Data-driven analysis for multimodal neuroimaging [Elektronische Ressource] / Felix Bießmann. Betreuer: Klaus-Robert Müller

D ata- driv en analysis form ultimo dal neur oimagingv o r g e legt v o nF e lix B ießm a nnV o n der F a k u l t ä t IV — E le k t r o t e c hni k un d I nf o r m a t i kder T e c hni s c h en U ni v er si t ä t B er linzur Er l a n gun g des a kademi s c h en G radesD o k t o r d er N a t u r w i s s ens c h a  en (D r . r er . n a t .)g en e hmigt e Di s s er t a t io nP r o m o t io n s a u s s c h u s s:V o r si tzen der : P r o f . Dr . O l a f H e l l w ic h (T e c hni s c h e U ni v er si t ä t B er lin)1. G u t ac h t er : P r o f . Dr . K l a u s-R o b er t M ü l ler (T e c hni s c h e U ni v er si t ä t B er lin)2. G u t ac h t er : P r o f . Dr . N i k os K L og o t h et i s (MP I T ü b in g en)3. G u t ac h t er : P r o f . Dr . T o m Eic h e le (U ni v er si t y o f B er g en)T a g der w i s s en s c h a  lic h en A u s s p rac h e: 07.12.2011B er lin, 2012DI n m em o r i a m Flo r i a n P er let hA ck no wledgemen ts g ra t ef u l f o r t h e s u p p o r t o f m a n y p e o p le d ur in g t h e p a s t f e w y e a r s. A b o v eI a l l I t h a n k m y s u p er v i s o r s P r o f . Dr . K l a u s-R o b er t M ü l ler , P r o f . Dr . G r eg o rR a in er a n d P r o f . Dr . N i k os K. L og o t h et i s. P r o f . Dr .
Publié le : dimanche 1 janvier 2012
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D ata- driv en analysis for
m ultimo dal neur oimaging
v o r g e legt v o n
F e lix B ießm a nn
V o n der F a k u l t ä t IV — E le k t r o t e c hni k un d I nf o r m a t i k
der T e c hni s c h en U ni v er si t ä t B er lin
zur Er l a n gun g des a kademi s c h en G rades
D o k t o r d er N a t u r w i s s ens c h a  en (D r . r er . n a t .)
g en e hmigt e Di s s er t a t io n
P r o m o t io n s a u s s c h u s s:
V o r si tzen der : P r o f . Dr . O l a f H e l l w ic h (T e c hni s c h e U ni v er si t ä t B er lin)
1. G u t ac h t er : P r o f . Dr . K l a u s-R o b er t M ü l ler (T e c hni s c h e U ni v er si t ä t B er lin)
2. G u t ac h t er : P r o f . Dr . N i k os K L og o t h et i s (MP I T ü b in g en)
3. G u t ac h t er : P r o f . Dr . T o m Eic h e le (U ni v er si t y o f B er g en)
T a g der w i s s en s c h a  lic h en A u s s p rac h e: 07.12.2011
B er lin, 2012
DI n m em o r i a m Flo r i a n P er let hA ck no wledgemen ts
 g ra t ef u l f o r t h e s u p p o r t o f m a n y p e o p le d ur in g t h e p a s t f e w y e a r s. A b o v eI a l l I t h a n k m y s u p er v i s o r s P r o f . Dr . K l a u s-R o b er t M ü l ler , P r o f . Dr . G r eg o r
R a in er a n d P r o f . Dr . N i k os K. L og o t h et i s. P r o f . Dr . M ü l ler a l wa ys en co ura g e d
m e w i t h s cien t ific en t h u si a sm a n d h e l p e d in co un t les s s t im u l a t in g di s c u s sio n s w i t h
exp er ien ce d ad v ice o n t h e o r et ic a l a n d p rac t ic a l a s p e c ts o f s t a t i s t ic a l le a r nin g t h e-
o r y . W i t h hi s M ac hin e L e a r nin g G r o u p h e cr e a t e d a n in s p ir in g l y in t er di s ci p lin a r y
a n d f r ien d l y a t m os p h er e – a n d ga v e m e t h e o p p o r t uni t y t o p ur s ue r es e a r c h in t er es t
in n eur os cien ce a s w e l l a s in a r t ifici a l in t e l lig en ce in t h e b es t wa y I co u ld im a g in e .
