Electroencephalograms (EEG) are noninvasive measurement signals of electrical neuronal activity in the brain. One of the current major statistical challenges is formally measuring functional dependency between those complex signals. This paper, proposes the spectral causality model (SCAU), a robust linear model, under a causality paradigm, to reflect inter- and intra-frequency modulation effects that cannot be identifiable using other methods. SCAU inference is conducted with three main steps: (a) signal decomposition into frequency bins, (b) intermediate spectral band mapping, and (c) dependency modeling through frequency-specific autoregressive models (VAR). We apply SCAU to study complex dependencies during visual and lexical fluency tasks (word generation and visual fixation) in 26 participants' EEGs. We compared the connectivity networks estimated using SCAU with respect to a VAR model. SCAU networks show a clear contrast for both stimuli while the magnitude links also denoted a low variance in comparison with the VAR networks. Furthermore, SCAU dependency connections not only were consistent with findings in the neuroscience literature, but it also provided further evidence on the directionality of the spatio-spectral dependencies such as the delta-originated and theta-induced links in the fronto-temporal brain network.


翻译:电脑图(EEG)是大脑中电子神经活动的非侵入性测量信号。当前的主要统计挑战之一是正式测量这些复杂信号之间的功能依赖性。本文提出光谱因果关系模型(SCAU),这是一个强有力的线性模型,在因果关系范式下,反映了无法用其他方法识别的跨频和中频调制效应。 SCAU的推论分为三个主要步骤:(a) 信号分解成频率箱,(b) 中间频谱带绘图,以及(c) 通过特定频率自动递增模型(VAR)进行依赖性建模。我们运用SCAU在26个参与者的 EEG中研究视觉和词汇流传任务(生成和视觉固定)期间的复杂依赖性。我们比较了使用SCAU和VAR模型估计的连接网络。 SSCAU网络显示出两种信号的明显反差,而规模联系也表明与VAR网络的大小差异很小。此外,SCAU的依赖性连接不仅与神经科学研究文献中的发现结果相一致,而且还进一步提供了作为层层关系的进一步证据。

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