Using space-filling curves and fractals to reveal spatial and temporal patterns in neuroimaging data
Notice bibliographique
Résumé
Abstract Objective . Magnetic resonance imaging (MRI), functional MRI (fMRI) and other neuroimaging techniques are routinely used in medical diagnosis, cognitive neuroscience or recently in brain decoding. They produce three- or four-dimensional scans reflecting the geometry of brain tissue or activity, which is highly correlated temporally and spatially. While there exist numerous theoretically guided methods for analyzing correlations in one-dimensional data, they often cannot be readily generalized to the multidimensional geometrically embedded setting. Approach . We present a novel method, Fractal Space-Curve Analysis (FSCA), which combines Space-Filling Curve (SFC) mapping for dimensionality reduction with fractal Detrended Fluctuation Analysis. We conduct extensive feasibility studies on diverse, artificially generated data with known fractal characteristics: the fractional Brownian motion, Cantor sets, and Gaussian processes. We compare the suitability of dimensionality reduction via Hilbert SFC and a data-driven alternative. FSCA is then successfully applied to real-world MRI and fMRI scans. Main results . The method utilizing Hilbert curves is optimized for computational efficiency, proven robust against boundary effects typical in experimental data analysis, and resistant to data sub-sampling. It is able to correctly quantify and discern correlations in both stationary and dynamic two-dimensional images. In MRI Alzheimer’s dataset, patients reveal a progression of the disease associated with a systematic decrease of the Hurst exponent. In fMRI recording of breath-holding task, the change in the exponent allows distinguishing different experimental phases. Significance . This study introduces a robust method for fractal characterization of spatial and temporal correlations in many types of multidimensional neuroimaging data. Very few assumptions allow it to be generalized to more dimensions than typical for neuroimaging and utilized in other scientific fields. The method can be particularly useful in analyzing fMRI experiments to compute markers of pathological conditions resulting from neurodegeneration. We also showcase its potential for providing insights into brain dynamics in task-related experiments.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».