1. Revisiting Functional Connectivity for Infraslow Scale-Free Brain Dynamics using Complex Wavelet
- Author
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La Rocca, Daria, Wendt, Herwig, Van Wassenhove, Virginie, Ciuciu, Philippe, Abry, Patrice, Service NEUROSPIN (NEUROSPIN), Université Paris-Saclay-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Modelling brain structure, function and variability based on high-field MRI data (PARIETAL), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Inria Saclay - Ile de France, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), CoMputational imagINg anD viSion (IRIT-MINDS), Institut de recherche en informatique de Toulouse (IRIT), Université Toulouse Capitole (UT Capitole), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Toulouse Mind & Brain Institut (TMBI), Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse Capitole (UT Capitole), Université de Toulouse (UT), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Neuroimagerie cognitive - Psychologie cognitive expérimentale (UNICOG-U992), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université Paris-Saclay, Laboratoire de Physique de l'ENS Lyon (Phys-ENS), École normale supérieure de Lyon (ENS de Lyon)-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), ANR-16-CE33-0020,MULTIFRACS,Théories et méthodes multifractales multivariées pour les systèmes de grande taille - Applications à l'analyse des propriétés d'invariance d'échelle dans la dynamique de l'activité cérébrale(2016), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Toulouse Mind & Brain Institut (TMBI), Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse Capitole (UT Capitole), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées, École normale supérieure - Lyon (ENS Lyon)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ciuciu, Philippe, Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Inria Saclay - Ile de France, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Service NEUROSPIN (NEUROSPIN), Université Toulouse 1 Capitole (UT1), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse 1 Capitole (UT1), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris Saclay (COmUE)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), École normale supérieure - Lyon (ENS Lyon)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), and Université de Lyon-Université de Lyon
- Subjects
[INFO.INFO-TS] Computer Science [cs]/Signal and Image Processing ,functional connectivity assessed from fractal dynamics ,[SCCO.NEUR]Cognitive science/Neuroscience ,[SCCO.NEUR] Cognitive science/Neuroscience ,functional connectivity ,[INFO.INFO-IM] Computer Science [cs]/Medical Imaging ,[SDV.NEU.SC]Life Sciences [q-bio]/Neurons and Cognition [q-bio.NC]/Cognitive Sciences ,[SCCO] Cognitive science ,arrhythmic ,Human brain temporal dynamics ,[SCCO]Cognitive science ,complex-wavelet ,[INFO.INFO-TS]Computer Science [cs]/Signal and Image Processing ,MEG data ,[INFO.INFO-IM]Computer Science [cs]/Medical Imaging ,[SDV.NEU.SC] Life Sciences [q-bio]/Neurons and Cognition [q-bio.NC]/Cognitive Sciences ,scale-free ,infraslow ,phase coupling - Abstract
International audience; The analysis of human brain functional networks is achieved by computing functional connectivity indices reflecting phase coupling and interactions between remote brain regions. In magneto-and electroencephalography, the most often used functional connectivity indices are constructed on Fourier-based cross spectral estimation applied to specific fast and band limited oscillatory regimes. Recently, infraslow arrhythmic fluctuations (below the 1Hz) were recognized as playing a leading role in spontaneous brain activity. The present work aims to propose to assess functional connectivity, from fractal dynamics, thus extending the assessment of functional connectivity to the infraslow arrhythmic or scale-free temporal dynamics of M/EEG-quantified brain activity. Instead of being based on Fourier analysis, new Imaginary Coherence and weighted Phase Lag indices are constructed from complex-wavelet representations. Their performance are, first, assessed on synthetic data, by means of Monte-Carlo simulations, and compared favorably against the classical Fourier-based indices. These new assessment of functional connectivity indices are, second, applied to MEG data collected on 36 individuals, both at rest and during the learning of a visual motion discrimination 1 La Rocca et al. Functional Connectivity assessed from fractal dynamics task. They demonstrate a higher statistical sensitivity, compared to their Fourier counterparts, in capturing significant and relevant functional interactions in the infraslow regime, and modulations from rest to task. Notably, the consistent overall increase in functional connectivity assessed from fractal dynamics from rest to task, correlated with a change in temporal dynamics, as well as with improved performance in task completion, suggests that complex-wavelet weighted Phase Lag index is the sole index able to capture brain plasticity in the infraslow scale-free regime.
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- 2021
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