Modern Views of Machine Learning for Precision Psychiatry

In light of the NIMH's Research Domain Criteria (RDoC), the advent of functional neuroimaging, novel technologies and methods provide new opportunities to develop precise and personalized prognosis and diagnosis of mental disorders. Machine learning (ML) and artificial intelligence (AI) technologies are playing an increasingly critical role in the new era of precision psychiatry. Combining ML/AI with neuromodulation technologies can potentially provide explainable solutions in clinical practice and effective therapeutic treatment. Advanced wearable and mobile technologies also call for the new role of ML/AI for digital phenotyping in mobile mental health. In this review, we provide a comprehensive review of the ML methodologies and applications by combining neuroimaging, neuromodulation, and advanced mobile technologies in psychiatry practice. Additionally, we review the role of ML in molecular phenotyping and cross-species biomarker identification in precision psychiatry. We further discuss explainable AI (XAI) and causality testing in a closed-human-in-the-loop manner, and highlight the ML potential in multimedia information extraction and multimodal data fusion. Finally, we discuss conceptual and practical challenges in precision psychiatry and highlight ML opportunities in future research

Leveraging Artificial Intelligence to Improve EEG-fNIRS Data Analysis

La spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle (fNIRS) est apparue comme une technique de neuroimagerie qui permet une surveillance non invasive et à long terme de l'hémodynamique corticale. Les technologies de neuroimagerie multimodale en milieu clinique permettent d'étudier les maladies neurologiques aiguës et chroniques. Dans ce travail, nous nous concentrons sur l'épilepsie - un trouble chronique du système nerveux central affectant près de 50 millions de personnes dans le monde entier prédisposant les individus affectés à des crises récurrentes. Les crises sont des aberrations transitoires de l'activité électrique du cerveau qui conduisent à des symptômes physiques perturbateurs tels que des changements aigus ou chroniques des compétences cognitives, des hallucinations sensorielles ou des convulsions de tout le corps. Environ un tiers des patients épileptiques sont récalcitrants au traitement pharmacologique et ces crises intraitables présentent un risque grave de blessure et diminuent la qualité de vie globale. Dans ce travail, nous étudions 1. l'utilité des informations hémodynamiques dérivées des signaux fNIRS dans une tâche de détection des crises et les avantages qu'elles procurent dans un environnement multimodal par rapport aux signaux électroencéphalographiques (EEG) seuls, et 2. la capacité des signaux neuronaux, dérivé de l'EEG, pour prédire l'hémodynamique dans le cerveau afin de mieux comprendre le cerveau épileptique. Sur la base de données rétrospectives EEG-fNIRS recueillies auprès de 40 patients épileptiques et utilisant de nouveaux modèles d'apprentissage en profondeur, la première étude de cette thèse suggère que les signaux fNIRS offrent une sensibilité et une spécificité accrues pour la détection des crises par rapport à l'EEG seul. La validation du modèle a été effectuée à l'aide de l'ensemble de données CHBMIT open source documenté et bien référencé avant d'utiliser notre ensemble de données EEG-fNIRS multimodal interne. Les résultats de cette étude ont démontré que fNIRS améliore la détection des crises par rapport à l'EEG seul et ont motivé les expériences ultérieures qui ont déterminé la capacité prédictive d'un modèle d'apprentissage approfondi développé en interne pour décoder les signaux d'état de repos hémodynamique à partir du spectre complet et d'une bande de fréquences neuronale codée spécifique signaux d'état de repos (signaux sans crise). Ces résultats suggèrent qu'un autoencodeur multimodal peut apprendre des relations multimodales pour prédire les signaux d'état de repos. Les résultats suggèrent en outre que des gammes de fréquences EEG plus élevées prédisent l'hémodynamique avec une erreur de reconstruction plus faible par rapport aux gammes de fréquences EEG plus basses. De plus, les connexions fonctionnelles montrent des modèles spatiaux similaires entre l'état de repos expérimental et les prédictions fNIRS du modèle. Cela démontre pour la première fois que l'auto-encodage intermodal à partir de signaux neuronaux peut prédire l'hémodynamique cérébrale dans une certaine mesure. Les résultats de cette thèse avancent le potentiel de l'utilisation d'EEG-fNIRS pour des tâches cliniques pratiques (détection des crises, prédiction hémodynamique) ainsi que l'examen des relations fondamentales présentes dans le cerveau à l'aide de modèles d'apprentissage profond. S'il y a une augmentation du nombre d'ensembles de données disponibles à l'avenir, ces modèles pourraient être en mesure de généraliser les prédictions qui pourraient éventuellement conduire à la technologie EEG-fNIRS à être utilisée régulièrement comme un outil clinique viable dans une grande variété de troubles neuropathologiques.