86
Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional Jorge L. Armony McGill University Montreal Canada CURSO UAM 2013

2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

  • Upload
    others

  • View
    2

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Jorge L. Armony

McGill UniversityMontrealCanada

CURSO UAM 20

13

Page 2: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Interacciones neuronales

Kandel, Schwartz & Jessel: Principles of Neural Science

Potencial de acción

CURSO UAM 20

13

Page 3: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Técnicas de neuroimagen funcional: Señal electrodinámica

Electrodos de profundidad

Electroencefalografía (EEG)

Magnetoencefalografía (MEG)

CURSO UAM 20

13

Page 4: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Técnicas de neuroimagen funcional:Señal hemodinámica

CURSO UAM 20

13

Page 5: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

These facts seem to us to indicate the existence of an automatic mechanism by which the blood-supply of any part of the cerebral tissue is varied in accordance with the activity of the chemical changes which underlie the functional action of that part.

J Physiol. (1890), 11: 85-158

CURSO UAM 20

13

Page 6: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Resonancia magnética funcional (IRMf/fMRI)

CURSO UAM 20

13

Page 7: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

La hemoglobina

- four globin chains- each globin chain contains a heme group- at center of each heme group is an iron atom (Fe)- each heme group can attach an oxygen atom (O2)

Iron

CURSO UAM 20

13

Page 8: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Over ninety years ago, on November 8, 1845, Michael Faraday investigated the

magnetic properties of dried blood and made a note "Must try recent fluid blood."

If he had determined the magnetic susceptibilities of arterial and venous blood, he

would have found them to differ by a large amount (as much as twenty per cent

for completely oxygenated and completely deoxygenated blood); this discovery

without doubt would have excited much interest and would have influenced

appreciably the course of research on blood and hemoglobin.

PNAS (1936), 22: 210-216

CURSO UAM 20

13

Page 9: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Oxy-Hb (four O2) is diamagnetic → no ΔB effectsDeoxy-Hb is paramagnetic → if [deoxy-Hb] ↓ → local ΔB ↓

OxyhemoglobinDiamagnetic

χ ~ -0.3

DeoxyhemoglobinParamagnetic

χ ~ 1.6

B0

oxyHbdeoxyHb

Hemoglobin: Magnetic Properties

CURSO UAM 20

13

Page 10: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

B0

oxyHbdeoxyHb

Hemoglobin: Magnetic Properties

CURSO UAM 20

13

Page 11: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

neuronal activity ↑

tissue energy demand ↑

Glucose, O2 consumption ↑

blood flow and volume ↑

local dHb content of blood ↓

local dHb-induced magnetic field disturbance ↓

BOLD fMRI signal ↑

neurovascular coupling

fMRI relevantphysiological correlates

Source: B. Pike, MNI(Blood Oxygen Level Dependent signal) CURSO U

AM 2013

Page 12: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Logothetis et al. (2001). Nature 412: 150-157

Relationship between BOLD signal and neural activity

LFP: local field potentialsMUA: multiunit activitySDF: Spike density function

CURSO UAM 20

13

Page 13: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

13

First Functional Images

Kwong et al. (1992) PNAS 89: 5675-5679CURSO U

AM 2013

Page 14: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

14

Source: Robert Cox’s web slides

Hemodynamic response

CURSO UAM 20

13

Page 15: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

1 25

12 2430

Resolution in x (e.g. 4mm)

Matrix in the xy plane (e.g., 64 x 64)

Res

olut

ion

in y

(e.g

. 4m

m)

Resolution in z(e.g. 4mm)

Un volumen:64 x 64 x 30 voxels

6

7 13

18

19

VOXEL(Volumetric Pixel)

4 mm

4 m

m

4 mm

122880 datos!

