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바이오 /의학 데이터로부터의 지식발견 기법 연구

김유경

선도연구센터 SRC

1

김유경 | 바이오 /의학 데이터로부터의 지식발견 기법 연구

I

II

III

IV

연구의 주제 및 성격

연구의 선도성

연구의 융합성

연구 실적 목록

V 향후 계획

목차



바이오 /의학 데이터인 다차원 뇌 영상 데이터베이스를 구축하고 뇌 신경망의 특성 추출 방법의 개발 , 질병의 특성 추출 - 분류 - 예후평가를 위한 지식발견 기법을 연구

연구의 주제 및 성격 – 바이오 /의학 데이터로부터의 지식발견 기법 연구

[Brain Data] [Brain network]

분석

가공

1 단계 : 데이터선정 /확보 2 단계 : 뇌 신경망 구성 3 단계 : 지식발견기법

[Creative Knowledge]

적용

뇌 구조및 해부학적인 정보 – MRI, DTI

뇌 기능적 정보 – PET, fMRI

뇌 구조 /기능 정보를 이용한 신경망 구성

뇌 신경망을 이용한 질환 분류및 예후평가

뇌 영상 데이터를 이용한 뇌 신경계 만성 질환의 진행 모델 개발

신경망의 특성 추출

다차원 뇌 신경망 정보의 통합모델 제시

L.S-AccL.T-Tp

L.S-HG

L.T-PP

R.P-SPG R.P-AGR.T-ITi

L.T-MTr

R.T-ITc

O,C

R.S-HG/ PHr/PHc,

T,PR.T-PT/TE/

STr/MTiL.S-PHc

FR.P

R.S-Am

R.P-AGR.T-ITi

R.P-SPG

L.S-HGL.S-Acc

S

R.T-ITc

R.T-PT/TE/ STr/MTi

T

R.S-Am

R.F-SF

AD

정상성인의 노화에 따른 뇌 변화의 규준 확립질환의 진행에 따른 뇌 변화 데이터의 확보

20

40

60

80

00 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

β0

Filtration value ε

AU

C

age

20s

40s

60s



• 뇌 영상 데이터로부터 뇌 신경망을 구성하고 질환 특이적 특성을 추출을 위한 방법론의 개발은 임상적용 , 활용 가능성 측면에서 선도적임

• 다차원 뇌 영상 데이터를 이용한 뇌 신경망의 통합모델 제시를 위한 방법의 개발은 실제 바이오 /의학 데이터로부터 질환의 진단 및 분류 예측을 위한 지식 발견 기법 활용에 선도적 기여를 할 것임 .

연구의 선도성 – 연구 주제 , 방법과 성과 측면

연구 주제의 선도성 연구 방법의 선도성

바이오 의학 데이터의 특성을 고려하지 않은 단순 뇌 기능 평가바이오 의학 데이터의 특성을 고려하지 않은 단순 뇌 기능 평가

질환의 진단및 분류의 활용을 위한 지식창출질환의 진단및 분류의 활용을 위한 지식창출

기존 연구 한계

다차원 뇌영상 결과 병렬적 나열다차원 뇌영상 결과 병렬적 나열

뇌 영역간 낮은 상관관계의 무시 및 입력관계의 임의적 선정뇌 영역간 낮은 상관관계의 무시 및 입력관계의 임의적 선정

질환분류의 민감도를 높이고 질환 특이적 신경망의 특성을 추출할 수 있는 방법 개발

질환분류의 민감도를 높이고 질환 특이적 신경망의 특성을 추출할 수 있는 방법 개발

다차원 뇌 영상정보의 통합적 해석을 위한 분석 방법다차원 뇌 영상정보의 통합적 해석을 위한 분석 방법

바이오 /의학 데이터의 특성을 보존한 분석방법의 개발바이오 /의학 데이터의 특성을 보존한 분석방법의 개발

연구 성과의 선도성

뇌 신경망 변화의 1 차원적 조망뇌 신경망 변화의 1 차원적 조망

뇌 영상 데이터의 1 차원적 활용뇌 영상 데이터의 1 차원적 활용

바이오 /의학 데이터가 가지고 있는 최대한의 정보를 활용한 지식 창출

바이오 /의학 데이터가 가지고 있는 최대한의 정보를 활용한 지식 창출

뇌 신경망분석의 질환 활용기술


뇌 신경망 특성 추출 기법


고차원 뇌 영상 데이터로부터 다차원적 정보의 통합모델 제시고차원 뇌 영상 데이터로부터 다차원적 정보의 통합모델 제시

뇌 영상기술 임상적 활용



• 바이오 /의학 데이터로부터의 우수한 지식발견을 위해서는 의학 , 통계학 , 컴퓨터 과학이 융합된 다학제적 연구가 진행되어야 함 .

