Sci. Am. Mind, vol. 20, no. 6, pp. 8-8, 2009. [DOI:10.1038/scientificamericanmind1109-8a]
9. [8] O. Sporns, "Network analysis, complexity, and brain function," Complexity, vol. 8, no. 1, pp. 56-60, 2002. [DOI:10.1002/cplx.10047]
10. [9] J. V. Haxby, "Multivariate pattern analysis of fMRI: The early beginnings," Neuroimage, vol. 62, no. 2, pp. 852-855, Aug. 2012. [DOI:10.1016/j.neuroimage.2012.03.016] [PMID] [PMCID]
11. [10] J. V. Haxby, A. C. Connolly, and J. S. Guntupalli, "Decoding Neural Representational Spaces Using Multivariate Pattern Analysis," Annu. Rev. Neurosci., vol. 37, no. 1, pp. 435-456, 2014. [DOI:10.1146/annurev-neuro-062012-170325] [PMID]
12. [11] D. J. Heeger and D. Ress, "WHAT DOES f MRI TELL US ABOUT NEURONAL ACTIVITY?," Nat. Rev. Neurosci., vol. 3, no. February, pp. 142-151, 2002. [DOI:10.1038/nrn730] [PMID]
13. [12] K. Smith, "Brain imaging: fMRI 2.0," Nature, vol. 484, no. 7392, pp. 24-26, 2012. [DOI:10.1038/484024a] [PMID]
14. [13] P. S. Bradley and O. L. Mangasarian, "Feature selection via concave minimization and support vector machines.," in ICML, 1998, vol. 98, pp. 82-90.
15. [14] H. R. Holger Mohr, Uta Wolfenstelle, Steffi Frimmel, H. Mohr, U. Wolfensteller, S. Frimmel, H. Ruge, and H. R. Holger Mohr, Uta Wolfenstelle, Steffi Frimmel, "Sparse regularization techniques provide novel insights into outcome integration processes," Neuroimage, vol. 104, pp. 163-176, 2015. [DOI:10.1016/j.neuroimage.2014.10.025] [PMID]
16. [15] J. V. Haxby et al., "A common, high-dimensional model of the representational space in human ventral temporal cortex," Neuron, vol. 72, no. 2, pp. 404-416, 2011. [DOI:10.1016/j.neuron.2011.08.026] [PMID] [PMCID]
17. [16] D. D. Cox and R. L. Savoy, "Functional magnetic resonance imaging (fMRI) 'brain reading': Detecting and classifying distributed patterns of fMRI activity in human visual cortex," Neuroimage, vol. 19, no. 2, pp. 261-270, Jun. 2003. [DOI:10.1016/S1053-8119(03)00049-1]
18. [17] T. Naselaris, R. J. Prenger, K. N. Kay, M. Oliver, and J. L. Gallant, "Bayesian Reconstruction of Natural Images from Human Brain Activity," Neuron, vol. 63, no. 6, pp. 902-915, 2009. [DOI:10.1016/j.neuron.2009.09.006] [PMID] [PMCID]
19. [18] J. S. Guntupalli, M. Hanke, Y. O. Halchenko, A. C. Connolly, P. J. Ramadge, and J. V Haxby, "A model of representational spaces in human cortex," Cereb. cortex, vol. 26, no. 6, pp. 2919-2934, 2016. [DOI:10.1093/cercor/bhw068] [PMID] [PMCID]
20. [19] A. Lorbert and P. J. Ramadge, "Kernel hyperalignment," in Advances in Neural Information Processing Systems, 2012, pp. 1790-1798.