30 slices

CURSO UAM 20

13

Page 16: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

time

Imagenes funcionales

CURSO UAM 20

13

Page 17: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Experimental Design in Neuroimaging

Most studies use a categorical, subtractive design

CATEGORICAL:Two (or more) levels of a given category (one of them usually serves as control)Examples: Happy, Fearful and Neutral Faces, Remembered and Forgotten words, Pictures and Fixation Cross

SUBTRACTIVE:Directly compares two conditions (A-B). Uses the notion of cognitive subtraction(Donders, 1868), which relies on the assumptions of pure insertion and linearity

CURSO UAM 20

13

Page 18: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Cogntitive subtraction = Mathematical Subtraction(principle of pure insertion: Donders, 1868)

>

= + FEARFEAR

– = + –FEARFEAR = FEARFEAR

CURSO UAM 20

13

Page 19: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

19

Preprocessing

• Corrects for non-task-related variability in experimental data

• Usually done without consideration ofexperimental design; thus, pre-analysis

• Sometimes called post-processing, in reference to being done after acquisition

• Attempts to remove, rather than model, data variability

Source: http://www.biac.duke.eduCURSO U

AM 2013

Page 20: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

20

Preprocessing Steps

• Realignment

• Coregistration

• Slice timing

• Normalization

• Spatial Smoothing

CURSO UAM 20

13

Page 21: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

21

Inter-scan movement: RealignmentPeople move, even if they don’t realize!

Need for motion correction

Two steps:

1. Registration: Determine the 6 parameters that describe the rigid-body transformation between each image and a reference image (usu. first in series).

2. Transformation: Resampling each image according to the determined transformation parameters.

CURSO UAM 20

13

Page 22: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

22

roll

pitch

yaw

x

y

z

Rigid body movement: 3 translation parameters3 rotation parameters

Same location in the grid

Same location in the brain

Inter-scan movement: Realignment

CURSO UAM 20

13

Page 23: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

23

Small movements are corrected well

Sudden movements are more problematic (especially if correlated withexperimental paradigm)

TRASLATION

ROTATION

mm

rad

xy

z

pitch (x)

yaw (y)

roll (z)

Realignment: Registration

CURSO UAM 20

13

Page 24: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

24

BEFORE REALIGNMENT AFTER REALIGNMENT

Difference between first and last image in one session

CURSO UAM 20

13

Page 25: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

25

Optimisation* Optimisation involves finding some “best”

parameters according to an “objective function”, which is either minimised or maximised

* The “objective function” is often related to a probability based on some model

Value of parameter

Objective function

Most probable solution (global optimum)

Local optimumLocal optimum

Source: John AshburnerCURSO U

AM 2013

Page 26: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

26

Objective Functions* Intra-modal

* Mean squared difference (minimise)* Normalised cross correlation (maximise)* Entropy of difference (minimise)

* Inter-modal (or intra-modal)* Mutual information (maximise)* Normalised mutual information (maximise)* Entropy correlation coefficient (maximise)* AIR cost function (minimise)

Source: John AshburnerCURSO U

AM 2013

Page 27: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

27

Residual Errors from aligned fMRI* Re-sampling can introduce interpolation errors

* especially tri-linear interpolation

* Gaps between slices can cause aliasing artefacts* Slices are not acquired simultaneously

* rapid movements not accounted for by rigid body model

* Image artefacts may not move according to a rigid body model* image distortion* image dropout* Nyquist ghost

* Functions of the estimated motion parameters can be modelled as confounds in subsequent analyses

Source: John AshburnerCURSO U

AM 2013

Page 28: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

28

Unwarping

Estimate movement parameters.

Estimate new distortion fields for each image:

• estimate rate of change of field with respect to the current estimate of movement parameters in pitch and roll.

Estimate reference from mean of all scans.

Unwarp time series.

0B ϕ∂ ∂ 0B θ∂ ∂

Δϕ +Δθ

Andersson et al, 2001Source: John AshburnerCURSO U

AM 2013

Page 29: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

29

Realignment: Transformation

Source: John AshburnerCURSO U

AM 2013

Page 30: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

30

Inter-subject brain differences: NormalizationPeople’s brains are different!!

