Enhancing neuromolecular imaging classification in low-data regimes with generative machine learning: A case study in HDAC PET/MR imaging of alcohol use disorder - 14/08/25

Doi : 10.1016/j.neuri.2025.100225 
Tyler N. Meyer a, Olga Andreeva c, Roger D. Weiss b, e, Wei Ding d, Iris Shen a, Changning Wang a, Ping Chen c, Tewodros Mulugeta Dagnew a,
a Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging, Department of Radiology, Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, Boston, MA, USA 
b Department of Psychiatry, Harvard Medical School, Boston, MA, USA 
c Department of Engineering, University of Massachusetts Boston, Boston, MA, USA 
d Department of Computer Science, University of Massachusetts Boston, Boston, MA, USA 
e Division of Alcohol, Drugs, and Addiction, McLean Hospital, Belmont, MA, USA 

Corresponding author.

Bienvenue sur EM-consulte, la référence des professionnels de santé.
Article gratuit.

Connectez-vous pour en bénéficier!

Sous presse. Manuscrit accepté. Disponible en ligne depuis le Thursday 14 August 2025
Cet article a été publié dans un numéro de la revue, cliquez ici pour y accéder

Abstract

Introduction

Positron Emission Tomography (PET) is a vital modality for investigating brain related disorders. However, data scarcity especially for novel molecular targets like neuroepigenetic enzymes combined with difficult-to-recruit patient populations limits the development of machine learning (ML) models. Our primary objective is to enhance single-subject classification of neuromolecular imaging data and facilitate biomarker discovery. We demonstrate our approach using histone deacetylase (HDAC) PET/MR imaging in Alcohol Use Disorder (AUD).

Methods

We propose Catalysis Training pipeline, a framework that augments real imaging data with high-quality synthetic data generated by a Wasserstein Conditional Generative Adversarial Network (WCGAN). Using [11C]Martinostat PET/MR imaging, we extracted 1-D standardized uptake value ratio (SUVR) tabular features representing HDAC enzyme expression density across eight cingulate subregions. These were used to train and test ML classifiers, including Support Vector Machine (SVM), XGBoost, and Random Forest, under leave-one-out cross-validation.

Results

Integrating synthetic data in the training process improved classification accuracy significantly: +26% for XGBoost and Random Forest (from 59% to 85%), and +18% for SVM (from 70% to 88%). Synthetic samples improved model generalizability. Key hemispheric and subregional cingulate HDAC patterns were also identified as potential biomarkers.

Conclusion

Our results demonstrate that generative AI can help overcome data scarcity in low-data regime neuroimaging applications. Catalysis Training provides a scalable strategy to enhance ML-driven biomarker discovery and disease classification, especially for rare or difficult-to-study disorders like AUD. Clinically, cingulate HDAC expression measured by [11C]Martinostat PET/MR shows promise as an objective biomarker for AUD, complementing DSM-based diagnosis and informing novel treatment strategies.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Graphical abstract




Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Highlights

Addressed a major issue in neuroimaging biomarker research in rare or difficult-to-recruit populations using generative AI and showed an application in alcohol use disorder (AUD) neuroepigenetics PET/MR brain imaging.
Proposed a catalysis training approach, a generative machine learning-based approach to enhance the classification performance of neuromolecular imaging models for brain related disorders, that utilizes generated data and real data jointly during training but uses only real data for testing.
Improved Histone deacetylase (HDAC) enzyme expression density pattern recognition in the in vivo brain to differentiate healthy controls vs. AUD participants.
Leveraged conditional Wasserstein GAN to generate high-quality synthetic histone deacetylase (HDAC) 1-D tabular PET imaging feature vectors (i.e., standardized uptake value ratio, SUVR).
Investigated and showed the biomarker capability of the sub-regions of the Cingulate region when the HDAC is imaged with [11C]Martinostat tracer and the data analytics is enhanced with the proposed approach.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Plan


© 2025  The Author(s). Publié par Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés.
Ajouter à ma bibliothèque Retirer de ma bibliothèque Imprimer
Export

    Export citations

  • Fichier

  • Contenu

Bienvenue sur EM-consulte, la référence des professionnels de santé.

Elsevier s'engage à rendre ses eBooks accessibles et à se conformer aux lois applicables. Compte tenu de notre vaste bibliothèque de titres, il existe des cas où rendre un livre électronique entièrement accessible présente des défis uniques et l'inclusion de fonctionnalités complètes pourrait transformer sa nature au point de ne plus servir son objectif principal ou d'entraîner un fardeau disproportionné pour l'éditeur. Par conséquent, l'accessibilité de cet eBook peut être limitée. Voir plus

Mon compte


Plateformes Elsevier Masson

Déclaration CNIL

EM-CONSULTE.COM est déclaré à la CNIL, déclaration n° 1286925.

En application de la loi nº78-17 du 6 janvier 1978 relative à l'informatique, aux fichiers et aux libertés, vous disposez des droits d'opposition (art.26 de la loi), d'accès (art.34 à 38 de la loi), et de rectification (art.36 de la loi) des données vous concernant. Ainsi, vous pouvez exiger que soient rectifiées, complétées, clarifiées, mises à jour ou effacées les informations vous concernant qui sont inexactes, incomplètes, équivoques, périmées ou dont la collecte ou l'utilisation ou la conservation est interdite.
Les informations personnelles concernant les visiteurs de notre site, y compris leur identité, sont confidentielles.
Le responsable du site s'engage sur l'honneur à respecter les conditions légales de confidentialité applicables en France et à ne pas divulguer ces informations à des tiers.


Tout le contenu de ce site: Copyright © 2026 Elsevier, ses concédants de licence et ses contributeurs. Tout les droits sont réservés, y compris ceux relatifs à l'exploration de textes et de données, a la formation en IA et aux technologies similaires. Pour tout contenu en libre accès, les conditions de licence Creative Commons s'appliquent.