21. [20] X. Ma, C.-A. Chou, H. Sayama, and W. A. Chaovalitwongse, "Brain response pattern identification of fMRI data using a particle swarm optimization-based approach," Brain Informatics, vol. 3, no. 3, pp. 181-192, 2016. [DOI:10.1007/s40708-016-0049-z] [PMID] [PMCID]
22. [21] M.-H. Kao, A. Mandal, and J. Stufken, "Constrained multiobjective designs for functional magnetic resonance imaging experiments via a modified non-dominated sorting genetic algorithm," J. R. Stat. Soc. Ser. c (applied Stat., vol. 61, no. 4, pp. 515-534, 2012. [DOI:10.1111/j.1467-9876.2011.01036.x]
23. [22] D. E. Osher, R. R. Saxe, K. Koldewyn, J. D. E. Gabrieli, N. Kanwisher, and Z. M. Saygin, "Structural Connectivity Fingerprints Predict Cortical Selectivity for Multiple Visual Categories across Cortex," Cereb. Cortex, vol. 26, no. 4, pp. 1668-1683, 2016. [DOI:10.1093/cercor/bhu303] [PMID] [PMCID]
24. [23] S. Sun, "A survey of multi-view machine learning," Neural Comput. Appl., vol. 23, no. 7-8, pp. 2031-2038, 2013. [DOI:10.1007/s00521-013-1362-6]
25. [24] R. Polikar, "Ensemble based systems in decision making," Circuits Syst. Mag. IEEE, vol. 6, no. 3, pp. 21-44, 2006. [DOI:10.1109/MCAS.2006.1688199]
26. [25] O. Sagi and L. Rokach, "Ensemble learning: A survey," Wiley Interdiscip. Rev. Data Min. Knowl. Discov., vol. 8, no. 4, p. e1249, 2018. [DOI:10.1002/widm.1249]
27. [26] M. N. Hebart, K. Görgen, and J.-D. Haynes, "The Decoding Toolbox (TDT): a versatile software package for multivariate analyses of functional imaging data," Front. Neuroinform., vol. 8, p. 88, Jan. 2015. [DOI:10.3389/fninf.2014.00088] [PMID] [PMCID]
28. [27] K. Seeliger et al., "Convolutional neural network-based encoding and decoding of visual object recognition in space and time," Neuroimage, no. July, pp. 1-14, 2017.
29. [28] M. P. Eckstein et al., "Neural decoding of collective wisdom with multi-brain computing," Neuroimage, vol. 59, no. 1, pp. 94-108, 2012. [DOI:10.1016/j.neuroimage.2011.07.009] [PMID]
30. [29] L. I. Kuncheva and J. J. Rodríguez, "Classifier ensembles for fMRI data analysis: an experiment," Magn. Reson. Imaging, vol. 28, no. 4, pp. 583-593, 2010. [DOI:10.1016/j.mri.2009.12.021] [PMID]
31. [30] W. J. Faithfull, J. J. Rodríguez, and L. I. Kuncheva, "Combining univariate approaches for ensemble change detection in multivariate data," Inf. Fusion, vol. 45, no. January 2018, pp. 202-214, 2019. [DOI:10.1016/j.inffus.2018.02.003]
32. [31] S. Sun, C. Zhang, and Y. Lu, "The random electrode selection ensemble for EEG signal classification," Pattern Recognit., vol. 41, no. 5, pp. 1680-1692, May 2008. [DOI:10.1016/j.patcog.2007.10.023]
33. [32] T. M. Cover and J. A. Thomas, Elements of information theory. John Wiley & Sons, 2012.
34. [33] S. Guia csu, Information Theory with Applications. New York : McGraw-Hill, 1977.
35. [34] Y. Saeys, I. Inza, and P. Larranaga, "A review of feature selection techniques in bioinformatics," Bioinformatics, vol. 23, no. 19, pp. 2507-2517, Oct. 2007. [DOI:10.1093/bioinformatics/btm344] [PMID]
36. [35] C. A. Chou, K. Kampa, S. H. Mehta, R. F. Tungaraza, W. A. Chaovalitwongse, and T. J. Grabowski, "Voxel selection framework in multi-voxel pattern analysis of fMRI data for prediction of neural response to visual stimuli," IEEE Trans. Med. Imaging, vol. 33, no. 4, pp. 925-934, Apr. 2014. [DOI:10.1109/TMI.2014.2298856] [PMID]
37. [36] C. Cabral, M. Silveira, and P. Figueiredo, "Automatic classification of cognitive states," 1st Port. Meet. Biomed. Eng. ENBENG 2011, no. February, 2011. [DOI:10.1109/ENBENG.2011.6026089]
38. [37] V. Gómez-Verdejo, M. Martínez-Ramón, J. Florensa-Vila, and A. Oliviero, "Analysis of fMRI time series with mutual information," Med. Image Anal., vol. 16, no. 2, pp. 451-458, 2012. [DOI:10.1016/j.media.2011.11.002] [PMID]
39. [38] O. Hourani, N. M. Charkari, and S. Jalili, "Voxel selection framework based on meta-heuristic search and mutual information for brain decoding," Int. J. Imaging Syst. Technol., vol. 29, no. 4, pp. 663-676, Jun. 2019. [DOI:10.1002/ima.22353]
40. [39] M. Jenkinson, C. F. Beckmann, T. E. J. J. Behrens, M. W. Woolrich, and S. M. Smith, "Fsl," Neuroimage, vol. 62, no. 2, pp. 782-790, 2012. [DOI:10.1016/j.neuroimage.2011.09.015] [PMID]
41. [40] R. Buyya, G. M. Mohay, P. Roe, and IEEE Computer Society., "Sun Grid Engine: towards creating a compute power grid," in Proceedings of the 1st International Symposium on Cluster Computing and the Grid, 2001, p. 704.