CURSO UAM 20

13

Page 31: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

31

Normalization

Also useful for reporting coordinates in a standard space (e.g., Talairach and Tournoux)

CURSO UAM 20

13

Page 32: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

32

Inter-subject brain differences: After Normalization

CURSO UAM 20

13

Page 33: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

33

Spatial Normalisation - Procedure

Non-linear registration

* Minimise mean squared difference from template image(s)

Affine registrationSource: John Ashburner

CURSO UAM 20

13

Page 34: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

34

Spatial Normalisation - Affine* The first part is a 12 parameter affine

transform* 3 translations* 3 rotations* 3 zooms* 3 shears

* Fits overall shape and size

* Algorithm simultaneously minimises* Mean-squared difference between template and source image* Squared distance between parameters and their expected values

(regularisation)CURSO UAM 20

13

Page 35: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

35

Spatial Normalisation - Non-linearDeformations consist of a linear combination of smooth basis functions

These are the lowest frequencies of a 3D discrete cosine transform (DCT)

Algorithm simultaneously minimises* Mean squared difference between template and

source image * Squared distance between parameters and their

known expectationCURSO UAM 20

13

Page 36: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

36

Templateimage

Affine registration.(χ2 = 472.1)

Non-linearregistration

withoutregularisation.(χ2 = 287.3)

Non-linearregistration

usingregularisation.(χ2 = 302.7)

Without regularisation, the non-linear spatial normalisation can introduce unnecessary warps.

Spatial Normalisation - Overfitting

CURSO UAM 20

13

Page 37: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

37

CURSO UAM 20

13

Page 38: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

38

Why smooth?

• Remove residual inter-subject brain differences

• Allow for the use of Gaussian random field theory (later…)

CURSO UAM 20

13

Page 39: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Crazy little thing called BOLD

Image acquisition by Sarael Alcauter, National Institute of Psychiatry “Ramón de la Fuente”, Mexico City, MexicoCURSO U

AM 2013

Page 40: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

CURSO UAM 20

13

Page 41: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Mean (Queen) = 10.77 Mean (Silence) = 10.26

t(118) = 14.17 p = 2 10-27

0.000000000000000000000000002

= +

CURSO UAM 20

13

Page 42: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

=

T-map

CURSO UAM 20

13

Page 43: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

t-values

t0

t-values

t0

CURSO UAM 20

13

Page 44: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

TQA: Temporal Queen Area

CURSO UAM 20

13

Page 45: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Respuestas cerebrales a estímulos visuales

>

Activación en la corteza fusiforme (FFA): Área involucrada en el procesamiento de rostros

Kanwisher et al. (1997)MIT, USA

Trejo & Armony (2008)HGM, México

CURSO UAM 20

13

Page 46: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Respuestas cerebrales a estímulos visuales

>

Activación en la corteza parahipocámpica: Área involucrada en el procesamiento de información espacial

CURSO UAM 20

13

Page 47: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Segregación de la respuesta en corteza temporal ventral a distintostipos de estímulos visuales

CURSO UAM 20

13

Page 48: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

– =

Casas – Rostros

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10–

Mapa t

=

Error estándar de la media

Mapa t con umbral

t > 5.2 (p<0.05 FWE)

-4

-2

0

2

4

6

8

CURSO UAM 20

13

Page 49: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Casas – Rostros

Mapa t

=

Error estándar de la media

Mapa t con umbral

t > 5.2 (p<0.05 FWE)

-4

-2

0

2

4

6

8

Imagen T1(estructural)

Mapa de activaciones(SPM)

+

CURSO UAM 20

13

Page 50: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

NEUTRAL

RECORDADA

NUEVA

RECORDADA

OLVIDADA

Efecto subsecuente de memoria

Subsequently Remembered > Subsequently Forgotten

Sergerie, Lepage & Armony (2005). NeuroimageCURSO U

AM 2013

Page 51: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

0

0.03

0.06

0.09

0.12

Fear Happy Neutral

R DLPFC (48 22 16)

-0.01

0.01

0.03

0.05

Fear Happy Neutral

L DLPFC (-34 32 12)

RL

EMOTIONAL

RL

NEUTRAL

Efecto del valor emocional en la memoria

Sergerie, Lepage & Armony (2005). NeuroimageCURSO U

AM 2013

Page 52: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

What else can we do?

