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Activation network improves spatiotemporal modelling of human brain communication processes

动态功能连接 计算机科学 相关性 动态网络分析 功能连接 依赖关系(UML) 过程(计算) 大脑活动与冥想 神经科学 人工智能 心理学 数学 脑电图 计算机网络 几何学 操作系统
作者
Xucheng Liu,Ze Wang,Shun Liu,Lianggeng Gong,Pedro A. Valdés‐Sosa,Benjamin Becker,Tzyy‐Ping Jung,Xi-jian Dai,Feng Wan
出处
期刊:NeuroImage [Elsevier]
卷期号:285: 120472-120472 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.neuroimage.2023.120472
摘要

Dynamic functional networks (DFN) have considerably advanced modelling of the brain communication processes. The prevailing implementation capitalizes on the system and network-level correlations between time series. However, this approach does not account for the continuous impact of non-dynamic dependencies within the statistical correlation, resulting in relatively stable connectivity patterns of DFN over time with limited sensitivity for communication dynamic between brain regions. Here, we propose an activation network framework based on the activity of functional connectivity (AFC) to extract new types of connectivity patterns during brain communication process. The AFC captures potential time-specific fluctuations associated with the brain communication processes by eliminating the non-dynamic dependency of the statistical correlation. In a simulation study, the positive correlation (r=0.966,p<0.001) between the extracted dynamic dependencies and the simulated "ground truth" validates the method's dynamic detection capability. Applying to autism spectrum disorders (ASD) and COVID-19 datasets, the proposed activation network extracts richer topological reorganization information, which is largely invisible to the DFN. Detailed, the activation network exhibits significant inter-regional connections between function-specific subnetworks and reconfigures more efficiently in the temporal dimension. Furthermore, the DFN fails to distinguish between patients and healthy controls. However, the proposed method reveals a significant decrease (p<0.05) in brain information processing abilities in patients. Finally, combining two types of networks successfully classifies ASD (83.636 % ± 11.969 %,mean±std) and COVID-19 (67.333 % ± 5.398 %). These findings suggest the proposed method could be a potential analytic framework for elucidating the neural mechanism of brain dynamics.

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