Publications · 2021 · Journal article

Bayesian estimation of maximum entropy model for individualized energy landscape analysis of brain state dynamics

Jiyoung Kang, Seok‐Oh Jeong, Chongwon Pae, Hae‐Jeong Park

Human Brain Mapping 42(11), 3411-3428

Abstract

The pairwise maximum entropy model (MEM) for resting state functional MRI (rsfMRI) has been used to generate energy landscape of brain states and to explore nonlinear brain state dynamics. Researches using MEM, however, has mostly been restricted to fixed-effect group-level analyses, using concatenated time series across individuals, due to the need for large samples in the parameter estimation of MEM. To mitigate the small sample problem in analyzing energy landscapes for individuals, we propose a Bayesian estimation of individual MEM using variational Bayes approximation (BMEM). We evaluated the performances of BMEM with respect to sample sizes and prior information using simulation. BMEM showed advantages over conventional maximum likelihood estimation in reliably estimating model parameters for individuals with small sample data, particularly utilizing the empirical priors derived from group data. We then analyzed individual rsfMRI of the Human Connectome Project to show the usefulness of MEM in differentiating individuals and in exploring neural correlates for human behavior. MEM and its energy landscape properties showed high subject specificity comparable to that of functional connectivity. Canonical correlation analysis identified canonical variables for MEM highly associated with cognitive scores. Inter-individual variations of cognitive scores were also reflected in energy landscape properties such as energies, occupation times, and basin sizes at local minima. We conclude that BMEM provides an efficient method to characterize dynamic properties of individuals using energy landscape analysis of individual brain states.

Korean summary

휴지기 fMRI로 뇌 상태의 에너지 지형을 그리는 쌍별 최대 엔트로피 모델(MEM)을 개인 단위에서도 안정적으로 추정할 수 있는 베이지안 방법을 제안한 연구입니다. MEM은 매개변수 추정에 많은 표본이 필요해 그동안 여러 사람의 시계열을 이어 붙인 집단 수준 분석에 머물렀는데, 이 연구는 변분 베이즈 근사를 이용한 베이지안 추정(BMEM)으로 표본이 적은 개인 자료에서도 신뢰할 수 있는 추정을 가능하게 했습니다. 시뮬레이션에서 BMEM은, 특히 집단 자료로부터 얻은 경험적 사전분포를 활용할 때, 기존 최대가능도 추정보다 우수했습니다. 인간 커넥톰 프로젝트 자료에 적용한 결과 MEM과 에너지 지형 특성은 기능적 연결성에 견줄 만한 높은 개인 특이성을 보였고, 에너지, 점유 시간, 국소 최소점의 분지 크기 등이 인지 점수의 개인차와 연관되었습니다. 개인의 비선형 뇌 상태 동역학을 정량화하는 실용적 도구를 제공한 연구입니다.

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