Empirical Bayes estimation of pairwise maximum entropy model for nonlinear brain state dynamics
NeuroImage 244, 118618Corresponding author
Abstract
The pairwise maximum entropy model (pMEM) has recently gained widespread attention to exploring the nonlinear characteristics of brain state dynamics observed in resting-state functional magnetic resonance imaging (rsfMRI). Despite its unique advantageous features, the practical application of pMEM for individuals is limited as it requires a much larger sample than conventional rsfMRI scans. Thus, this study proposes an empirical Bayes estimation of individual pMEM using the variational expectation-maximization algorithm (VEM-MEM). The performance of the VEM-MEM is evaluated for several simulation setups with various sample sizes and network sizes. Unlike conventional maximum likelihood estimation procedures, the VEM-MEM can reliably estimate the individual model parameters, even with small samples, by effectively incorporating the group information as the prior. As a test case, the individual rsfMRI of children with attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) is analyzed compared to that of typically developed children using the default mode network, executive control network, and salient network, obtained from the Healthy Brain Network database. We found that the nonlinear dynamic properties uniquely established on the pMEM differ for each group. Furthermore, pMEM parameters are more sensitive to group differences and are better associated with the behavior scores of ADHD compared to the Pearson correlation-based functional connectivity. The simulation and experimental results suggest that the proposed method can reliably estimate the individual pMEM and characterize the dynamic properties of individuals by utilizing empirical information of the group brain state dynamics.
Korean summary
휴지기 fMRI에서 뇌 상태 동역학의 비선형 특성을 탐구하는 쌍별 최대 엔트로피 모델(pMEM)을 개인 단위로 추정하는 경험적 베이즈 방법을 제안한 연구입니다. pMEM은 일반적인 fMRI 검사보다 훨씬 많은 표본이 필요해 개인 분석에 적용하기 어려웠는데, 이 연구는 변분 기대값 최대화 알고리즘(VEM-MEM)으로 집단 정보를 사전분포로 활용해 적은 표본에서도 개인 매개변수를 안정적으로 추정할 수 있게 했습니다. 다양한 표본 크기와 연결망 크기의 시뮬레이션에서 기존 최대가능도 추정보다 우수한 성능을 보였습니다. Healthy Brain Network 데이터베이스의 ADHD 아동과 정상 발달 아동의 기본상태망, 실행조절망, 현출성망에 적용한 결과 두 집단의 비선형 동역학 특성이 달랐고, pMEM 매개변수는 상관 기반 기능적 연결성보다 집단 차이에 민감하고 ADHD 행동 점수와도 더 잘 연관되었습니다. 개인 뇌 상태 동역학의 임상적 활용 가능성을 넓히는 방법론적 진전입니다.