----------ABSTRACT Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) has emerged as a neuroimaging technique that allows for non-invasive and long-term monitoring of cortical hemodynamics. Multimodal neuroimaging technologies in clinical settings allow for the investigation of acute and chronic neurological diseases. In this work, we focus on epilepsy—a chronic disorder of the central nervous system affecting almost 50 million people world-wide predisposing affected individuals to recurrent seizures. Seizures are transient aberrations in the brain's electrical activity that lead to disruptive physical symptoms such as acute or chronic changes in cognitive skills, sensory hallucinations, or whole-body convulsions. Approximately a third of epileptic patients are recalcitrant to pharmacological treatment and these intractable seizures pose a serious risk for injury and decrease overall quality of life. In this work, we study 1) the utility of hemodynamic information derived from fNIRS signals in a seizure detection task and the benefit they provide in a multimodal setting as compared to electroencephalographic (EEG) signals alone, and 2) the ability of neural signals, derived from EEG, to predict hemodynamics in the brain in an effort to better understand the epileptic brain. Based on retrospective EEG-fNIRS data collected from 40 epileptic patients and utilizing novel deep learning models, the first study in this thesis suggests that fNIRS signals offer increased sensitivity and specificity metrics for seizure detection when compared to EEG alone. Model validation was performed using the documented open source and well referenced CHBMIT dataset before using our in-house multimodal EEG-fNIRS dataset. The results from this study demonstrated that fNIRS improves seizure detection as compared to EEG alone and motivated the subsequent experiments which determined the predictive capacity of an in-house developed deep learning model to decode hemodynamic resting state signals from full spectrum and specific frequency band encoded neural resting state signals (seizure free signals). These results suggest that a multimodal autoencoder can learn multimodal relations to predict resting state signals. Findings further suggested that higher EEG frequency ranges predict hemodynamics with lower reconstruction error in comparison to lower EEG frequency ranges. Furthermore, functional connections show similar spatial patterns between experimental resting state and model fNIRS predictions. This demonstrates for the first time that intermodal autoencoding from neural signals can predict cerebral hemodynamics to a certain extent. The results of this thesis advance the potential of using EEG-fNIRS for practical clinical tasks (seizure detection, hemodynamic prediction) as well as examining fundamental relationships present in the brain using deep learning models. If there is an increase in the number of datasets available in the future, these models may be able to generalize predictions which would possibly lead to EEG-fNIRS technology to be routinely used as a viable clinical tool in a wide variety of neuropathological disorders

Methods and models for brain connectivity assessment across levels of consciousness

The human brain is one of the most complex and fascinating systems in nature. In the last decades, two events have boosted the investigation of its functional and structural properties. Firstly, the emergence of novel noninvasive neuroimaging modalities, which helped improving the spatial and temporal resolution of the data collected from in vivo human brains. Secondly, the development of advanced mathematical tools in network science and graph theory, which has recently translated into modeling the human brain as a network, giving rise to the area of research so called Brain Connectivity or Connectomics. In brain network models, nodes correspond to gray-matter regions (based on functional or structural, atlas-based parcellations that constitute a partition), while links or edges correspond either to structural connections as modeled based on white matter fiber-tracts or to the functional coupling between brain regions by computing statistical dependencies between measured brain activity from different nodes. Indeed, the network approach for studying the brain has several advantages: 1) it eases the study of collective behaviors and interactions between regions; 2) allows to map and study quantitative properties of its anatomical pathways; 3) gives measures to quantify integration and segregation of information processes in the brain, and the flow (i.e. the interacting dynamics) between different cortical and sub-cortical regions. The main contribution of my PhD work was indeed to develop and implement new models and methods for brain connectivity assessment in the human brain, having as primary application the analysis of neuroimaging data coming from subjects at different levels of consciousness. I have here applied these methods to investigate changes in levels of consciousness, from normal wakefulness (healthy human brains) or drug-induced unconsciousness (i.e. anesthesia) to pathological (i.e. patients with disorders of consciousness)

