Multimodales Graph-Netzwerk prognostiziert Gehirnnetzwerk-Reorganisation

Ein neues multimodales Graph-Neuronales Netzwerk verspricht, die dynamische Umstrukturierung von Gehirnnetzwerken präziser vorherzusagen als je zuvor. Durch die Kombination von struktureller MRT, Diffusions-Tensor‑Imaging und funktioneller MRT werden Gehirnregionen als Knoten und deren strukturelle sowie funktionelle Verbindungen als Kanten in longitudinalen Graphen abgebildet.

Die zeitliche Entwicklung der Netzwerke wird mithilfe von fraktionalen stochastischen Differentialoperatoren in graphbasierten rekurrenten Netzwerken erfasst. Diese Technik ermöglicht es, langfristige Abhängigkeiten und zufällige Schwankungen in der Netzwerkdynamik zu modellieren, was besonders wichtig ist, um kognitive Abnahme und neurologische Fortschritte vorherzusagen.

Durch Attention‑Mechanismen werden die multimodalen Daten zusammengeführt und liefern interpretierbare Biomarker wie Netzwerk‑Energie‑Entropie, Graph‑Krümmung, fraktionale Gedächtnisindizes und modal-spezifische Aufmerksamkeitswerte. Diese Kennzahlen werden zu einem zusammengesetzten Prognoseindex kombiniert, der das individuelle Risiko für Netzwerkinstabilität oder kognitive Verschlechterung quantifiziert.

Experimentelle Tests an longitudinalen Neuroimaging‑Datensätzen zeigen, dass das Modell nicht nur hohe Vorhersagegenauigkeit, sondern auch eine klare Interpretierbarkeit bietet. Die Ergebnisse unterstreichen das Potenzial mathematisch fundierter, multimodaler Graph‑Ansätze, klinisch relevante Biomarker aus bereits vorhandenen Bildgebungsdaten abzuleiten – ohne dass zusätzliche Datenerhebungen nötig sind.