Resting state brain functional connectivity quantifies the similarity between brain regions, each of which consists of voxels at which dynamic signals are acquired via neuroimaging techniques such as blood-oxygen-level-dependent signals in functional magnetic resonance imaging. Pearson correlation and similar metrics have been adopted by neuroscientists to estimate inter-regional connectivity, usually after averaging of signals within regions. However, dependencies between signals within each region and the presence of noise could contaminate such inter-regional correlation estimates. We propose a mixed-effects model with a novel covariance structure that explicitly isolates the different sources of variability in the observed BOLD signals, including correlated regional signals, local spatiotemporal variability, and measurement error. Methods for tackling the computational challenges associated with restricted maximum likelihood estimation will be discussed. Large sample properties are discussed and used for uncertainty quantification. Simulation results demonstrate that the parameters of the proposed model parameters can be accurately estimated and is superior to the Pearson correlation of averages in the presence of spatiotemporal noise. The proposed model is also applied to a real data set of BOLD signals collected from rats to construct individual brain networks.


翻译:神经科学家通常在区域内部平均信号之后,采用了皮尔逊相关性和类似测量标准来估计区域间连接。然而,每个区域内的信号与噪音的存在之间的依赖性可能会污染这种区域间相关估计。我们提出了一种混合效应模型,其中含有一种新颖的共变结构,明确分离所观测到的BOLD信号的不同变异源,包括相关的区域信号、局部波段时变异性和测量错误。将讨论处理与有限最大可能性估计有关的计算挑战的方法。讨论并使用大量样本特性来测定不确定性。模拟结果表明,拟议的模型参数参数的参数可以准确估计,并且优于在出现波多时噪音时平均值的皮尔逊相关性。拟议的模型还适用于从老鼠收集的BOLD信号的真实数据集,以构建单个脑网络。

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