Apprentissage des représentations en neuroimagerie : transfert de connaissance à partir de larges jeux de données contrôles vers de petites cohortes cliniques
Representation learning in neuroimaging : transferring from big healthy data to small clinical cohorts
Résumé
Psychiatry currently lacks objective quantitative measures to guide the clinician in choosing the proper therapeutic treatment. The physio-pathology of mental illnesses such as schizophrenia and bipolar disorder is still poorly understood but the emergence of large-scale neuroimaging transdiagnostic datasets gives a unique opportunity for studying the neuroanatomical signatures of such diseases.While Deep Learning (DL) models for medical imaging unlocked unprecedented applications such as image segmentation, its applicability to single-subject prediction problems with neuroanatomical MRI remains limited. In this thesis, we first study the current performance and scaling trend of DL models, for several architectures representative of the recent progression in computer vision, as compared to regularized linear models and Kernel Support Vector Machine. We found a high over-fitting issue on clinical data-sets and a similar scaling trend with linear models, for the current accessible sample size in clinical research. This over-fitting effect was also due to the bias induced by MRI scanners and acquisition protocols.To tackle the sample size issue, we propose a new method to learn a representation of the healthy population brain anatomy on large multi-site cohorts with neural networks using contrastive learning, an innovative self-supervised framework. When transferring this knowledge to new datasets, we demonstrate an improvement in the classification performance of patients with mental illnesses. We provide a theoretical framework grounding these empirical results and we show good generalization properties of the model for downstream classification tasks with weaker hypotheses than in the literature.Moreover, as an advancement towards debiased deep models and reproducibility in neuroimaging, we introduce a new large-scale multi-site dataset, OpenBHB, for brain age prediction and site de-biasing as well as a permanent challenge focused on representation learning. We offer three pre-processing to study brain anatomical surface, geometry, and volume inside T1 images as well as a novel way to evaluate the bias in the model's representation.
La physiopathologie des maladies mentales telles que la schizophrénie et le trouble bipolaire est encore mal comprise, cependant l'émergence de grandes bases de données transdiagnostiques d'images cérébrales offre une occasion unique d'étudier les signatures neuroanatomiques de ces maladies.Le développement de modèles d'apprentissage profonds pour l'imagerie médicale a ouvert la voie à des applications complexes comme la segmentation d'images. Néanmoins, l'applicabilité de telles méthodes aux problèmes de prédiction à l'échelle individuelle à partir d'IRM anatomique reste encore inconnue. Dans cette thèse, nous étudions d'abord la performance des réseaux de neurones actuels en fonction de la quantité de données disponibles. Nous comparons ces performances avec les modèles linéaires régularisés ainsi que les machines à vecteurs de support avec noyau. Nous constatons un problème de sur-ajustement important sur les jeux de données cliniques ainsi qu'une courbe d'apprentissage similaire aux modèles linéaires pour les tailles d'échantillon actuellement accessible en recherche clinique. Nous montrons que cet effet de sur-ajustement est en partie dû au biais induit par les scanners IRM et les protocoles d'acquisition (effet site).Ainsi, nous proposons une nouvelle solution d'apprentissage des représentations sur de grands jeux de données multi-site d'imagerie de la population saine, basée sur l'apprentissage auto-supervisé par contraste. En transférant ces connaissances à de nouveaux jeux de données cliniques, nous démontrons une amélioration des performances de classification et une plus grande robustesse à l'effet site. Par ailleurs, nous fournissons des garanties théoriques de généralisation de ces modèles pour les tâches de classification.Enfin, pour une meilleure reproductibilité et comparaison des modèles profonds en neuroimagerie, nous introduisons un nouveau jeu de données multi-site à large échelle: OpenBHB. Cette base de données est spécialement conçue pour la prédiction de l'âge cérébrale (tâche supervisée) ainsi que la suppression de l'effet site dans les représentations des modèles profonds. Nous proposong également un défi, accessible en ligne, pour l'apprentissage des représentations avec OpenBHB ainsi qu'une nouvelle méthode pour évaluer le biais dans les représentations des modèles soumis.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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