Clinical applications of magnetic resonance imaging based functional and structural connectivity

Advances in computational neuroimaging techniques have expanded the armamentarium of imaging tools available for clinical applications in clinical neuroscience. Non-invasive, in vivo brain MRI structural and functional network mapping has been used to identify therapeutic targets, define eloquent brain regions to preserve, and gain insight into pathological processes and treatments as well as prognostic biomarkers. These tools have the real potential to inform patient-specific treatment strategies. Nevertheless, a realistic appraisal of clinical utility is needed that balances the growing excitement and interest in the field with important limitations associated with these techniques. Quality of the raw data, minutiae of the processing methodology, and the statistical models applied can all impact on the results and their interpretation. A lack of standardization in data acquisition and processing has also resulted in issues with reproducibility. This limitation has had a direct impact on the reliability of these tools and ultimately, confidence in their clinical use. Advances in MRI technology and computational power as well as automation and standardization of processing methods, including machine learning approaches, may help address some of these issues and make these tools more reliable in clinical use. In this review, we will highlight the current clinical uses of MRI connectomics in the diagnosis and treatment of neurological disorders; balancing emerging applications and technologies with limitations of connectivity analytic approaches to present an encompassing and appropriate perspective

Deep Learning for Electrophysiological Investigation and Estimation of Anesthetic-Induced Unconsciousness

Neuroscience has made a number of advances in the search for the neural correlates of consciousness, but our understanding of the neurophysiological markers remains incomplete. In this work, we apply deep learning techniques to resting-state electroencephalographic (EEG) measures of healthy participants under general anesthesia, for the investigation and estimation of altered states of consciousness. Specifically, we focus on states characterized by different levels of unconsciousness and anesthetic depths, based on definitions and metrics from contemporary clinical practice. Our experiments begin by exploring the ability of deep learning to extract relevant electrophysiological features, under a cross-subject decoding task. As there is no state-of-theart model for EEG analysis, we compare two widely used deep learning architectures - convolutional neural networks (cNNs) and multilayer perceptrons (MLPs) - and show that cNNs perform effectively, using only one second of the raw EEG signals. Relying on cNNs, we derive a novel 3D architecture design and a standard preprocessing pipeline, which allows us to exploit the spatio-temporal structure of the EEG, as well as to integrate different acquisition systems and datasets under a common methodology. We then focus on the nature of different predictive tasks, by investigating classification and regression algorithms under a variety of clinical ground-truths, based on behavioral, pharmacological, and psychometrical evidence for consciousness. Our findings provide several insights regarding the interaction across the anesthetic states, the electrophysiological signatures, and the temporal dynamics of the models. We also reveal an optimal training strategy, based on which we can detect progressive changes in levels of unconsciousness, with higher granularity than current clinical methods. Finally, we test the generalizability of our deep learning-based EEG framework, across subjects, experimental designs, and anesthetic agents (propofol, ketamine and xenon). Our results highlight the capacity of our model to acquire appropriate, task-related, cross-study features, and the potential to discover common cross-drug features of unconsciousness. This work has broader significance for discovering generalized electrophysiological markers that index states of consciousness, using a data-driven analysis approach. It also provides a basis for the development of automated, machine-learning driven, non-invasive EEG systems for real-time monitoring of the depth of anesthesia, which can advance patients' comfort and safety

Investigation of neural activity in Schizophrenia during resting-state MEG : using non-linear dynamics and machine-learning to shed light on information disruption in the brain

