Functional coordinates: Modeling interactions between brain regions as points in a function space
Functional coordinates: Modeling interactions between brain regions as points in a function space
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功能坐标：将大脑区域之间的相互作用建模为功能空间中的点
DOI：
10.1162/netn_a_00264
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发表时间：
2022
影响因子：
4.7
通讯作者：
Anzellotti, Stefano
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Poskanzer, Craig;Anzellotti, Stefano
在这里，我们提出了一种新的技术来研究大脑区域之间的非线性相互作用，这既可以捕捉到功能关系的强度和类型，也可以捕捉到功能关系的类型。受泛函分析领域的启发，我们提出，大脑不同区域的活动之间的关系可以被视为函数空间中的一个点，通过沿无限多个基函数集的坐标来识别。使用Hermite多项式作为基数，我们估计这些值中的一个子集作为“功能坐标”，描述跨大脑区域的大胆活动之间的相互作用。我们给出了估计在极限内收敛的证明，并用已知基本事实的模拟验证了该方法，另外还表明，即使当相关性(“函数连通性”)趋于零时，函数坐标也能检测统计相关性。然后，我们使用函数坐标来检查神经与所选种子区域的交互作用：梭形面部区域(FFA)。在每个体素的函数坐标上使用k-均值聚类，我们说明了添加非线性基函数允许区分区域间的相互作用，否则当仅使用线性依赖时，这些区域间的相互作用被分组在一起。最后，我们发现V5、内侧枕叶和颞叶区域与FFA表现出显著的非线性相互作用。
Here, we propose a novel technique to investigate nonlinear interactions between brain regions that captures both the strength and type of the functional relationship. Inspired by the field of functional analysis, we propose that the relationship between activity in separate brain areas can be viewed as a point in function space, identified by coordinates along an infinite set of basis functions. Using Hermite polynomials as bases, we estimate a subset of these values that serve as “functional coordinates,” characterizing the interaction between BOLD activity across brain areas. We provide a proof of the convergence of the estimates in the limit, and we validate the method with simulations in which the ground truth is known, additionally showing that functional coordinates detect statistical dependence even when correlations (“functional connectivity”) approach zero. We then use functional coordinates to examine neural interactions with a chosen seed region: the fusiform face area (FFA). Usingk-means clustering across each voxel’s functional coordinates, we illustrate that adding nonlinear basis functions allows for the discrimination of interregional interactions that are otherwise grouped together when using only linear dependence. Finally, we show that regions in V5 and medial occipital and temporal lobes exhibit significant nonlinear interactions with the FFA.
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