Brain functional connectivity (FC), the temporal synchrony between brain networks, is essential to understand the functional organization of the brain and to identify changes due to neurological disorders, development, treatment, and other phenomena. Independent component analysis (ICA) is a matrix decomposition method used extensively for simultaneous estimation of functional brain topography and connectivity. However, estimation of FC via ICA is often sub-optimal due to the use of ad-hoc estimation methods or temporal dimension reduction prior to ICA. Bayesian ICA can avoid dimension reduction, estimate latent variables and model parameters more accurately, and facilitate posterior inference. In this paper, we develop a novel, computationally feasible Bayesian ICA method with population-derived priors on both the spatial ICs and their temporal correlation, i.e. FC. For the latter we consider two priors: the inverse-Wishart, which is conjugate but is not ideally suited for modeling correlation matrices; and a novel informative prior for correlation matrices. For each prior, we derive a variational Bayes algorithm to estimate the model variables and facilitate posterior inference. Through extensive simulation studies, we evaluate the performance of the proposed methods and benchmark against existing approaches. We also analyze fMRI data from over 400 healthy adults in the Human Connectome Project. We find that our Bayesian ICA model and algorithms result in more accurate measures of functional connectivity and spatial brain features. Our novel prior for correlation matrices is more computationally intensive than the inverse-Wishart but provides improved accuracy and inference. The proposed framework is applicable to single-subject analysis, making it potentially clinically viable.


翻译:脑功能连接(FC)作为脑网络间的时间同步性,对于理解大脑功能组织及识别由神经系统疾病、发育过程、治疗干预等因素引起的变化至关重要。独立成分分析(ICA)作为一种矩阵分解方法,被广泛用于同步估计脑功能拓扑结构与连接模式。然而,通过ICA估计FC常因使用临时估计方法或在ICA前进行时间维度约简而难以达到最优。贝叶斯ICA能够避免维度约简,更精确地估计潜变量与模型参数,并支持后验推断。本文提出了一种计算可行的新型贝叶斯ICA方法,该方法在空间独立成分及其时间相关性(即FC)上均采用基于群体信息的先验分布。针对FC先验,我们考察两种设定:具有共轭性质但并非建模相关矩阵的理想选择的逆Wishart分布;以及一种面向相关矩阵的新型信息先验。针对每种先验,我们推导了变分贝叶斯算法以估计模型变量并实现后验推断。通过大量仿真研究,我们评估了所提方法的性能,并与现有方法进行基准比较。同时,我们分析了人类连接组计划中400余名健康成人的功能磁共振成像数据。研究发现,我们的贝叶斯ICA模型与算法能够获得更精确的功能连接度量与脑空间特征。相较于逆Wishart先验,我们提出的相关矩阵新型先验虽计算强度更高,但能提供更优的估计精度与推断能力。该框架适用于单被试分析,具备临床应用的潜在可行性。

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