• 뇌 영상 데이터로부터 발견된 지식의 실용 및 임상 활용을 위해서는 민감도가 높고 질환 특이성을 잘 찾아낼 수 있는 통계적 방법 , 새로운 컴퓨터 과학적 방법이 뒷받침되어야 함 .

연구의 융합성 – 연구 주제 , 과정과 인력 측면

연구 과정의 융합성

기술경영 : 다양한 기계학습적 기법에 적용 . 성능비교

기술경영 : 다양한 기계학습적 기법에 적용 . 성능비교

뇌 영상 데이터로

부터 신경망 특성 추출

고차원 신경망의 시각화 및 분류기법

통계적 유의성 ( 통계학 )

분류기법 및 시각화( 컴퓨터 과학 )

데이터 분석과 시각화 부분 모두에서 다른 팀들과의 협업을 수행

기술경영 : 통계학 랩미팅 조인 융합연구 진행데이터 모델링 : 바이오 /의학 데이터 특성보존한 통계적 분석 알고리즘에 대한 협동연구 진행

기술경영 : 통계학 랩미팅 조인 융합연구 진행데이터 모델링 : 바이오 /의학 데이터 특성보존한 통계적 분석 알고리즘에 대한 협동연구 진행

정보 시각화 : 효율적 시각화를 위한 연구진행정보 시각화 : 효율적 시각화를 위한 연구진행

통계학 ( 이영조교수 연구팀 )

컴퓨터 과학

데이터 모델링 및 통계적 유의성 검증을 위한 통계방법 개발 뇌 신경망 데이터에 적용

데이터 모델링 및 통계적 유의성 검증을 위한 통계방법 개발 뇌 신경망 데이터에 적용

뇌 신경망 특성의 정보 시각화 및 구조적 시각화에 적용을 위한 융합 가능성

뇌 신경망 특성의 정보 시각화 및 구조적 시각화에 적용을 위한 융합 가능성

타 분야와의 융합 연구 경험 및 지식을 갖춘 연구 인력으로 구성

연구 인력의 융합성연구 주제의 융합성

의학

다차원 뇌 영상 데이터 통합 기법 제공 질환 활용을 위한 민감하고 특이적인 통계방법 제공

통계학

뇌 신경망 다차원적시각화 기법 제공

질환분류를 위한 기계학습적 방법제공

컴퓨터 과학

바이오 /의학 데이터의 특성 활용 및 보존을 위한지식 제공

뇌 신경망 기반의 질환 분류및 예측



• 주제와 관련된 다양한 연구를 진행하였으며 , 초기의 단독연구 단계를 거쳐 다른 팀들과의 공동연구 단계로 확대 발전∙

연구 실적 목록 – 학술지 실적

논문명 게재연월 저널명 구분

Central presentation of postviral olfactory loss evaluated by positron emission tomography scan: A pilot study

201205AMERICAN JOURNAL OF RHINOLOGY &

ALLERGYSCI

Persistent brain network homology from the perspective of dendrogram 201212 IEEE Transactions on Medical Imaging SCI

Transcranial Direct Current Stimulation to Lessen Neuropathic Pain After Spinal Cord Injury: A Mechanistic PET Study

201311 Neurorehabilitation and neural repair SCI

Cortical and white matter alterations in patients with neuropathic pain after spinal cord injury 201312 Brain Research SCI

Investigating the Different Mechanisms of Genotoxic and Non-Genotoxic Carcinogens by a Gene Set Analysis

201401 PLOS ONE SCI

Blocking of Irrelevant Memories by Posterior Alpha Activity Boosts Memory Encoding 201402 HUMAN BRAIN MAPPING SCI

