Learning spatio-temporal trajectories from manifold-valued longitudinal data

International audienceWe propose a Bayesian mixed-effects model to learn typical scenarios of changesfrom longitudinal manifold-valued data, namely repeated measurements of thesame objects or individuals at several points in time. The model allows to estimatea group-average trajectory in the space of measurements. Random variations ofthis trajectory result from spatiotemporal transformations, which allow changes inthe direction of the trajectory and in the pace at which trajectories are followed.The use of the tools of Riemannian geometry allows to derive a generic algorithmfor any kind of data with smooth constraints, which lie therefore on a Riemannianmanifold. Stochastic approximations of the Expectation-Maximization algorithmis used to estimate the model parameters in this highly non-linear setting. Themethod is used to estimate a data-driven model of the progressive impairments ofcognitive functions during the onset of Alzheimer’s disease. Experimental resultsshow that the model correctly put into correspondence the age at which each in-dividual was diagnosed with the disease, thus validating the fact that it effectivelyestimated a normative scenario of disease progression. Random effects provideunique insights into the variations in the ordering and timing of the succession ofcognitive impairments across different individuals

Spatiotemporal Propagation of the Cortical Atrophy: Population and Individual Patterns

International audienceRepeated failures in clinical trials for Alzheimer's disease (AD) have raised a strong interest for the prodromal phase of the disease. A better understanding of the brain alterations during this early phase is crucial to diagnose patients sooner, to estimate an accurate disease stage, and to give a reliable prognosis. According to recent evidence, structural alterations in the brain are likely to be sensitive markers of the disease progression. Neuronal loss translates in specific spatiotemporal patterns of cortical atrophy, starting in the enthorinal cortex and spreading over other cortical regions according to specific propagation pathways. We developed a digital model of the cortical atrophy in the left hemisphere from prodromal to diseased phases, which is built on the temporal alignment and combination of several short-term observation data to reconstruct the long-term history of the disease. The model not only provides a description of the spatiotemporal patterns of cortical atrophy at the group level but also shows the variability of these patterns at the individual level in terms of difference in propagation pathways, speed of propagation, and age at propagation onset. Longitudinal MRI datasets of patients with mild cognitive impairments who converted to AD are used to reconstruct the cortical atrophy propagation across all disease stages. Each observation is considered as a signal spatially distributed on a network, such as the cortical mesh, each cortex location being associated to a node. We consider how the temporal profile of the signal varies across the network nodes. We introduce a statistical mixed-effect model to describe the evolution of the cortex alterations. To ensure a spatiotemporal smooth propagation of the alterations, we introduce a constrain on the propagation signal in the model such that neighboring nodes have similar profiles of the signal changes. Our generative model enables the reconstruction of personalized patterns of the neurodegenerative spread, providing a way to estimate disease progression stages and predict the age at which the disease will be diagnosed. The model shows that, for instance, APOE carriers have a significantly higher pace of cortical atrophy but not earlier atrophy onset

Statistical learning of spatiotemporal patterns from longitudinal manifold-valued networks

International audienceWe introduce a mixed-effects model to learn spatiotempo-ral patterns on a network by considering longitudinal measures distributed on a fixed graph. The data come from repeated observations of subjects at different time points which take the form of measurement maps distributed on a graph such as an image or a mesh. The model learns a typical group-average trajectory characterizing the propagation of measurement changes across the graph nodes. The subject-specific trajectories are defined via spatial and temporal transformations of the group-average scenario, thus estimating the variability of spatiotemporal patterns within the group. To estimate population and individual model parameters, we adapted a stochastic version of the Expectation-Maximization algorithm, the MCMC-SAEM. The model is used to describe the propagation of cortical atrophy during the course of Alzheimer's Disease. Model parameters show the variability of this average pattern of atrophy in terms of trajectories across brain regions, age at disease onset and pace of propagation. We show that the personaliza-tion of this model yields accurate prediction of maps of cortical thickness in patients

Méthodes et algorithmes pour l’apprentissage de modèles d'évolution spatio-temporels à partir de données longitudinales sur une variété