Environ 25% de la population mondiale est atteinte de troubles psychiatriques qui sont typiquement associés à des problèmes comportementaux, fonctionnels et/ou cognitifs et dont les corrélats neurophysiologiques sont encore très mal compris. Non seulement ces dysfonctionnements réduisent la qualité de vie des individus touchés, mais ils peuvent aussi devenir un fardeau pour les proches et peser lourd dans l’économie d’une société. Cibler les mécanismes responsables du fonctionnement atypique du cerveau en identifiant des biomarqueurs plus robustes permettrait le développement de traitements plus efficaces. Ainsi, le premier objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure caractérisation des changements dynamiques cérébraux impliqués dans les troubles mentaux, plus précisément dans la schizophrénie et les troubles d’humeur. Pour ce faire, les premiers chapitres de cette thèse présentent, en intégral, deux revues de littératures systématiques que nous avons menées sur les altérations de connectivité cérébrale, au repos, chez les patients schizophrènes, dépressifs et bipolaires. Ces revues révèlent que, malgré des avancées scientifiques considérables dans l’étude de l’altération de la connectivité cérébrale fonctionnelle, la dimension temporelle des mécanismes cérébraux à l’origine de l’atteinte de l’intégration de l’information dans ces maladies, particulièrement de la schizophrénie, est encore mal comprise. Par conséquent, le deuxième objectif de cette thèse est de caractériser les changements cérébraux associés à la schizophrénie dans le domaine temporel. Nous présentons deux études dans lesquelles nous testons l’hypothèse que la « disconnectivité temporelle » serait un biomarqueur important en schizophrénie. Ces études explorent les déficits d’intégration temporelle en schizophrénie, en quantifiant les changements de la dynamique neuronale dite invariante d’échelle à partir des données magnétoencéphalographiques (MEG) enregistrés au repos chez des patients et des sujets contrôles. En particulier, nous utilisons (1) la LRTCs (long-range temporal correlation, ou corrélation temporelle à longue-distance) calculée à partir des oscillations neuronales et (2) des analyses multifractales pour caractériser des modifications de l’activité cérébrale arythmique. Par ailleurs, nous développons des modèles de classification (en apprentissage-machine supervisé) pour mieux cerner les attributs corticaux et sous-corticaux permettant une distinction robuste entre les patients et les sujets sains. Vu que ces études se basent sur des données MEG spontanées enregistrées au repos soit avec les yeux ouvert, ou les yeux fermées, nous nous sommes par la suite intéressés à la possibilité de trouver un marqueur qui combinerait ces enregistrements. La troisième étude originale explore donc l’utilité des modulations de l’amplitude spectrale entre yeux ouverts et fermées comme prédicteur de schizophrénie. Les résultats de ces études démontrent des changements cérébraux importants chez les patients schizophrènes au niveau de la dynamique d’invariance d’échelle. Elles suggèrent une dégradation du traitement temporel de l’information chez les patients, qui pourrait être liée à leurs symptômes cognitifs et comportementaux. L’approche multimodale de cette thèse, combinant la magétoencéphalographie, analyses non-linéaires et apprentissage machine, permet de mieux caractériser l’organisation spatio-temporelle du signal cérébrale au repos chez les patients atteints de schizophrénie et chez des individus sains. Les résultats fournissent de nouvelles preuves supportant l’hypothèse d’une « disconnectivité temporelle » en schizophrénie, et étendent les recherches antérieures, en explorant la contribution des structures cérébrales profondes et en employant des mesures non-linéaires avancées encore sous-exploitées dans ce domaine. L’ensemble des résultats de cette thèse apporte une contribution significative