42. [41] R. S. Desikan et al., "An automated labeling system for subdividing the human cerebral cortex on MRI scans into gyral based regions of interest," Neuroimage, vol. 31, no. 3, pp. 968-980, 2006. [DOI:10.1016/j.neuroimage.2006.01.021] [PMID]
43. [42] J. L. Lancaster et al., "Automated Talairach atlas labels for functional brain mapping," Hum. Brain Mapp., vol. 10, no. 3, pp. 120-131, 2000. https://doi.org/10.1002/1097-0193(200007)10:3<120::AID-HBM30>3.0.CO;2-8 [DOI:10.1002/1097-0193(200007)10:33.0.CO;2-8]
44. [43] P. Talairach, J. & Tournoux, "Co-planar stereotaxic atlas of the human brain," Clin. Neurol. Neurosurg., vol. 91, no. 3, pp. 277-278, 1989. [DOI:10.1016/0303-8467(89)90128-5]
45. [44] M. W. Woolrich, B. D. Ripeky, J. M. Brady, and S. M. Smith, "Temporal Autocorrelation in Univariante Linear Modelling of FMRI Data," Neuroimage, vol. 14, no. 6, pp. 1370-1386, 2001. [DOI:10.1006/nimg.2001.0931] [PMID]
46. [45] J. V Haxby, M. I. Gobbini, M. L. Furey, A. Ishai, J. L. Schouten, and P. Pietrini, "Distributed and Overlapping Representations of Face and Objects in Ventral Temporal Cortex," Science (80-. )., vol. 293, no. 5539, pp. 2425-2430, 2001. [DOI:10.1126/science.1063736] [PMID]
47. [46] K. J. Duncan, C. Pattamadilok, I. Knierim, and J. T. Devlin, "Consistency and variability in functional localisers," Neuroimage, vol. 46, no. 4, pp. 1018-1026, 2009. [DOI:10.1016/j.neuroimage.2009.03.014] [PMID] [PMCID]
48. [47] J. M. Walz, R. I. Goldman, M. Carapezza, J. Muraskin, T. R. Brown, and P. Sajda, "Simultaneous EEG-fMRI Reveals Temporal Evolution of Coupling between Supramodal Cortical Attention Networks and the Brainstem," J. Neurosci., vol. 33, no. 49, pp. 19212-19222, 2013. [DOI:10.1523/JNEUROSCI.2649-13.2013] [PMID] [PMCID]
49. [48] C. A. Chou, K. Kampa, S. H. Mehta, R. F. Tungaraza, W. A. Chaovalitwongse, and T. J. Grabowski, "Voxel selection framework in multi-voxel pattern analysis of fMRI data for prediction of neural response to visual stimuli," IEEE Trans. Med. Imaging, vol. 33, no. 4, pp. 925-934, Apr. 2014. [DOI:10.1109/TMI.2014.2298856] [PMID]
50. [49] M. Yousefnezhad and D. Zhang, "Multi-Objective Cognitive Model: a Supervised Approach for Multi-subject fMRI Analysis," Neuroinformatics, vol. 17, no. 2, pp. 197-210, 2019. [DOI:10.1007/s12021-018-9394-9] [PMID]
51. [50] H. R. Holger Mohr, Uta Wolfenstelle, Steffi Frimmel, "Sparse regularization techniques provide novel insights into outcome integration processes," Neuroimage, vol. 104, pp. 163-176, 2015. [DOI:10.1016/j.neuroimage.2014.10.025] [PMID]

ارسال نظر درباره این مقاله : نام کاربری یا پست الکترونیک شما:
CAPTCHA

ارسال پیام به نویسنده مسئول


بازنشر اطلاعات
Creative Commons License این مقاله تحت شرایط Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License قابل بازنشر است.

کلیه حقوق این تارنما متعلق به فصل‌نامة علمی - پژوهشی پردازش علائم و داده‌ها است.