We propose a generic Bayesian mixed-effects model to estimate the temporal progression of a biological phenomenon from manifold-valued observations obtained at multiple time points for an individual or group of individuals. The progression is modeled by continuous trajectories in the space of measurements, which is assumed to be a Riemannian manifold. The group-average trajectory is defined by the fixed effects of the model. To define the individual trajectories, we introduced the notion of « parallel variations » of a curve on a Riemannian manifold. For each individual, the individual trajectory is constructed by considering a parallel variation of the average trajectory and reparametrizing this parallel in time. The subject specific spatiotemporal transformations, namely parallel variation and time reparametrization, are defined by the individual random effects and allow to quantify the changes in direction and pace at which the trajectories are followed. The framework of Riemannian geometry allows the model to be used with any kind of measurements with smooth constraints. A stochastic version of the Expectation-Maximization algorithm, the Monte Carlo Markov Chains Stochastic Approximation EM algorithm (MCMC-SAEM), is used to produce produce maximum a posteriori estimates of the parameters. The use of the MCMC-SAEM together with a numerical scheme for the approximation of parallel transport is discussed. In addition to this, the method is validated on synthetic data and in high-dimensional settings. We also provide experimental results obtained on health data.Dans ce manuscrit, nous présentons un modèle à effets mixtes, présenté dans un cadre Bayésien, permettant d'estimer la progression temporelle d'un phénomène biologique à partir d'observations répétées, à valeurs dans une variété Riemannienne, et obtenues pour un individu ou groupe d'individus. La progression est modélisée par des trajectoires continues dans l'espace des observations, que l'on suppose être une variété Riemannienne. La trajectoire moyenne est définie par les effets mixtes du modèle. Pour définir les trajectoires de progression individuelles, nous avons introduit la notion de variation parallèle d'une courbe sur une variété Riemannienne. Pour chaque individu, une trajectoire individuelle est construite en considérant une variation parallèle de la trajectoire moyenne et en reparamétrisant en temps cette parallèle. Les transformations spatio-temporelles sujet-spécifiques, que sont la variation parallèle et la reparamétrisation temporelle sont définnies par les effets aléatoires du modèle et permettent de quantifier les changements de direction et vitesse à laquelle les trajectoires sont parcourues. Le cadre de la géométrie Riemannienne permet d'utiliser ce modèle générique avec n'importe quel type de données définies par des contraintes lisses. Une version stochastique de l'algorithme EM, le Monte Carlo Markov Chains Stochastic Approximation EM (MCMC-SAEM), est utilisé pour estimer les paramètres du modèle au sens du maximum a posteriori. L'utilisation du MCMC-SAEM avec un schéma numérique permettant de calculer le transport parallèle est discutée dans ce manuscrit. De plus, le modèle et le MCMC-SAEM sont validés sur des données synthétiques, ainsi qu'en grande dimension. Enfin, nous des résultats obtenus sur différents jeux de données liés à la santé

Méthodes et algorithmes pour l’apprentissage de modèles d'évolution spatio-temporels à partir de données longitudinales sur une variété

We propose a generic Bayesian mixed-effects model to estimate the temporal progression of a biological phenomenon from manifold-valued observations obtained at multiple time points for an individual or group of individuals. The progression is modeled by continuous trajectories in the space of measurements, which is assumed to be a Riemannian manifold. The group-average trajectory is defined by the fixed effects of the model. To define the individual trajectories, we introduced the notion of « parallel variations » of a curve on a Riemannian manifold. For each individual, the individual trajectory is constructed by considering a parallel variation of the average trajectory and reparametrizing this parallel in time. The subject specific spatiotemporal transformations, namely parallel variation and time reparametrization, are defined by the individual random effects and allow to quantify the changes in direction and pace at which the trajectories are followed. The framework of Riemannian geometry allows the model to be used with any kind of measurements with smooth constraints. A stochastic version of the Expectation-Maximization algorithm, the Monte Carlo Markov Chains Stochastic Approximation EM algorithm (MCMC-SAEM), is used to produce produce maximum a posteriori estimates of the parameters. The use of the MCMC-SAEM together with a numerical scheme for the approximation of parallel transport is discussed. In addition to this, the method is validated on synthetic data and in high-dimensional settings. We also provide experimental results obtained on health data.Dans ce manuscrit, nous présentons un modèle à effets mixtes, présenté dans un cadre Bayésien, permettant d'estimer la progression temporelle d'un phénomène biologique à partir d'observations répétées, à valeurs dans une variété Riemannienne, et obtenues pour un individu ou groupe d'individus. La progression est modélisée par des trajectoires continues dans l'espace des observations, que l'on suppose être une variété Riemannienne. La trajectoire moyenne est définie par les effets mixtes du modèle. Pour définir les trajectoires de progression individuelles, nous avons introduit la notion de variation parallèle d'une courbe sur une variété Riemannienne. Pour chaque individu, une trajectoire individuelle est construite en considérant une variation parallèle de la trajectoire moyenne et en reparamétrisant en temps cette parallèle. Les transformations spatio-temporelles sujet-spécifiques, que sont la variation parallèle et la reparamétrisation temporelle sont définnies par les effets aléatoires du modèle et permettent de quantifier les changements de direction et vitesse à laquelle les trajectoires sont parcourues. Le cadre de la géométrie Riemannienne permet d'utiliser ce modèle générique avec n'importe quel type de données définies par des contraintes lisses. Une version stochastique de l'algorithme EM, le Monte Carlo Markov Chains Stochastic Approximation EM (MCMC-SAEM), est utilisé pour estimer les paramètres du modèle au sens du maximum a posteriori. L'utilisation du MCMC-SAEM avec un schéma numérique permettant de calculer le transport parallèle est discutée dans ce manuscrit. De plus, le modèle et le MCMC-SAEM sont validés sur des données synthétiques, ainsi qu'en grande dimension. Enfin, nous des résultats obtenus sur différents jeux de données liés à la santé

