While the standard network description of complex systems is based on quantifying links between pairs of system units, higher-order interactions (HOIs) involving three or more units play a major role in governing the collective network behavior. This work introduces an approach to quantify pairwise and HOIs for multivariate rhythmic processes interacting across multiple time scales. We define the so-called O-information rate (OIR) as a new metric to assess HOIs for multivariate time series, and propose a framework to decompose it into measures quantifying Granger-causal and instantaneous influences, as well as to expand it in the frequency domain. The framework exploits the spectral representation of vector autoregressive and state-space models to assess synergistic and redundant interactions among groups of processes, both in specific bands and in the time domain after whole-band integration. Validation on simulated networks illustrates how the spectral OIR can highlight redundant and synergistic HOIs emerging at specific frequencies but not using time-domain measures. The application to physiological networks described by heart period, arterial pressure and respiration measured in healthy subjects during paced breathing, and to brain networks described by ECoG signals acquired in an animal experiment during anesthesia, document the capability of our approach to identify informational circuits relevant to well-defined cardiovascular oscillations and brain rhythms and related to specific physiological mechanisms of autonomic control and altered consciousness. The proposed framework allows a hierarchically-organized evaluation of time- and frequency-domain interactions in networks mapped by multivariate time series, and its high flexibility and scalability make it suitable to investigate networks beyond pairwise interactions in neuroscience, physiology and other fields.


翻译:虽然对复杂系统的标准网络描述基于系统单位对配对之间数量化的联系,但涉及三个或三个以上单位的更高阶互动(HOI)在管理集体网络行为方面起着重要作用。这项工作引入了一种方法,以数量化对称和 HAIs,用于多个时间尺度的多变同步过程。我们将所谓的O信息率(OIR)定义为一种新的衡量标准,用于评估多变时间序列的HAI(HOI),并提议一个框架,将它分解为量化Granger-chousal和瞬时空影响的措施,以及在频率域内扩展。框架利用矢量递递递递递和州-空间模型的光谱代表来评估矢量递递递增和超时节行为。我们定义的光谱 OIR率(OIR)是用来评估在特定频率上出现的多余和协同性HIs(HIs),但不使用时间尺度。根据心脏期描述的生理网络的应用情况,对健康主题在呼吸过程中的流压和经测测测测测的网络进行。根据ECO-G在特定时间顺序感官运动的机流流中,在相关的循环中,通过相关的智能和大脑动力流中,对特定神经机能测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测到了一个与机机机路机机机机机路的机机机机机机机机能的系统测测算系统测测测测测测测测测测测测测路机的系统测路的系统测路。

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