The brain is a high-dimensional directional network system consisting of many regions as network nodes that influence each other. The directional influence from one region to another is referred to as directional connectivity. Epilepsy is a directional network disorder, as epileptic activity spreads from a seizure onset zone (SOZ) to many other regions after seizure onset. However, directional network studies of epilepsy have been mostly limited to low-dimensional directional networks between the SOZ and contiguous regions due to the lack of efficient methods for analyzing high-dimensional directional brain networks. To address this gap, we study high-dimensional directional networks in epileptic brains by using a clustering-enabled multivariate autoregressive state-space model (MARSS) to analyze multi-channel intracranial EEG recordings of focal seizures. This new MARSS characterizes the SOZ, nearby regions, and many other non-SOZ regions as one integrated high-dimensional directional network system with a clustering feature. Using the new MARSS, we reveal changes in high-dimensional directional brain networks throughout seizure development. We simultaneously identify directional connections and the SOZ cluster, regions most affected by SOZ activity, in different seizure periods. We found that, after seizure onset, the numbers of directional connections of the SOZ and regions in the SOZ cluster increase significantly. We also reveal that many regions outside the SOZ cluster have no changes in directional connections, although these regions' EEG data signal ictal activity. Lastly, we use these high-dimensional network results to localize the SOZ and achieve 100% true positive rates and less than 3% false positive rates for different SOZ locations.


翻译:大脑是一个高维方向网络系统,由许多区域组成,作为相互影响的网络节点。从一个区域到另一个区域,方向影响被称为方向连接。癫痫是一种方向性网络障碍,因为癫痫活动在发作后从一个发作区(SOZ)蔓延到其他许多区域。然而,由于缺少分析高维方向大脑网络的有效方法,对神经系统与毗连区域之间的低维方向网络系统进行定向研究,因此,由于缺乏分析高维方向大脑网络的有效方法,因此,我们从一个区域到另一个区域,从一个区域到另一个区域,从一个多向性多向性多向性自动递减状态空间模型(MARSS),向性网络是一种方向性网络障碍。我们同时在SOZ区域,从多向内向内向EEEEEEE系统内部的多向性网络,从SOZ的多向性趋势区域,从SOEOZ的高度向性趋势区域,从SOEOZ进入后,从SOEOZ的多数向性趋势区域,从SOEOZ活动趋势区域,从SOEOA进入了最不同的方向区域,从SOZ活动趋势区域,从SOED活动向内向内,从SOEOZ的多数区域,从SOE-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-h-sal-sal-sal-sal-sal-sal-cal-sal-sal-sal-sal-sldal-sal-sal-sal-sal-sal-sal-sal-sal-sal-sal-sal-sal-sal-sal-sal-sal-sal-sal-sal-sal-sal-al-sal-se-

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