Méthodes et algorithmes pour l’apprentissage de modèles d'évolution spatio-temporels à partir de données longitudinales sur une variété

We propose a generic Bayesian mixed-effects model to estimate the temporal progression of a biological phenomenon from manifold-valued observations obtained at multiple time points for an individual or group of individuals. The progression is modeled by continuous trajectories in the space of measurements, which is assumed to be a Riemannian manifold. The group-average trajectory is defined by the fixed effects of the model. To define the individual trajectories, we introduced the notion of « parallel variations » of a curve on a Riemannian manifold. For each individual, the individual trajectory is constructed by considering a parallel variation of the average trajectory and reparametrizing this parallel in time. The subject specific spatiotemporal transformations, namely parallel variation and time reparametrization, are defined by the individual random effects and allow to quantify the changes in direction and pace at which the trajectories are followed. The framework of Riemannian geometry allows the model to be used with any kind of measurements with smooth constraints. A stochastic version of the Expectation-Maximization algorithm, the Monte Carlo Markov Chains Stochastic Approximation EM algorithm (MCMC-SAEM), is used to produce produce maximum a posteriori estimates of the parameters. The use of the MCMC-SAEM together with a numerical scheme for the approximation of parallel transport is discussed. In addition to this, the method is validated on synthetic data and in high-dimensional settings. We also provide experimental results obtained on health data.Dans ce manuscrit, nous présentons un modèle à effets mixtes, présenté dans un cadre Bayésien, permettant d'estimer la progression temporelle d'un phénomène biologique à partir d'observations répétées, à valeurs dans une variété Riemannienne, et obtenues pour un individu ou groupe d'individus. La progression est modélisée par des trajectoires continues dans l'espace des observations, que l'on suppose être une variété Riemannienne. La trajectoire moyenne est définie par les effets mixtes du modèle. Pour définir les trajectoires de progression individuelles, nous avons introduit la notion de variation parallèle d'une courbe sur une variété Riemannienne. Pour chaque individu, une trajectoire individuelle est construite en considérant une variation parallèle de la trajectoire moyenne et en reparamétrisant en temps cette parallèle. Les transformations spatio-temporelles sujet-spécifiques, que sont la variation parallèle et la reparamétrisation temporelle sont définnies par les effets aléatoires du modèle et permettent de quantifier les changements de direction et vitesse à laquelle les trajectoires sont parcourues. Le cadre de la géométrie Riemannienne permet d'utiliser ce modèle générique avec n'importe quel type de données définies par des contraintes lisses. Une version stochastique de l'algorithme EM, le Monte Carlo Markov Chains Stochastic Approximation EM (MCMC-SAEM), est utilisé pour estimer les paramètres du modèle au sens du maximum a posteriori. L'utilisation du MCMC-SAEM avec un schéma numérique permettant de calculer le transport parallèle est discutée dans ce manuscrit. De plus, le modèle et le MCMC-SAEM sont validés sur des données synthétiques, ainsi qu'en grande dimension. Enfin, nous des résultats obtenus sur différents jeux de données liés à la santé

Méthodes et algorithmes pour l’apprentissage de modèles d'évolution spatio-temporels à partir de données longitudinales sur une variété

