预印本 · arXiv稀疏体素级学习

SLIM-Brain

A Data- and Training-Efficient
Foundation Model for fMRI Data Analysis

找到关键时刻,
再学习其中的细节。

SLIM-Brain 将代表性时间窗送入稀疏体素编码器,降低长时程 fMRI 记录的表征学习成本。

约 4,000
次预训练扫描
约 30%
所比较 Swin 体素模型的 GPU 显存用量
Top-k
代表性时间窗路由
4D Hiera
稀疏 JEPA 体素编码器
SLIM-Brain 论文原文方法图
轻量浏览全局,选择性地编码体素。使用论文原文方法图。原论文 ↗

体素级模型应该把计算预算用在哪里?

体素级 fMRI 保留脑区平均可能掩盖的空间细节,但长记录会在每个时间点重复一个庞大的三维体积。密集编码器可能把显存用在非脑背景、重复时刻和被掩蔽单元上,而这些内容并不都需要同样精细的计算。

SLIM-Brain 把两件事分开:哪些时间片段值得仔细看,以及其中哪些空间单元需要进入昂贵的编码器。轻量全局分支先浏览时间序列,稀疏体素分支再对选定窗口学习细节,目标是在较小的数据与显存预算下获得可迁移的表征。

两层选择:先选时间,再减少空间计算

上方原文方法图可以看作一条路由流程:完整记录用于粗粒度时间概览,只有选定窗口接受精细的四维编码。下游预测使用体素编码器的特征;全局分支负责决定它应当看哪里。

选择有代表性的时间窗

轻量全局 masked autoencoder 通过 mutual masked reconstruction 评分,考察一个窗口对其余记录的代表性,再选出 top-k 窗口。它并非把整段密集序列交给体素编码器;这里的“代表性”也不等于激活最强或最明显的任务时刻。

进入昂贵计算前就跳过无效单元

选定窗口送入 4D Hiera 编码器。非脑背景和被掩蔽单元不进入对应编码器的输入,而不是先生成完整密集网格再处理。空间稀疏与时间路由互补:需要精细编码的时刻更少,每个窗口中需要保留中间激活的单元也更少。

学习特征,不使用重型体素重建头

Hiera-JEPA 根据上下文特征预测目标分支的潜在特征,而非重建完整原始体积。体素特征经过池化形成下游描述符。这是在时间路由、空间稀疏之外的第三项效率设计;全局概览不直接作为最终预测特征。

把显存收益和表征质量分开测量

默认模型含 45M 参数,使用 4,129 次扫描预训练,再适配到 ABIDE、ADHD-200、ADNI 和 PPMI 等外部数据。实验还单独比较窗口选择与编码器结构,把效率变化落实到具体设计上,而非仅给出一个总体分数。

选窗口,不能只是随意丢窗口

ADHD 的 linear probing 消融中,top-k 选择的准确率为 61.1%,随机选择为 56.0%。这直接检验时间路由器:减少窗口数量有意义的前提,是保留下来的窗口仍携带任务所需的信息。

显存更少,并不代表所有分数都更高

在 1K 预训练、200 帧输入的结构比较中,Hiera-JEPA 每样本使用 2.3 GB 显存,Swin-SIM 为 8.0 GB。HCP fingerprint 准确率大幅提高,HCP 性别准确率变化较小,ABIDE 年龄准确率则仍低于 Swin-JEPA。因此,“约 30% 显存”描述的是具体测量结果,不是通用加速倍数,也不是所有任务都提升。

1K 预训练、200 帧输入下的编码器结构消融
编码器 / 目标GPU 显存 · GB ↓HCP fingerprint · ACC % ↑ABIDE 年龄 · ACC % ↑
Swin-SIM8.038.259.3
Swin-JEPA4.084.062.1
Hiera-MAE2.490.052.6
Hiera-JEPA2.398.559.6
原文表 4,显存为该设置下的每样本用量。这是 1K 结构消融模型,不是默认的 4,129 次扫描模型。表 1 另报告外部微调准确率:ADHD 63.53 ± 0.53%、ADNI MCI 69.12 ± 1.38%、PPMI 70.40 ± 0.59%。

原论文 · 表 1、2、4 ↗

保留有用细节,不必密集编码所有内容

SLIM-Brain 的效率来自时间选择、空间稀疏和潜在预测的配合。代表性窗口评分适合重复出现的模式,但论文也指出,独特的任务诱发片段可能因此被降低优先级。对于事件导向的研究,窗口选择本身应与下游模型一起接受验证。

了解设计,也看清实验中的取舍

可以先读时间路由与稀疏编码器部分,再比较窗口选择和结构消融。论文提供了设计与实验说明;本站目前未列出 SLIM-Brain 的公开代码或权重链接。

Paper ↗

阅读研究

了解时间路由、稀疏学习与实验评估。

Code

暂无公开链接

实现细节可参考原论文。

Weights

暂无公开链接

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SLIM-Brain: A Data- and Training-Efficient Foundation Model for fMRI Data Analysis

Mo Wang, Junfeng Xia, Wenhao Ye, Enyu Liu, Kaining Peng, Jianfeng Feng, Quanying Liu, Hongkai Wen

arXiv · 预印本
论文版本: · 状态来源: 预印本

本文由 fMRI Atlas 根据上述原始研究整理。

本文更新:

阅读原文摘要(英文)

Foundation models are emerging as a powerful paradigm for fMRI analysis; however, current approaches are hindered by a dual bottleneck in data and computational efficiency. Atlas-based methods aggregate voxel signals into fixed regions of interest (ROIs), which reduces dimensionality but discards fine-grained spatial details and necessitates massive cohorts for effective pre-training. Conversely, atlas-free methods operate directly on voxel-level data to preserve spatial fidelity, but their memory and compute requirements often make end-to-end voxel-level processing of full-length fMRI sequences impractical. In this work, we introduce SLIM-Brain, an atlas-free foundation model that uses a lightweight global encoder to score temporal windows from long fMRI recordings while applying voxel-level computation only to the selected windows. SLIM-Brain adopts a two-stage adaptive design: (i) a lightweight temporal extractor ranks windows by how well they represent the remainder of the recording, and (ii) a 4D hierarchical encoder (Hiera-JEPA) learns fine-grained voxel-level representations only from the top-k representative windows while pruning approximately 70% of non-brain or masked units. The downstream predictor uses the voxel-level descriptor; the global encoder is used only for routing. Extensive experiments across external public benchmarks show that SLIM-Brain achieves strong performance on diverse tasks while requiring only about 4 thousand pre-training sessions and approximately 30% of the GPU memory used by Swin-based voxel-level models.

BibTeX

@misc{slimbrain2025,
  title={SLIM-Brain: A Data- and Training-Efficient Foundation Model for fMRI Data Analysis},
  author={Wang, Mo and Xia, Junfeng and Ye, Wenhao and Liu, Enyu and Peng, Kaining and Feng, Jianfeng and Liu, Quanying and Wen, Hongkai},
  year={2025},
  eprint={2512.21881},
  archivePrefix={arXiv},
  url={https://arxiv.org/abs/2512.21881}
}
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