F ur t h er m o r e I a m v er y g ra t ef u l t o P r o f . Dr . G r eg o r R a in er f o r co n t in uo u s s u p p o r t
a n d f o r va l u a b le in sig h ts in t o t h e exp er im en t a l side o f n eur os cien ce . Of co ur s e I
o w e m y u t m os t g ra t i t ude t o P r o f . Dr . N i k os K. L og o t h et i s. H i s p io n e er in g w o r k
o n t h e n eur o p h ysio log ic a l b a si s o f t h e h em o d y n a mic sig n a l i s t h e s t a r t in g p o in t o f
t hi s di s s er t a t io n. I p r o fi t e d en o r m o u s l y f r o m hi s s cien t ific ad v ice . W i t h o u t hi s s u p-
p o r t, t hi s di s s er t a t io n w o u ld n o t h a v e b e en p os si b le . A l s o I w o u ld li k e t o t h a n k
Dr . Y u s u k e M ura ya m a f o r s cien t ific ad v ice , t e c hnic a l h e l p a n d hi s in t er es t in n e w
a n a l ysi s m et h o d s. M o r e o v er I a m in de b t e d t o t h e o u ts t a n din g exp er im en t a l exp er -
t i s e o f A x e l Ö l t er m a nn, Dr . M a r c A uga t h, Dr . J o zien G o en s e , Dr . A lexa n der R a uc h,
P r o f . Dr . R o b er t K r etz, J u le V ei t a n d A n w es h a B h a t t ac h a r y ya. B y t h e s a m e t o k en
I w o u ld li k e t o t h a n k Dr . A r t h ur G r et t o n, Dr . J a k o b M ac k e a n d P r o f . Dr . M a t t hi a s
B et h g e f o r t h eir h e l p o n m a t h em a t ic a l p r o b lem s d ur in g m y t im e in T ü b in g en. I a l s o
t h a n k Dr . A n dr e a s H a r t h f o r a n in t er es t in g r es e a r c h p r o j e c t o u tside o f n eur os cien ce .
I wa s l uc k y t o m e et m a n y f r ien d l y , cr e a t i v e a n d b r ig h t min d s w h o h e l p e d a lo t f o r
c a li b ra t in g m y s en s e o f w h a ts r ig h t a n d w r o n g in s cien ce a n d b e y o n d , a m o n g t h em
M ic h ae l Gae b ler , Dr . D a v id G r e en b er g , D a nie l L e b r e c h t, Dr . Dr . F ra nz K ira l y , S t e-
fa n H a uf e , P a u l v o n B ün a u a n d J u le V ei t. S p e ci a l t h a n ks g o t o F ra n k C. M ein e c k e
f o r co n s t a n t a n d p a t ien t s u p er v i sio n. H i s exp er ien ce d s k ep t ici sm, hi s s h a r p t hin k in g
a n d hi s t a len t t o exp l a in co m p lex co n cep ts in a co m p r e h en si v e wa y w er e in va l u a b le
t o m e . T o him I a l s o o w e t h e l a y o u t o f t hi s t h esi s. A l s o I w o u ld li k e t o t h a n k V a len t in a
M osien k o f o r h er p a t ien ce a n d s u p p o r t. F in a l l y I o w e m y de ep es t g ra t i t ude t o m y
fa mi l y .  e m os t im p o r t a n t de ci sio n s w hic h le d t o t hi s t h esi s w er e n o t t a k en b y m e ,
b u t b y m y p a r en ts.  a n k y o u f o r m a k in g m e c ur io u s.viA bstr ac t
    , t h e m e a s ur em en t, a n a l ysi s a n d v i s u a liza t io n o f n eura l ac t i v i t y ,N co n t r i b u t e d co n sidera b l y t o o ur un der s t a n din g o f inf o r m a t io n p r o ces sin g in
t h e b ra in.  e a va i l a b i li t y o f n o n-in va si v e n eur o im a g in g de v ices s uc h a s f u n c t i o n a l
m a g n e t i c r e s o n a n c e i m a g i n g (fMRI) h a s b e en in cr e a sin g ra p id l y t hr o ug h o u t t h e l a s t
