The effective connectivity analysis of fMRI based on asymmetric detection of transfer brain entropy

格兰杰因果关系 功能磁共振成像 传递熵 神经科学 熵(时间箭头) 楔前 心理学 因果关系(物理学) 模式识别(心理学) 计算机科学 机器学习 人工智能 最大熵原理 物理 量子力学
作者
Yuhu Shi,Yidan Li
出处
期刊:Cerebral Cortex [Oxford University Press]
卷期号:34 (3)
标识
DOI:10.1093/cercor/bhae070
摘要

Abstract It is important to explore causal relationships in functional magnetic resonance imaging study. However, the traditional effective connectivity analysis method is easy to produce false causality, and the detection accuracy needs to be improved. In this paper, we introduce a novel functional magnetic resonance imaging effective connectivity method based on the asymmetry detection of transfer entropy, which quantifies the disparity in predictive information between forward and backward time, subsequently normalizing this disparity to establish a more precise criterion for detecting causal relationships while concurrently reducing computational complexity. Then, we evaluate the effectiveness of this method on the simulated data with different level of nonlinearity, and the results demonstrated that the proposed method outperforms others methods on the detection of both linear and nonlinear causal relationships, including Granger Causality, Partial Granger Causality, Kernel Granger Causality, Copula Granger Causality, and traditional transfer entropy. Furthermore, we applied it to study the effective connectivity of brain functional activities in seafarers. The results showed that there are significantly different causal relationships between different brain regions in seafarers compared with non-seafarers, such as Temporal lobe related to sound and auditory information processing, Hippocampus related to spatial navigation, Precuneus related to emotion processing as well as Supp_Motor_Area associated with motor control and coordination, which reflects the occupational specificity of brain function of seafarers.
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