Task functional magnetic resonance imaging (fMRI) is a type of neuroimaging data used to identify areas of the brain that activate during specific tasks or stimuli. These data are conventionally modeled using a massive univariate approach across all data locations, which ignores spatial dependence at the cost of model power. We previously developed and validated a spatial Bayesian model leveraging dependencies along the cortical surface of the brain in order to improve accuracy and power. This model utilizes stochastic partial differential equation spatial priors with sparse precision matrices to allow for appropriate modeling of spatially-dependent activations seen in the neuroimaging literature, resulting in substantial increases in model power. Our original implementation relies on the computational efficiencies of the integrated nested Laplace approximation (INLA) to overcome the computational challenges of analyzing high-dimensional fMRI data while avoiding issues associated with variational Bayes implementations. However, this requires significant memory resources, extra software, and software licenses to run. In this article, we develop an exact Bayesian analysis method for the general linear model, employing an efficient expectation-maximization algorithm to find maximum a posteriori estimates of task-based regressors on cortical surface fMRI data. Through an extensive simulation study of cortical surface-based fMRI data, we compare our proposed method to the existing INLA implementation, as well as a conventional massive univariate approach employing ad-hoc spatial smoothing. We also apply the method to task fMRI data from the Human Connectome Project and show that our proposed implementation produces similar results to the validated INLA implementation. Both the INLA and EM-based implementations are available through our open-source BayesfMRI R package.


翻译:任务功能磁共振成像(fMRI)是一种神经成像数据,用于确定在特定任务或刺激期间激活的大脑区域。这些数据是传统模型,在所有数据地点采用大规模单向方法,忽略空间依赖,以模型功率为代价忽视空间依赖性。我们以前开发并验证了一个空间贝叶斯模型,利用大脑皮层表面的依赖性来提高准确性和力量。这个模型使用随机偏差部分偏差方空间前端,并使用稀薄的精确矩阵,以便能够对神经成像文献中看到的基于空间的激活进行适当建模,导致模型功率大幅提高。我们最初的实施工作依赖于综合嵌入式拉普尔近距离(INLA)的计算效率,以克服分析高度的FMRI数据的计算挑战,同时避免与变形海湾执行有关的问题。然而,这需要大量的记忆资源、额外的软件和软件许可来运行。在这个文章中,我们为一般线性模型开发了精确的Bayesian分析方法,同时使用一种高效的预期-MIAR 模拟模型,同时使用一个大规模的内流数据运行模型,作为内部数据执行结果,作为我们目前的数据流流流数据执行的一种内部数据分析,作为内部数据执行的一种内部数据法,通过一个基础的模型进行一项模拟的模拟,从而进行一项模拟进行一项模拟的模拟的模拟的模拟,从而进行一项模拟,从而进行一个模拟,通过一个模拟进行一个模拟的模拟进行一个模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模型,以显示一个模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模型进行一项对结果。

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