t w o de c ades. N o wad a ys e v er y in t er es t e d s t uden t c a n o b t a in n o n-in va si v e l y hig h r es-
o l u t io n im a g e t im e s er ies o f t h e b l o o d-o xy gen l e v e l d e p en d en t (B O LD) sig n a l u sin g
fMRI. H o w exac t l y n eura l ac t i v i t y i s r efle c t e d in t h e B O LD co n t ra s t i s s t i l l s u b j e c t o f
ac t i v e r es e a r c h. F o r a m o r e acc ura t e in t er p r et a t io n o f t h e fMRI sig n a l a n d t h e un der -
l y in g n eur o va s c u l a r co u p lin g m e c h a ni sm s, co m b in e d m e a s ur em en ts o f in t racra ni a l
n eura l ac t i v i t y a n d fMRI sig n a l s a r e in di s p en s a b le . S uc h sim u l t a n e o u s m e a s ur e-
m en ts h a v e b e co m e t e c hnic a l l y p os si b le – h o w e v er a p p r o p r i a t e a n a l ysi s m et h o d s a r e
s t i l l l ac k in g . C l a s sic a l a n a l ysi s a p p r o ac h es r e l y o n sim p lif y in g a s s um p t io n s a b o u t t h e
n eur o va s c u l a r co u p lin g d y n a mics.  es e a s s um p t io n s a r e co n v enien t b u t n um er o u s
s t udies h a v e p r o v ide d em p ir ic a l e v iden ce a ga in s t t h em.
I n t hi s di s s er t a t io n a n o v e l a n a l ysi s m et h o d , t er m e d t em p o r a l k er n e l C a n o n i-
c a l C o r r e l a t i o n A n a l ys i s (t kC CA), w i l l b e de v e lo p e d , t es t e d o n a r t ifici a l d a t a a n d
a p p lie d t o exp er im en t a l d a t a in o r der t o in v es t iga t e n eur o va s c u l a r co u p lin g m e c h-
a ni sm s. TkC CA es t im a t es dep en den c y s t r uc t ur es b et w e en hig h dim en sio n a l d a t a
w i t h co m p lex t em p o ra l co u p lin g d y n a mics.  e im p o r t a n t ad va n t a g es o f t kC CA
co m p a r e d t o s t a n d a r d m et h o d s a r e a) t kC CA c a n b e dir e c t l y a p p lie d t o m u l t im o d a l
d a t a, b) t kC CA i s v er y efficien t f o r hig h dim en sio n a l d a t a w i t h f e w d a t a p o in ts (a s i s
t h e c a s e f o r fMRI) a n d c) t kC CA do es n o t m a k e u s e o f r es t r ic t i v e a s s um p t io n s a b o u t
t h e d a t a g en era t in g p r o ces s. I n p a r t ic u l a r t kC CA c a n b e u s e d t o a n a l yze hig h dim en-
sio n a l sim u l t a n e o u s m e a s ur em en ts o f n eura l ac t i v i t y a n d fMRI sig n a l s. P r e dic t io n s
o f n eura l ac t i v i t y u sin g t kC CA a r e b et t er t h a n w h en u sin g c l a s sic a l m et h o d s. B a sic
r es e a r c h a s w e l l a s c linic a l a p p lic a t io n s c a n p r o fi t f r o m t hi s m o r e acc ura t e p r e dic-
t io n. B esides t kC CA i s r e adi l y a p p lic a b le t o o t h er do m a in s in w hic h d a t a s t r e a m s
h a v e hig h dim en sio n a l f e a t ur es t h a t a r e n o n-in s t a n t a n e o u s l y co u p le d , s uc h a s d a t a
f r o m s o ci a l n et w o r ks in t h e W o r ld W ide W e b .viiiZ usammenfassung
   V er fa hr en in den N eur o w i s s en s c h a  en h a b en un s er V er s t ä n dni sB v o n I nf o r m a t io n sv era rb ei t un g im H ir n en ts c h eiden d g ep rä gt. Die s c hn e l le
