Geometric learning of functional brain network on the correlation manifold
Scientific Reports 12(1)
Abstract
The correlation matrix is a typical representation of node interactions in functional brain network analysis. The analysis of the correlation matrix to characterize brain networks observed in several neuroimaging modalities has been conducted predominantly in the Euclidean space by assuming that pairwise interactions are mutually independent. One way to take account of all interactions in the network as a whole is to analyze the correlation matrix under some geometric structure. Recent studies have focused on the space of correlation matrices as a strict subset of symmetric positive definite (SPD) matrices, which form a unique mathematical structure known as the Riemannian manifold. However, mathematical operations of the correlation matrix under the SPD geometry may not necessarily be coherent (i.e., the structure of the correlation matrix may not be preserved), necessitating a post-hoc normalization. The contribution of the current paper is twofold: (1) to devise a set of inferential methods on the correlation manifold and (2) to demonstrate its applicability in functional network analysis. We present several algorithms on the correlation manifold, including measures of central tendency, cluster analysis, hypothesis testing, and low-dimensional embedding. Simulation and real data analysis support the application of the proposed framework for brain network analysis.
Korean summary
기능적 뇌연결망을 나타내는 상관행렬을 그 고유한 기하 구조 위에서 분석하는 방법론을 제안한 연구입니다. 기존 분석은 상관행렬의 각 연결을 서로 독립적인 값으로 보고 유클리드 공간에서 다루었고, 최근의 대칭 양의 정부호(SPD) 행렬 기반 접근도 상관행렬의 구조를 온전히 보존하지 못해 사후 정규화가 필요했습니다. 이 연구는 상관행렬만의 공간인 상관 매니폴드 위에서 중심 경향 측정, 군집 분석, 가설 검정, 저차원 임베딩 등의 추론 알고리즘을 개발하고, 시뮬레이션과 실제 뇌영상 자료로 그 적용 가능성을 보였습니다. 연결망 전체를 하나의 대상으로 일관되게 다룰 수 있는 수학적 틀을 제공해 뇌연결망 분석의 정밀도를 높이는 데 기여합니다.