Analyses de groupe multivariées pour la neuroimagerie fonctionnelle : avancée conceptuelles et expérimentales

Multivariate group analyses for functional neuroimaging : conceptual and experimental advances

• Auteur / Autrice : Qi Wang
• Direction : Thierry Artières, Sylvain Takerkart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 14/02/2020
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Mathématiques et Informatique de Marseille (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique fondamentale (Marseille) - Institut des Neurosciences de la Timone - Laboratoire d'Informatique et Systèmes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Artières, Sylvain Takerkart, Sophie Achard, Amaury Habrard, Jean-François Bonastre, Hachem Kadri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Achard, Amaury Habrard

Mots clés

Mots clés libres

Neuroimagerie fonctionnelle

Analyse de groupe

Analyse de modèle multivariée

Apprentissage machine

Functional neuroimaging

Group analysis

Multivariate pattern analysis

Machine learning

Résumé

Dans les expériences de neuroimagerie fonctionnelle, les participants effectuent un ensemble de tâches pendant que leur activité cérébrale est enregistrée, par exemple en utilisant l’électroencéphalographie (EEG), la magnétoencéphalographie (MEG) ou l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (fMRI). L'analyse des données d'un groupe de participants, souvent appelée analyse de groupe, vise à identifier des invariants de population qui se rapportent aux tâches accomplies par les participants. Ceci permet de comprendre l'organisation fonctionnelle du cerveau chez les sujets sains et ses dysfonctionnements dans les populations pathologiques. Tandis que les analyses de groupes univariées, basées sur le modèle linéaire généralisé, ont fait l'objet d'études approfondies, de nombreuses questions restent ouvertes pour les analyses de groupe fondées sur des méthodes d'apprentissage machine multivariées. Cette thèse étudie donc sur les analyses de groupe multivariées pour les expériences de neuroimagerie fonctionnelle. Nous nous focalisons sur un schéma d’analyse de groupe multivarié sous utilisé, que nous désignons “analyse de motifs inter-sujet”, qui consiste à entraîner un modèle sur des données d’un ensemble de sujet et à évaluer sa capacité à généraliser sur des données enregistrées dans d’autres sujets. Nous effectuons d’abord une comparaison des résultats fournis par l'analyse de motifs inter-sujet avec ceux obtenus en utilisant la méthode standard. L'analyse inter-sujet offre à la fois une plus grande capacité de détection et facilite l'interprétation des résultats obtenus à un coût de calcul comparable. Dans ce contexte, notre deuxième contribution introduit une formalisation unifiée de l'analyse de motifs inter-sujet, que nous modélisons comme un problème d'apprentissage par transfert transductif multi-sources. Ensuite, nous produisons une revue de la littérature des méthodes développées pour l’analyse de motifs inter-sujet. Puis, nous effectuons une série d’études expérimentales qui examine le bien-fondé de la formalisation par transfert transductif multi-sources de l'analyse de motifs inter-sujet. La quatrième contribution de cette thèse est une nouvelle méthode d'analyse multivariée au niveau du groupe pour les expériences de neuroimagerie fonctionnelle. Notre méthode est basée sur le transport optimal, qui tire parti des propriétés géométriques des cartes d’activité cérébrales pour surmonter les différences inter-individuelles qui ont un impact sur les analyses de groupe traditionnelles.

In functional neuroimaging experiments, participants perform a set of tasks while their brain activity is recorded, e.g. with electroencephalography (EEG), magnetoencephalography (MEG) or functional magnetic resonance imaging (fMRI). Analysing data from a group of participants, which is often denoted as group-level analysis, aims at identifying traits in the data that relate with the tasks performed by the participant and that are invariant within the population. This allows understanding the functional organization of the brain in healthy subjects and its dysfunctions in pathological populations. While group-level analyses for classical univariate statistical inference schemes, such as the general linear model, have been heavily studied, there are still many open questions for group-level strategies based on multivariate machine learning methods. This thesis therefore focuses on multivariate group-level analysis of functional neuroimaging and brings four contributions. The first contribution is a comparison of the results provided by two classifier-based multivariate group-level strategies: i) the standard one in which one aggregates the performances of within-subject models in a hierarchical analysis, and ii) the scheme we denote as inter-subject pattern analysis, where a population-level predictive model is directly estimated from data recorded on multiple subjects. An extensive set of experiments are conducted on both a large number of artificial datasets - where we parametrically control the size of the multivariate effect and the amount of inter-individual variability - as well as on two real fMRI datasets. Our results show that the two strategies can provide different results and that inter-subject analysis both offers a greater ability to small multivariate effects and facilitates the interpretation of the obtained results at a comparable computational cost.We then provide a survey of the methods that have been proposed to improve inter-subject pattern analysis, which is actually a hard task due to the largely heterogeneous vocabulary employed in the literature dedicated to this topic. Our second contribution consists in first introducing an unifying formalization of this framework, that we cast as a multi-source transductive transfer learning problem, and then in reviewing more than 500 related papers to offer a first comprehensive view of the existing literature where inter-subject pattern analysis was used in task-based functional neuroimaging experiments.Our third contribution is an experimental study that examines the well-foundedness of our multi-source transductive transfer formalization of inter-subject pattern analysis. With fMRI and MEG data recorded from numerous subjects, we demonstrate that between-subject variability impairs the generalization ability of classical machine learning algorithms and that a standard multi-source transductive learning strategy improves the generalization performances of such algorithms. Based on these promising results we further investigate the use of two more advanced machine learning methods to deal with the multi-source problem.The fourth contribution of this thesis is a new multivariate group-level analysis method for functional neuroimaging datasets. Our method is based on optimal transport, which leverages the geometrical properties of multivariate brain patterns to overcome inter-individual differences impacting the traditional group-level analyses. We extend the concept of Wasserstein barycenter, which was initially meant to average probability measures, to make it applicable to arbitrary data that do not necessarily fulfill the properties of a true probability measure. For this, we introduce a new algorithm that estimates a barycenter and provide an experimental study on artificial and real functional MRI.