à la quête de nouveaux biomarqueurs de la schizophrénie et démontre l’importance d’élucider les altérations des propriétés temporelles de l’activité cérébrales intrinsèque en psychiatrie. Les études présentées offrent également un cadre méthodologique pouvant être étendu à d’autres psychopathologie, telles que la dépression.Psychiatric disorders affect nearly a quarter of the world’s population. These typically bring about debilitating behavioural, functional and/or cognitive problems, for which the underlying neural mechanisms are poorly understood. These symptoms can significantly reduce the quality of life of affected individuals, impact those close to them, and bring on an economic burden on society. Hence, targeting the baseline neurophysiology associated with psychopathologies, by identifying more robust biomarkers, would improve the development of effective treatments. The first goal of this thesis is thus to contribute to a better characterization of neural dynamic alterations in mental health illnesses, specifically in schizophrenia and mood disorders. Accordingly, the first chapter of this thesis presents two systematic literature reviews, which investigate the resting-state changes in brain connectivity in schizophrenia, depression and bipolar disorder patients. Great strides have been made in neuroimaging research in identifying alterations in functional connectivity. However, these two reviews reveal a gap in the knowledge about the temporal basis of the neural mechanisms involved in the disruption of information integration in these pathologies, particularly in schizophrenia. Therefore, the second goal of this thesis is to characterize the baseline temporal neural alterations of schizophrenia. We present two studies for which we hypothesize that the resting temporal dysconnectivity could serve as a key biomarker in schizophrenia. These studies explore temporal integration deficits in schizophrenia by quantifying neural alterations of scale-free dynamics using resting-state magnetoencephalography (MEG) data. Specifically, we use (1) long-range temporal correlation (LRTC) analysis on oscillatory activity and (2) multifractal analysis on arrhythmic brain activity. In addition, we develop classification models (based on supervised machine-learning) to detect the cortical and sub-cortical features that allow for a robust division of patients and healthy controls. Given that these studies are based on MEG spontaneous brain activity, recorded at rest with either eyes-open or eyes-closed, we then explored the possibility of finding a distinctive feature that would combine both types of resting-state recordings. Thus, the third study investigates whether alterations in spectral amplitude between eyes-open and eyes-closed conditions can be used as a possible marker for schizophrenia. Overall, the three studies show changes in the scale-free dynamics of schizophrenia patients at rest that suggest a deterioration of the temporal processing of information in patients, which might relate to their cognitive and behavioural symptoms. The multimodal approach of this thesis, combining MEG, non-linear analyses and machine-learning, improves the characterization of the resting spatiotemporal neural organization of schizophrenia patients and healthy controls. Our findings provide new evidence for the temporal dysconnectivity hypothesis in schizophrenia. The results extend on previous studies by characterizing scale-free properties of deep brain structures and applying advanced non-linear metrics that are underused in the field of psychiatry. The results of this thesis contribute significantly to the identification of novel biomarkers in schizophrenia and show the importance of clarifying the temporal properties of altered intrinsic neural dynamics. Moreover, the presented studies offer a methodological framework that can be extended to other psychopathologies, such as depression

