Multivariate Bayesian decoding of single-trial event-related fMRI responses for memory retrieval of voluntary actions
PLOS ONE 12(8), e0182657Corresponding author
Abstract
This study proposes a method for classifying event-related fMRI responses in a specialized setting of many known but few unknown stimuli presented in a rapid event-related design. Compared to block design fMRI signals, classification of the response to a single or a few stimulus trial(s) is not a trivial problem due to contamination by preceding events as well as the low signal-to-noise ratio. To overcome such problems, we proposed a single trial-based classification method of rapid event-related fMRI signals utilizing sparse multivariate Bayesian decoding of spatio-temporal fMRI responses. We applied the proposed method to classification of memory retrieval processes for two different classes of episodic memories: a voluntarily conducted experience and a passive experience induced by watching a video of others' actions. A cross-validation showed higher classification performance of the proposed method compared to that of a support vector machine or of a classifier based on the general linear model. Evaluation of classification performances for one, two, and three stimuli from the same class and a correlation analysis between classification accuracy and target stimulus positions among trials suggest that presenting two target stimuli at longer inter-stimulus intervals is optimal in the design of classification experiments to identify the target stimuli. The proposed method for decoding subject-specific memory retrieval of voluntary behavior using fMRI would be useful in forensic applications in a natural environment, where many known trials can be extracted from a simulation of everyday tasks and few target stimuli from a crime scene.
Korean summary
짧은 간격으로 자극이 제시되는 사건관련 fMRI에서 단일 시행의 반응을 분류하는 것은 앞선 자극의 영향과 낮은 신호 대 잡음비 때문에 어려운 문제입니다. 이 연구는 알려진 자극은 많고 알려지지 않은 자극은 적은 특수한 상황을 위해, 시공간 fMRI 반응에 희소 다변량 베이즈 디코딩을 적용한 단일 시행 분류 방법을 제안했습니다. 스스로 수행한 행동의 기억과 다른 사람의 행동을 영상으로 본 수동적 기억을 인출하는 과정을 구분하는 과제에 적용한 결과, 서포트 벡터 머신이나 일반선형모형 기반 분류기보다 높은 정확도를 보였고, 표적 자극을 긴 간격으로 두 개 제시하는 것이 실험 설계상 가장 유리하다는 점도 확인했습니다. 이 방법은 일상 과제 시뮬레이션에서 많은 시행을 얻고 범죄 현장 관련 자극은 소수만 제시하는 법과학적 기억 판독 등에 응용될 수 있습니다.