Enhancing neuromolecular imaging classification in low-data regimes with generative machine learning: A case study in HDAC PET/MR imaging of alcohol use disorder - 23/08/25

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.

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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 [ 11 C]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 [ 11 C]Martinostat PET/MR shows promise as an objective biomarker for AUD, complementing DSM-based diagnosis and informing novel treatment strategies.

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Graphical abstract




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Highlights

Addressed low-data regime challenge in neuromolecular PET/MR imaging biomarker research using generative AI.
Application to class I histone deacetylase (HDAC) in vivo imaging in alcohol use disorder (AUD).
Proposed Catalysis Training approach combining real and synthetic data in training to boost neuromolecular imaging classifiers.
Leveraged WCGAN to generate high-quality synthetic low-throughput 1-D HDAC PET imaging feature vectors (SUVR).
Identified hemispheric and subregional cingulate HDAC patterns as potential biomarkers for AUD using [ 11 C]Martinostat radiotracer.

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