State-space models are used in many fields when dynamics are unobserved. Popular methods such as the Kalman filter and expectation maximization enable estimation of these models but pay a high computational cost in large-scale analysis. In these approaches, sparse inverse covariance estimators can reduce the cost; however, a trade-off between enforced sparsity and increased estimation bias occurs, which demands careful consideration in low signal-to-noise ratio scenarios. We overcome these limitations by 1) Introducing multiple penalized state-space models based on data-driven regularization; 2) Implementing novel algorithms such as backpropagation, state-space gradient descent, and alternating least squares; 3) Proposing an extension of K-fold cross-validation to evaluate the regularization parameters. Finally, we solve the simultaneous brain source localization and functional connectivity problems for simulated and real MEG/EEG signals for thousands of sources on the cortical surface, demonstrating a substantial improvement over state-of-the-art methods.


翻译:在没有观察到动态的情况下,许多领域都使用国家空间模型; Kalman 过滤器和预期最大化等普及方法,可以估计这些模型,但在大规模分析中可以支付很高的计算成本;在这些方法中,分散的逆差共差估计者可以降低成本;然而,在强制的宽度和增加的估计偏差之间会发生权衡,这要求在低信号对噪音比率假设中认真考虑。我们克服了这些限制,1) 采用基于数据驱动的多重受罚国家空间模型;2) 实施新的算法,如后向分析、州空间梯度下移和交替最小方形;3) 提议扩大K倍交叉校准以评价规范参数。最后,我们解决模拟和真实的磁电离层表面MEG/EG信号同时存在的大脑源本地化和功能连接问题,表明相对于最新方法有了很大的改进。

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