In Vivo Imaging of mGluR5 Changes during Epileptogenesis Using [11C]ABP688 PET in Pilocarpine-Induced Epilepsy Rat Model

201403 PLoS ONE SCI

Abnormal metabolic connectivity in the pilocarpine-induced epilepsy rat model: A multiscale network analysis based on persistent homology

201405 Neuroimage SCI

Functional Recovery After Ischemic Stroke Is Associated With Reduced GABAergic Inhibition in the Cerebral Cortex: A GABA PET Study

201407 Neurorehabilitation and Neural Repair SCI

Morphological brain network assessed using graph theory and network filtration in deaf adults 201409 Hearing Research SCI Optimal likelihood-ratio multiple testing with application to Alzheimer’s disease and questionable

dementia2015 BMC Medical Research Methodology SCI

Brain networks engaged in audiovisual integration during speech perception revealed by persistent homology-based network filtration

2015Epub Brain Connectivity 비 SCI




연구 실적 목록 – 국제학회 실적

논문명 학회명

Functional and structural network in left medial temporal lobe epilepsy using graph filtration

Organizations for Human Brain Mapping 2012

Similar brain network in children with autism spectrum disorder and their unaffected siblings


Edge selection method preserving the topological features of brain network


Graphical modeling of brain network on fMRI during audiovisual speech task


Changes on gray matter density and cortical thickness in postlingual deaf by CCA and jICA


The Association of Amyloid Burden with Cerebral Glucose Metabolism and Gray Matter Volumn in Alzheimer's

Disease


Network analysis based on graph filtration during working memory maintenance

The 18th International Conference on Biomagnetism

Weighted functional brain network modeling via network filtration

NIPS workshop on Algebraic Topology and Machine Learning

Altered Cortical and hippocampal connectivity patterns of striatum in Parkinson's disease

2013 Organization for Human Brain Mapping

논문명 학회명

Alteration of corticostriatal connectivity in impulse control behaviors in Parkinson’s disease

Society for Neuroscience 2013 Annual Meeting

Correlation between white matter integrity and cognitive function in ADHD

Society for Neuroscience 2013 Annual Meeting

Functional Modules of Cross-Time and Frequency Power in Attentional Control overn Brain Mapping

Organization for Human Brain Mapping 2014

Different Grey Matter Changes in Internet Addiction from Alcohol


Age-related changes on structural brain network in healthy adults


Gray Matter Changes in Parkinson's Disease Patients with Rapid Eye Movement Sleep


Gender difference of metabolic brain network with weighted structural connection


Morphological brain network alterations in deaf adults assessed by cortical thickness


Aberrant module detection in metabolic network of Alzheimer’s disease using higher order Laplacian





연구 실적 목록 – 국내학회 실적

논문명 학회명

Large-scale functional brain network for attentional regulation of encoding: Oscillatory interactions based on bipartite graph filtration

2014 대한뇌기능매핑학회 추계학술대회

Abberant structural network in children with attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) using network filtration analysis


Age-related chanages of resting state metabolic and funcitonal brain network in healthy adults using graph filtration




• 현재 3 단계 과정 중 1 단계 데이터베이스 구축과 2 단계인 지식 창출 방법론 개발 단계가 진행 중이며 , 이를 바탕으로 3 단계 뇌 신경망 기반의 질환분류 및 시스템의 모듈을 구축할 계획

향후 계획 – 추진 로드맵

진행중1 단계

(2011~2012)

진행중2 단계

(2012~2015)

기획중3 단계

(2015~2017)

데이터 선정 및 수집 정상성인 뇌의 구조및 기능적 영상 정보를 수집 바이오 / 의학 데이터 특성보존을 위한 탐색 및 특성 파악 질환군 뇌 영상 데이터의 확보

지식 창출 방법론 개발 뇌 영상 데이터 전처리 , 변환 및 신경망 구성 질환 특이적 신경망 특성 추출 방법의 개발 다차원 데이터의 통합적 분석을 위한 데이터 분석 방법론 적용

바이오 / 의학 데이터로부터 지식발견 기법의 활용 질환 특이적 신경망 특성을 이용한 질환의 분류및 예후 평가방법 구축 뇌 신경망을 기반으로 한 질환 진행 모델 제시

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