Nonparametric Dynamic Granger Causality based on Multi-Space Spectrum Fusion for Time-varying Directed Brain Network Construction

格兰杰因果关系 非参数统计 计算机科学 因果关系(物理学) 光谱(功能分析) 人工智能 计量经济学 机器学习 数学 物理 量子力学
作者
Chanlin Yi,Jiamin Zhang,Zihan Weng,Wanjun Chen,Dezhong Yao,Fali Li,Zehong Cao,Peiyang Li,Peng Xu
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:: 1-10
标识
DOI:10.1109/jbhi.2024.3477944
摘要

Nonparametric estimation of time-varying directed networks can unveil the intricate transient organization of directed brain communication while circumventing constraints imposed by prescribed model-driven methods. A robust time-frequency representation - the foundation of its causality inference - is critical for enhancing its reliability. This study proposed a novel method, i.e., nonparametric dynamic Granger causality based on Multi-space Spectrum Fusion (ndGCMSF), which integrates complementary spectrum information from different spaces to generate reliable spectral representations to estimate dynamic causalities across brain regions. Systematic simulations and validations demonstrate that ndGCMSF exhibits superior noise resistance and a powerful ability to capture subtle dynamic changes in directed brain networks. Particularly, ndGCMSF revealed that during instruction response movements, the laterality in the hemisphere ipsilateral to the hemiplegic limb emerges upon instruction onset and diminishes upon task accomplishment. These intrinsic variations further provide reliable features for distinguishing two types of hemiplegia (left vs. right) and assessing motor functions. The ndGCMSF offers powerful functional patterns to derive effective brain networks in dynamically changing operational settings and contributes to extensive areas involving dynamical and directed communications.
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