Higher-order brain connectivity (HOBC), which captures interactions among three or more brain regions, provides richer organizational information than traditional pairwise functional connectivity (FC). Recent studies have begun to infer latent HOBC from noninvasive imaging data, but they mainly focus on static analyses, limiting their applicability in dynamic prediction tasks. To address this gap, we propose DCHO, a unified approach for modeling and forecasting the temporal evolution of HOBC based on a Decomposition-Composition framework, which is applicable to both non-predictive tasks (state classification) and predictive tasks (brain dynamics forecasting). DCHO adopts a decomposition-composition strategy that reformulates the prediction task into two manageable subproblems: HOBC inference and latent trajectory prediction. In the inference stage, we propose a dual-view encoder to extract multiscale topological features and a latent combinatorial learner to capture high-level HOBC information. In the forecasting stage, we introduce a latent-space prediction loss to enhance the modeling of temporal trajectories. Extensive experiments on multiple neuroimaging datasets demonstrate that DCHO achieves superior performance in both non-predictive tasks (state classification) and predictive tasks (brain dynamics forecasting), significantly outperforming existing methods.


翻译:高阶脑连接(HOBC)能够捕捉三个或更多脑区之间的相互作用,相比传统的成对功能连接(FC)提供了更丰富的组织信息。近期研究开始从非侵入性成像数据中推断潜在的高阶脑连接,但这些研究主要集中于静态分析,限制了其在动态预测任务中的适用性。为弥补这一不足,我们提出了DCHO——一种基于分解-组合框架的统一方法,用于建模和预测高阶脑连接的时序演化,该方法同时适用于非预测性任务(状态分类)和预测性任务(脑动态预测)。DCHO采用分解-组合策略,将预测任务重构为两个可处理的子问题:高阶脑连接推断与潜在轨迹预测。在推断阶段,我们提出了一种双视图编码器以提取多尺度拓扑特征,并设计了一个潜在组合学习器以捕获高阶脑连接信息。在预测阶段,我们引入了潜在空间预测损失以增强时序轨迹的建模能力。在多个神经影像数据集上的大量实验表明,DCHO在非预测性任务(状态分类)和预测性任务(脑动态预测)中均取得了优越的性能,显著超越了现有方法。

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