The cognitive neuroscience of visual working memory

Visual working memory allows us to temporarily maintain and manipulate visual information in order to solve a task. The study of the brain mechanisms underlying this function began more than half a century ago, with Scoville and Milner’s (1957) seminal discoveries with amnesic patients. This timely collection of papers brings together diverse perspectives on the cognitive neuroscience of visual working memory from multiple fields that have traditionally been fairly disjointed: human neuroimaging, electrophysiological, behavioural and animal lesion studies, investigating both the developing and the adult brain

Social and Affective Neuroscience of Everyday Human Interaction

This Open Access book presents the current state of the art knowledge on social and affective neuroscience based on empirical findings. This volume is divided into several sections first guiding the reader through important theoretical topics within affective neuroscience, social neuroscience and moral emotions, and clinical neuroscience. Each chapter addresses everyday social interactions and various aspects of social interactions from a different angle taking the reader on a diverse journey. The last section of the book is of methodological nature. Basic information is presented for the reader to learn about common methodologies used in neuroscience alongside advanced input to deepen the understanding and usability of these methods in social and affective neuroscience for more experienced readers

Learning to regulate homeostatic brain networks

Eine dynamische Balance der physiologischen Gegebenheiten wie Körpertemperatur, Blutdruck, Blut-PH-Wert, Hormonspiegel, Blutzucker und Insulinkonzentration ist für die Gesundheit und das Überleben unverzichtbar. Viele Krankheiten haben eine Störung der Homöostase zur Folge. Vor allem das Nerven- und das Hormonsystem steuern Regulationsmechanismen und sobald diese ein Ungleichgewicht feststellen, gibt es passende biochemische oder physiologische Feedback-Kreisläufe, die den Gesamtzustand in die Balance zurückführen. Diese Dissertation untersucht neuartige Methoden des Echtzeit-Neurofeedbacks, das auf funktioneller Magnetre-sonanztomographie basiert (Real-time functional magnetic resonance imaging – rt-fMRI-NF), um es gesunden Probanden und Patienten zu ermöglichen, homöostatische Netzwerke des Gehirns zu regulieren. Die erste Studie hatte zum Ziel, die Auswirkungen der Hochregulierung der funktionellen Konnektivität durch rt-fMRI-NF-Training (engl. Functional connectivity – FC) zwischen Beloh-nungs- und impulsivitätsregulierenden Gehirnarealen auf das Essverhalten zu untersuchen. Diese Studie war ein Pilotexperiment im Pre-Post-Schema. Die zweite Studie untersuchte die Möglichkeit, die funktionelle Konnektivität zwischen der anterioren Insula (AIC) und dem soma-tosensorischen Kortex (SC) durch Belohnung von gleichzeitiger Aktivität dieser Regionen zu be-einflussen. AIC und SC sind Gehirnregionen, die physiologische Zustandsinformationen von Kör-pergewebe und großflächigen Hautsegmenten erhalten. Wir nahmen an, dass die funktionelle Verbindung zwischen diesen Regionen die Verarbeitung dieser Signale der inneren Organe und Körpergewebe übernimmt. Dies stellt einen Kernbereich des Gefühlskonzeptes von James-Lang dar. In der dritten Studie untersuchten wir, ob Patienten mit kontaminationsbezogenen Zwangsgedanken und Waschzwang lernen können, ihre BOLD-Aktivität in der Insula herunterzu-regulieren, wenn sie mit ekelerregenden oder Angst hervorrufenden Stimuli konfrontiert wer-den. Die Ergebnisse der ersten Studie zeigten, dass die willentliche Hochregulierung der Korrela-tion zu einer erhöhten funktionellen Konnektivität zwischen dem dorsolateralen präfrontalen Kortex (dlPFC) und dem ventromedialen präfrontalen Kortex (vmPFC) führt. Diese Konnektivität betrifft Selbstkontrolle und die Entscheidung für gesunde Nahrungsmittel. Die Verhaltenstests deuten darauf hin, dass die Probanden sich in der Transfersitzung (nach der Intervention) für weniger ungesunde Nahrungsmittel entscheiden als in der Sitzung vor der Intervention. Die zweite Studie bestätigte unsere Hypothese, dass die willentliche Hochregulierung von gleichzei-tiger BOLD-Aktivität von AIC und SC deren funktionale Konnektivität erhöht. Diese Verbindung ermöglicht eine verstärkte Körperwahrnehmung und ein verändertes subjektives Gefühlserle-ben. Wir beobachteten, dass die Veränderung der funktionellen Konnektivität zwischen AIC und SC die Leistung der Probanden in der Aufgabe (Wahrnehmung des Herzschlags) verbesserte. In der dritten Studie fanden wir heraus, dass Patienten mit Zwangsstörungen (OCD) nach einigen Trainingseinheiten die Selbstkontrolle der BOLD-Aktivität der Insula erreichen konnten. Fasst man die Ergebnisse der drei Studien zusammen, konnten wir zeigen, dass die Fähigkeit des Ge-hirns zur homöostatischen Selbstregulierung durch die Verwendung von rt-FMRI-Training ver-bessert werden kann. Zudem ist nun klarer, dass die Veränderung und die Modulation von neu-ronalen Pfaden in Gehirnnetzwerken, die der Selbstkontrolle, der Entscheidungsfindung und der Gefühlswahrnehmung zugrunde liegen, zu vielversprechenden Verhaltensveränderungen führt

26th Annual Computational Neuroscience Meeting (CNS*2017): Part 3 - Meeting Abstracts - Antwerp, Belgium. 15–20 July 2017

This work was produced as part of the activities of FAPESP Research,\ud Disseminations and Innovation Center for Neuromathematics (grant\ud 2013/07699-0, S. Paulo Research Foundation). NLK is supported by a\ud FAPESP postdoctoral fellowship (grant 2016/03855-5). ACR is partially\ud supported by a CNPq fellowship (grant 306251/2014-0)