Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) maps cerebral activation in response to stimuli but this activation is often difficult to detect, especially in low-signal contexts and single-subject studies. Accurate activation detection can be guided by the fact that very few voxels are, in reality, truly activated and that these voxels are spatially localized, but it is challenging to incorporate both these facts. We address these twin challenges to single-subject and low-signal fMRI by developing a computationally feasible and methodologically sound model-based approach, implemented in the R package MixfMRI, that bounds the a priori expected proportion of activated voxels while also incorporating spatial context. An added benefit of our methodology is the ability to distinguish voxels and regions having different intensities of activation. Our suggested approach is evaluated in realistic two- and three-dimensional simulation experiments as well as on multiple real-world datasets. Finally, the value of our suggested approach in low-signal and single-subject fMRI studies is illustrated on a sports imagination experiment that is often used to detect awareness and improve treatment in patients in persistent vegetative state (PVS). Our ability to reliably distinguish activation in this experiment potentially opens the door to the adoption of fMRI as a clinical tool for the improved treatment and therapy of PVS survivors and other patients.


翻译:功能磁共振成像(fMRI)可用于映射大脑对刺激的反应,但在低信号环境和单个受试研究中,这种激活往往难以检测。精确的激活检测可通过以下事实进行指导:实际上很少有体素是真正激活的,这些体素在空间上是局部化的,但很难将这两个事实结合起来。我们通过开发一种计算可行且方法学上可靠的基于模型的方法来解决这些挑战,此方法在R软件包MixfMRI中实现,可以限制预期激活的体素比例,同时还考虑了空间上下文。我们方法的一个附加益处是能够区分具有不同激活强度的体素和区域。我们的建议方法在现实的二维和三维模拟实验以及多个真实数据集上进行了评估。最后,在运动想象实验中显示了我们的建议方法在低信号和单个受试fMRI研究中的应用,该实验通常用于检测植物人持续状态(PVS)患者的意识并改善治疗。我们能够可靠地区分激活,在这种实验中的应用潜力有望打开将fMRI用作临床工具,为PVS幸存者和其他患者的改善治疗和治疗提供帮助。

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