논문 · 2021 · 학술지 논문

Re-visiting Riemannian geometry of symmetric positive definite matrices for the analysis of functional connectivity

Kisung You, Hae-Jeong Park

NeuroImage 225, 117464

한글 요약

휴지기 fMRI의 기능적 연결망을 나타내는 공분산·정밀도·상관행렬이 모두 대칭 양의 정부호(SPD) 행렬이라는 점에 주목해, 이 행렬들이 이루는 리만 매니폴드 위에서 뇌연결망을 분석하는 방법론을 정리하고 확장한 연구입니다. 기존 분석은 연결망의 각 연결을 독립적인 값으로 다루었지만, SPD 기하에서는 모든 연결의 상호작용을 하나의 전체로 고려할 수 있습니다. 연구팀은 SPD 매니폴드 위에서 행동과 연결망의 회귀 분석, 주측지선 분석, 군집화, 동적 연결망의 상태 전이 분석, 연결망 동일성 검정 등의 추론 알고리즘을 제안하고, 시뮬레이션과 인간 커넥톰 프로젝트 자료에 적용해 올바른 기하 위에서 분석하는 것의 중요성을 논증했습니다. 모든 알고리즘은 SPDtoolbox라는 MATLAB 라이브러리로 공개되어 연구자들이 바로 활용할 수 있습니다.

초록 (English)

Common representations of functional networks of resting state fMRI time series, including covariance, precision, and cross-correlation matrices, belong to the family of symmetric positive definite (SPD) matrices forming a special mathematical structure called Riemannian manifold. Due to its geometric properties, the analysis and operation of functional connectivity matrices may well be performed on the Riemannian manifold of the SPD space. Analysis of functional networks on the SPD space takes account of all the pairwise interactions (edges) as a whole, which differs from the conventional rationale of considering edges as independent from each other. Despite its geometric characteristics, only a few studies have been conducted for functional network analysis on the SPD manifold and inference methods specialized for connectivity analysis on the SPD manifold are rarely found. The current study aims to show the significance of connectivity analysis on the SPD space and introduce inference algorithms on the SPD manifold, such as regression analysis of functional networks in association with behaviors, principal geodesic analysis, clustering, state transition analysis of dynamic functional networks and statistical tests for network equality on the SPD manifold. We applied the proposed methods to both simulated data and experimental resting state fMRI data from the human connectome project and argue the importance of analyzing functional networks under the SPD geometry. All the algorithms for numerical operations and inferences on the SPD manifold are implemented as a MATLAB library, called SPDtoolbox, for public use to expediate functional network analysis on the right geometry.

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