已发表 · NeurIPS 2025个体化脑图谱

DCA

Graph-Guided Deep Embedding
Clustering for Brain Atlases

让脑区分区,
体现个体的功能组织。

DCA 结合学习得到的体素特征与空间引导聚类,生成个体化脑图谱。

个体化
由个体信号构建分区
图结构引导
结合空间关系进行聚类
可配置
选择目标脑区与分区数量
AtlaScore
图谱质量与下游实用性
DCA 论文原文方法图
学习体素特征,连接空间结构与功能信息。图 2 · Wang 等,2025。 原论文。图片按原样转载,归原论文作者所有。原论文 ↗

图谱会改变后续分析能看到的信号

脑图谱把体素组织成分区,常将庞大的 fMRI 体积压缩为每个脑区一条时间序列。这些区域信号随后用于功能连接矩阵或预测模型。因此,边界并非无关紧要:把不同响应混在一起可能掩盖有效差异,分得过细则会增加后续分析的维度。

固定的群体图谱提供统一标签,却未必充分反映每个人的功能组织。DCA 希望根据个体 fMRI 特征学习分区,同时保留可配置的分区数量和解剖范围。难点是让功能相关的体素归在一起,又避免出现空间上零散、破碎的区域。

先学习体素特征,再共同优化分区边界

DCA 的输入包括预处理后的 fMRI、定义目标脑区的掩膜,以及指定的分区数量 K。上方原文方法图将特征预训练与个体化聚类分开。输出是逐体素的分区图,个体分区还可合成为群体图谱,用于比较和下游分析。

为每个体素学习特征向量

Swin-UNETR autoencoder 通过重建被掩蔽的时空块进行预训练,利用周围位置与时间点的信息描述体素信号。聚类因此不直接面对噪声较大的原始时间序列,而是在学习到的特征空间中进行。

用特征相似性连接相邻体素

在目标掩膜内,把体素与空间邻居连接成稀疏图,边权由嵌入相似性决定。谱聚类提供辅助分区标签,软分配则计算各体素对 K 个可学习中心的亲和度。功能相似性与空间关系由此进入同一个优化过程。

迭代更新特征与聚类中心

对齐损失让软分配与图结构给出的标签一致。迭代时更新聚类中心及编码器的最终投影层,其余编码器权重固定。改变掩膜或 K,即可改变解剖范围和分区粒度,不必仅从已有图谱目录中选择。

分区内部是否一致,也能支持后续分析吗?

AtlaScore 连接两层评估。功能同质性衡量同一分区内的信号相似程度;silhouette coefficient 比较分区内部一致性与相邻分区之间的可分性。下游实验再将区域级功能连接特征送入简单的线性分类器,在共同预测流程中检验图谱选择的影响。

先匹配粒度,再比较图谱

主要质量比较使用 100 名 HCP 被试,并匹配分区数量。在 200 个分区时,相比 Schaefer,DCA 的功能同质性提高 77.7%,silhouette 提高 19.5%。匹配粒度很重要,因为仅增加分区数量,也可能让这些指标变高。

把分区放进真实任务中检验

六项主要任务覆盖 HCP 特质预测与认知任务解码、ABIDE 自闭症分类,以及 ADNI 诊断分类。DCA 在多个粒度下表现有竞争力,部分认知与诊断任务更强;个别任务仍由其他图谱取得更高结果。CHCP 另用于检验 HCP 构建环境之外的跨数据集表现。

相同粒度的例子:200 个分区,DCA 对比 Schaefer
质量指标检验什么报告的相对提升 ↑
功能同质性同一分区内部的信号相似性+77.7%
Silhouette coefficient分区内一致性与分区间可分性+19.5%
原文图 3 与第 5.1 节,100 名 HCP 被试。这些数值是图谱质量分数的相对变化,不是诊断准确率的提升。

原论文 · 图 3–4 与第 5 节 ↗

为需要支持的分析选择分区

DCA 将图谱变成 fMRI 流程中可学习、可配置的环节。价值不只在于得到更整齐的分区图,还在于这些区域信号能否支持后续分析。选择时,应在可比的分区数量下,同时考察功能一致性、空间连续性、解剖覆盖范围与下游表现。

构建分区图,或评估已有图谱

公开流程使用 MNI152 空间的 fMRI 和配准后的解剖掩膜。运行 DCA 前先确定掩膜与分区数量,再通过 AtlaScore 比较质量和下游表现。这是一套图谱构建与评估流程,而非直接给出诊断的模型。

Graph-Guided Deep Embedding Clustering for Brain Atlases

Mo Wang, Kaining Peng, Jingsheng Tang, Hongkai Wen, Quanying Liu
Southern University of Science and Technology · University of Warwick

NeurIPS 2025 · 已发布正式论文集

NeurIPS 2025 · 已发表
论文版本: · 状态来源: 会议论文集

本文由 fMRI Atlas 根据上述原始研究整理。

本文更新:

原始概览

DCA constructs brain atlases at voxel resolution, using fMRI features to tailor parcels to individual subjects. A pretrained autoencoder supplies the embeddings, while a spatial graph guides clustering so that each parcel stays connected. Users can choose the number of parcels and the brain region to partition. The work also introduces AtlaScore, a benchmark for comparing atlas quality and downstream utility.

Summary of the original paper, revised September 20, 2025 (v2).

BibTeX

@inproceedings{wang2025dca,
  title={DCA: Graph-Guided Deep Embedding Clustering for Brain Atlases},
  author={Wang, Mo and Peng, Kaining and Tang, Jingsheng and Wen, Hongkai and Liu, Quanying},
  year={2025},
  booktitle={Advances in Neural Information Processing Systems},
  volume={38},
  doi={10.52202/085713-3450},
  url={https://papers.nips.cc/paper_files/paper/2025/hash/954729c2c57c32cab97c4f868dbb4d3e-Abstract-Conference.html}
}
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