Dans ce manuscrit, nous présentons un modèle à effets mixtes, présenté dans un cadre Bayésien, permettant d'estimer la progression temporelle d'un phénomène biologique à partir d'observations répétées, à valeurs dans une variété Riemannienne, et obtenues pour un individu ou groupe d'individus. La progression est modélisée par des trajectoires continues dans l'espace des observations, que l'on suppose être une variété Riemannienne. La trajectoire moyenne est définie par les effets mixtes du modèle. Pour définir les trajectoires de progression individuelles, nous avons introduit la notion de variation parallèle d'une courbe sur une variété Riemannienne. Pour chaque individu, une trajectoire individuelle est construite en considérant une variation parallèle de la trajectoire moyenne et en reparamétrisant en temps cette parallèle. Les transformations spatio-temporelles sujet-spécifiques, que sont la variation parallèle et la reparamétrisation temporelle sont définnies par les effets aléatoires du modèle et permettent de quantifier les changements de direction et vitesse à laquelle les trajectoires sont parcourues. Le cadre de la géométrie Riemannienne permet d'utiliser ce modèle générique avec n'importe quel type de données définies par des contraintes lisses. Une version stochastique de l'algorithme EM, le Monte Carlo Markov Chains Stochastic Approximation EM (MCMC-SAEM), est utilisé pour estimer les paramètres du modèle au sens du maximum a posteriori. L'utilisation du MCMC-SAEM avec un schéma numérique permettant de calculer le transport parallèle est discutée dans ce manuscrit. De plus, le modèle et le MCMC-SAEM sont validés sur des données synthétiques, ainsi qu'en grande dimension. Enfin, nous des résultats obtenus sur différents jeux de données liés à la santé.We propose a generic Bayesian mixed-effects model to estimate the temporal progression of a biological phenomenon from manifold-valued observations obtained at multiple time points for an individual or group of individuals. The progression is modeled by continuous trajectories in the space of measurements, which is assumed to be a Riemannian manifold. The group-average trajectory is defined by the fixed effects of the model. To define the individual trajectories, we introduced the notion of « parallel variations » of a curve on a Riemannian manifold. For each individual, the individual trajectory is constructed by considering a parallel variation of the average trajectory and reparametrizing this parallel in time. The subject specific spatiotemporal transformations, namely parallel variation and time reparametrization, are defined by the individual random effects and allow to quantify the changes in direction and pace at which the trajectories are followed. The framework of Riemannian geometry allows the model to be used with any kind of measurements with smooth constraints. A stochastic version of the Expectation-Maximization algorithm, the Monte Carlo Markov Chains Stochastic Approximation EM algorithm (MCMC-SAEM), is used to produce produce maximum a posteriori estimates of the parameters. The use of the MCMC-SAEM together with a numerical scheme for the approximation of parallel transport is discussed. In addition to this, the method is validated on synthetic data and in high-dimensional settings. We also provide experimental results obtained on health data

Mixed-effects model for the spatiotemporal analysis of longitudinal manifold-valued data

International audienceIn this work , we propose a generic hierarchical spatiotem-poral model for longitudinal manifold-valued data , which consist in repeated measurements over time for a group of individuals. This model allows us to estimate a group-average trajectory of progression , considered as a geodesic of a given Riemannian manifold. Individual trajectories of progression are obtained as random variations , which consist in parallel shifting and time reparametrization , of the average trajectory. These spatiotemporal tranformations allow us to characterize changes in the direction and in the pace at which trajectories are followed. We propose to estimate the parameters of the model using a stochastic approximation of the expectation-maximization (EM) algorithm , the Monte Carlo Markov Chain Stochastic Approximation EM (MCMC SAEM) algorithm. This generic spatiotemporal model is used to analyze the temporal progression of a family of biomarkers. This progression model estimates a normative scenario of the progressive impairments of several cognitive functions , considered here as biomarkers , during the course of Alzheimer ' s disease. The estimated average trajectory provides a normative scenario of disease progression. Random effects provide unique insights into the variations in the ordering and timing of the succession of cognitive impairments across different individuals

Spatiotemporal Propagation of the Cortical Atrophy: Population and Individual Patterns

Repeated failures in clinical trials for Alzheimer’s disease (AD) have raised a strong interest for the prodromal phase of the disease. A better understanding of the brain alterations during this early phase is crucial to diagnose patients sooner, to estimate an accurate disease stage, and to give a reliable prognosis. According to recent evidence, structural alterations in the brain are likely to be sensitive markers of the disease progression. Neuronal loss translates in specific spatiotemporal patterns of cortical atrophy, starting in the enthorinal cortex and spreading over other cortical regions according to specific propagation pathways. We developed a digital model of the cortical atrophy in the left hemisphere from prodromal to diseased phases, which is built on the temporal alignment and combination of several short-term observation data to reconstruct the long-term history of the disease. The model not only provides a description of the spatiotemporal patterns of cortical atrophy at the group level but also shows the variability of these patterns at the individual level in terms of difference in propagation pathways, speed of propagation, and age at propagation onset. Longitudinal MRI datasets of patients with mild cognitive impairments who converted to AD are used to reconstruct the cortical atrophy propagation across all disease stages. Each observation is considered as a signal spatially distributed on a network, such as the cortical mesh, each cortex location being associated to a node. We consider how the temporal profile of the signal varies across the network nodes. We introduce a statistical mixed-effect model to describe the evolution of the cortex alterations. To ensure a spatiotemporal smooth propagation of the alterations, we introduce a constrain on the propagation signal in the model such that neighboring nodes have similar profiles of the signal changes. Our generative model enables the reconstruction of personalized patterns of the neurodegenerative spread, providing a way to estimate disease progression stages and predict the age at which the disease will be diagnosed. The model shows that, for instance, APOE carriers have a significantly higher pace of cortical atrophy but not earlier atrophy onset