• Cleaner data (e.g., high-pass filtering, scaling)

• More sophisticated averaging (modeling)

• Choose a good threshold

CURSO UAM 20

13

Page 53: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Modeling the expected response

Original:ON-OFF = 13.02, t(80) = 8.6, p = 2 10-13

Shifted blocks:ON-OFF = 12.45, t(80) = 17.7, p = 10-29CURSO U

AM 2013

Page 54: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Modeling the expected response

ASSUMPTIONS:

Experimental Paradigm• The response is solely determined by two conditions: the ON and OFF

blocks

Brain Physiology• There is a delay of about 6 sec between onset/offset of the block and the

observed signal

Brain-Design Interactions• The response is the same within a given block• The response is the same for all blocks belonging to the same condition

CURSO UAM 20

13

Page 55: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Modeling the expected response

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

CURSO UAM 20

13

Page 56: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

A better model for the HRF

0 10 20 30 40 50 60 70 80-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0 10 20 30 40 50 60 70 80-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Convolve with a model of hrf

0 10 20 30 40 50 60 70 80-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

CURSO UAM 20

13

Page 57: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Modeling the data: The General Linear Model

= β +

y x εCURSO U

AM 2013

Page 58: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

yi = xi β + εi

data model

errorparameter

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

Given by the

scanner

You build it

The weight of the model

Part of the data not accounted by the model

BEFORE

DURING

AFTER

NEVER

Who’s who in the GLM

CURSO UAM 20

13

Page 59: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Fitting the model to the data

CURSO UAM 20

13

Page 60: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

In search of a criterion

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

Try to minimize:

∑(yi – Mi)2Mi

yi

CURSO UAM 20

13

Page 61: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Height

Sum

of s

quar

es

CURSO UAM 20

13

Page 62: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Height

Sum

of s

quar

es

Choosing a height (parameter) of 8 minimizes the “distance” between the data and the model.

ORDINARY LEAST SQUARES (OLS) SOLUTION

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

CURSO UAM 20

13

Page 63: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

CURSO UAM 20

13

Page 64: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

A bigger (and better) model

= β1 +

y x1 ε

β2

x2

β3

x3

+ +

= β1 + β2 β3+ +CURSO U

AM 2013

Page 65: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

System of Linear EquationsNow we are left with a SLE of N independent equations and p unknownsThree possibilities:

1. N = pOnly one solution X = A-1b

2. N < pInfinite number of solutions (underdetermined system)

3. N > pNo solution (overdetermined system)

CURSO UAM 20

13

Page 66: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

εβ += Xy

∑=

N

tt

1

2ε̂

Ordinary Least Squares Estimator

Given

We try to find β̂ (an estimate of the true parameters β )

such that is minimal (as small as possible)

βε ˆˆ Xy −= (residuals)

CURSO UAM 20

13

Page 67: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

In matrix form…

=

β1

+

y X ε

β2

β3

+β= CURSO U

AM 2013

Page 68: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

εβ += Xy

=

β

ε+X

N: number of scansp: number of regressors (explanatory variables)

N: number of scansp: number of regressors (explanatory variables)

y

General Linear Model (GLM)

N N N

1 11p

p

CURSO UAM 20

13

Page 69: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

,εβ += XyGiven

If X was a number, then yXinvyXXy )(ˆ 1 === −β

But X is a matrix, and it typically has no inverse (it is not square)

β̂Xy =we look for

Looking for a solution…

y1 = x11β1+x12 β 2+…+x1p βp

y2 = x21β1+x22 β 2+…+x2p βp

yN = xN1β1+xN2 β 2+…+xNpβp

More equations (scans) than unknowns (conditions)Overdetermined System

CURSO UAM 20

13

Page 70: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Settling for a pseudo-solution…

yXXXyXpinv TT 1)()(ˆ −==β

So, we use the pseudo-inverse (we choose the Moore-Penrose version)

( ) TT XXXXpinv 1)( −=

But… this pseudo-solution is the OLS solution!