V erb r ei t un g v o n nic h t-in va si v en b i ldg e b en den V er fa hr en w ie et wa der f u n k t i o n e l l en
M a g n e t-R e s o n a nz T o m og r a p h i e (fMR T) in den letzt en b eiden D e kaden er l a u b t es
h eu tzu t a g e j e dem in t er es sier t en S t uden t en nic h t-in va si v den B l u ts a uer s t o ffg e h a l t
im H ir n zu m es s en un d s o rä um lic h h o c h a ufg e lös t e Z ei t r ei h en v o n H ir n a k t i v i t ä t
a ufzuzeic hn en. W ie g en a u sic h j e do c h n eur o n a le A k t i v i t ä t im B l u t-S a u er s t o ff G e h a l t
a b h ä n g i gem K o n t r as t (en g li s c h: B l o o d-o xy gen l e v e l d e p en d en t o der B O LD co n t ra s t)
w ie der s p ieg e l t, i s t t r o tz in t en si v er F o r s c h un g a n der N eu r o v as k u l ä r en K o p p l u n g n ac h
w ie v o r a k t ue l les F o r s c h un gs t h em a. F ür ein b es s er es V er s t ä n dni s des fMR T S ig n a l s
sin d k o m b inier t e M es s un g en v o n in t ra k ra ni a ler n eur o n a ler A k t i v i t ä t un d fMR T
S ig n a len zw in g en d er f o r der lic h. Dies e m u l t i m o d a l en S im u l t a nm es s un g en sin d in-
zw i s c h en t e c hni s c h m ög lic h. J e do c h f e h len g e eig n et e A n a l ys em et h o den. Gä n g ig e
V er fa hr en b a sier en a uf v er einfac h en den A nn a hm en ü b er die n eur o va s k u ä r e K o p-
p l un gs d y n a mi k. Dies e A nn a hm en sin d zwa r p ra k t i s c h, er w ies en sic h a b er in za h lr e-
ic h en S t udien a l s fa l s c h.
I n dies er Di s s er t a t io n w ir d ein n eu a r t ig es A n a l ys e v er fa hr en, t em p o r a l k er n e l
C a n o n i c a l C o r r e l a t i o n A n a l ys i s (t kC CA), en t w ic k e l t, g et es t e d un d a n g e wa n d t. TkC CA
s c h ä tzt A b h ä n g ig k ei ts s t r u k t ur en in h o c h dim en sio n a len D a t en mi t nic h t-in s t a n t a n er
K o p p l un g . Die en ts c h eiden den V o r t ei le v o n t kC CA g eg en ü b er h er k ö mm lic h en M et h-
o den sin d a) dir e k t e A n w en d b a r k ei t a uf m u l t im o d a le D a t en, b) Effizienz b ei h o c h di-
m en sio n a len D a t en mi t w enig D a t en p un k t en un d c) V erzic h t a uf ein s c hrä n k en de
A nn a hm en ü b er die g en era t i v en M o de l le der g em es s en en D a t en. I n sb es o n der e er -
l a u b t t kC CA die A n a l ys e h o c h dim en sio n a ler m u l t i m o d a l er S im u l t a nm es s un g en v o n
n eur o n a ler A k t i v i t ä t un d fMR T S ig n a len. M i t H i lf e v o n t kC CA k ö nn en n eur o n a le
S ig n a le b es s er a u s m u l t i va r i a t en fMRI M es s un g en v o r h er g es a gt w er den. D a v o n
k ö nn en s o w o h l G r un d l a g enf o r s c h un g a l s a uc h k lini s c h e Di a g n os t i k p r o fi t ier en. D a-
r ü b er hin a u s i s t t kC CA dir e k t a n w en d b a r a uf a n der e A r t en h o c h dim en sio n a ler D a t en-
s t r ö m e mi t nic h t-in s t a n t a n en A b h ä n g ig k ei t en, w ie et wa in s o zi a len N etzw er k en im
W o r ld W ide W e b .x

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