Functional connectivity (FC) refers to the investigation of interactions between brain regions to understand integration of neural activity in several regions. FC is often estimated using functional magnetic resonance images (fMRI). There has been increasing interest in the potential of multi-modal imaging to obtain robust estimates of FC in high-dimensional settings. We develop novel algorithms adapting graphical methods incorporating diffusion tensor imaging (DTI) to estimate FC with computational efficiency and scalability. We propose leveraging a graphical random walk on DTI to define a new measure of structural connectivity highlighting spurious connected components. Our proposed approach is based on finding appropriate subnetwork topology using permutation testing before selection of subnetwork components comprising FC. Extensive simulations demonstrate that the performance of our methods is comparable to or better than currently used approaches in estimation accuracy, with the advantage of greater speed and simpler implementation. We analyze task-based fMRI data obtained from the Human Connectome Project database using our proposed methods and reveal novel insights into brain interactions during performance of a motor task. We expect that the transparency and flexibility of our approach will prove valuable as further understanding of the structure-function relationship informs future network estimation.


翻译:功能连通(FC)是指调查大脑区域之间的相互作用,以了解若干区域神经活动的整合情况。FC往往是使用功能磁共振图像估计的。对多模式成像的潜力的兴趣日益浓厚,以便在高维环境中获得对FC的可靠估计。我们开发了新的算法,使图形方法适应了扩散高光成像(DTI),以利用计算效率和可扩缩性来估计FC。我们提议利用DTI的图形随机行走来确定结构连通的新尺度,突出虚假的连通组件。我们提议的方法是在选择由FC组成的子网络组件之前,通过变异测试找到适当的子网络表层。广泛的模拟表明,我们方法的性能与目前用来估计准确性的方法相似或更好,其优点是更快捷和更简单的执行。我们利用我们提出的方法分析人类连通项目数据库中基于任务的FMRI数据,并揭示在执行运动任务期间对大脑互动的新见解。我们期望我们的方法的透明度和灵活性将证明其价值,因为进一步理解结构-功能关系有助于未来网络的估算。

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