CURSO UAM 20

13

Page 71: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

ye

Design space defined by X

x1

x2

PIRRye

−==

β̂ˆ Xy =

yXXX TT 1)(ˆ −=β

TT XXXXPPyy

1)(

ˆ−=

=

Residual forming matrix R

Projection matrix P

OLS estimates

A Geometric Perspective

Slide from Klaas StephanCURSO U

AM 2013

Page 72: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Basic Model

Linear Modulation(habituation)

Other Modulation(e.g., performance, physio)

Independent Blocks

Parametric Modeling

Categorical Modeling

CURSO UAM 20

13

Page 73: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Event-related Designs

CURSO UAM 20

13

Page 74: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Event-related Designs

CURSO UAM 20

13

Page 75: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

CURSO UAM 20

13

Page 76: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

GLM: The L stands for Linear

It assumes that the superposition principle holds

A BC D

A+C B+DIf thenCURSO UAM 20

13

Page 77: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

GLM: And the M stands for Model

CURSO UAM 20

13

Page 78: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Introducing the Temporal Derivative

CURSO UAM 20

13

Page 79: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

CURSO UAM 20

13

Page 80: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

hrf alone hrf + d(hrf)/dt

CURSO UAM 20

13

Page 81: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

HRF, temporal derivative and dispersion Gamma functions

Fourier set (sines and cosines)

Basis Functions

CURSO UAM 20

13

Page 82: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Basis Functions: Choosing the Right Model

Good: Easy to analyze and interpret in terms of hemodynamic activity

Bad: May fail to capture real responses that do not fit the assumed behaviour

Few, model-based functions (e.g., synthetic HRF)

Good: No a priori assumptions about the shape of the response. Can capture unexpected responses (e.g., longer delay/duration)

Bad: Difficult to interpret physiologically. They may capture non-hemodynamic responses (noise, artifacts)

Many, general basis functions (e.g., Fourier set)

All models are wrong, but some are useful – George Box

CURSO UAM 20

13

Page 83: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Statistical Inference

)ˆ(

ˆ

ββ

stdt =

Where in the brain is my experimental parameter (β ) significantly bigger than zero?

pNdf −=

t-map

= = p-values

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

–Why don't you say at once “it’s a miracle”?–Because it may be only chance.

F. Dostoevsky, Crime and Punishment

CURSO UAM 20

13

Page 84: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Statistical Inference

Where in the brain is one experimental parameter (β1 ) significantly bigger than another one (β2 ) ?

Contrast: Linear combination of parameters

Hypothesis: β1 - β2 > 0

1∗β1 + (-1)∗β2

β1 > β2

c = [1 -1] c = [1 -1 0 0] if we included mean and linear trend in the model

)ˆ(

ˆ

ββcstd

ct =

= [1 -1]β1

β2

CURSO UAM 20

13

Page 85: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

My p-value is smaller than yours…

If P is between .1 and .9 there is certainly no reason to suspect the hypothesis tested. If it is below .02 it is strongly indicated that the hypothesis fails to account for the whole of the facts. We shall not often be astray if we draw a conventional line at .05.

R. Fisher, Statistical Methods for Research Workers (1925)

CURSO UAM 20

13

Page 86: 2013 Introducción a la técnica y análisis de resonancia ...ci3m.mx/documentos/conferencia/UAM.pdf · Introducción a la técnica y análisis de resonancia magnética funcional

Multiple comparisons across the brainThere are ~100,000 voxels in the brain!!

• No correction (p < 0.05 uncorrected)Good: Easy, minimize Type II errorsBad: Too many false positives (Type I errors) 5% of 100,000 = 5,000 voxels!

• Bonferroni correction (p < 0.05/100,000 = 0.0000005)Good: Easy, minimize Type I errorsBad: Too stringent (worst-case scenario). Too many Type II errors

• Gaussian random field theory (spatial smoothing)Good: Works well for spatially-correlated data. Reasonable resultsBad: Still fairly stringent. Removes some specificity (due to smoothing)

• False discovery rate (FDR)Good: Fewer Type II errors while still controlling for Type I errorsBad: Significance of a voxel depends on significance of other voxels

• “Pseudo-Bonferroni” correction (p < 0.001)Good: Somewhere between 0.05 uncorrected and 0.05 correctedBad: Completely arbitraryCURSO U

AM 2013