[논문 리뷰] On detecting determinism and nonlinearity in microelectrode recording signals: Approach based on non-stationary surrogate data methods

Diego L. Guarín, Álvaro A. Orozco외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 21.

Neural dynamics and brain function참고 문헌 11인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 뇌의 미세전극 기록(MER) 신호에서 비정상성에 기인하는 결정론적 및 비선형성 동역학을 탐지하기 위해 두 가지 새로운 비정상성 서로서티 데이터 방법—소규모 뒤섞기 서로서티(Small Shuffle Surrogates, SSS) 및 절단 푸리에 변환 서로서티(Truncated Fourier Transform Surrogates, TFTS)—를 제안한다. 저자들은 MER 신호가 독립적인 랜덤 변동이라는 귀무가설을 기각함으로써 결정론적 역학을 나타내며, 신호의 거동이 시간에 따라 변화함을 입증한다. 이는 때로는 선형 스토케스틱 과정과 유사하고, 때로는 그렇지 않은 바, 비정상성 분석 방법이 필요하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Two new surrogate methods, the Small Shuffle Surrogate (SSS) and the Truncated Fourier Transform Surrogate (TFTS), have been proposed to study whether there are some kind of dynamics in irregular fluctuations and if so whether these dynamics are linear or not, even if this fluctuations are modulated by long term trends. This situation is theoretically incompatible with the assumption underlying previously proposed surrogate methods. We apply the SSS and TFTS methods to microelectrode recording (MER) signals from different brain areas, in order to acquire a deeper understanding of them. Through our methodology we conclude that the irregular fluctuations in MER signals possess some determinism.

연구 동기 및 목표

• 뇌의 비정상성 미세전극 기록(MER) 신호 분석에서 기존 서로서티 데이터 방법의 한계를 해결하기 위해.
• MER 신호의 비정상적 변동이 결정론적인지 스토케스틱인지 여부를 규명하기 위해.
• 장기적 추세와 비정상성에도 불구하고 이러한 신호가 비선형 역학을 나타내는지 조사하기 위해.
• 임상 신경생리학적 신호에서 결정론적 역학을 식별하기 위한 강력한 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 소규모 뒤섞기 서로서티(SSS) 방법은 데이터 인덱스를 무작위로 뒤섞고 가우시안 노이즈를 추가하여, 장기적 추세는 유지하면서 단기 상관관계를 파괴한다.
• 절단 푸리에 변환 서로서티(TFTS) 방법은 푸리에 변환의 고주파 성분을 무작위화함으로써 저주파 행동과 장기적 추세를 유지한다.
• 이 두 방법은 모두 비정상적 변동이 독립적으로 분포되어 있음을 시험하는 귀무가설을 검증하기 위해 설계되었으며, 따라서 결정론적 구조가 없음을 의미한다.
• 저자들은 10명의 환자로부터 확보한 네 가지 뇌 영역(청각핵, 하부대뇌핵, 잠자른존, 자성체 파트 레티큘라)의 MER 신호에 SSS와 TFTS를 적용하였다.
• 원본 신호와 서로서티 집합을 비교하기 위해 약간의 엔트로피(AMI)와 레플-지프(LZ) 복잡도 기반의 통계적 검정을 사용하였다.
• 귀무가설을 기각한 신호에 대해 정상성 검정을 시행하여 局소 정상성일 가능성은 배제하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정상성과 장기적 추세가 존재하는 바, 인간 뇌의 미세전극 기록 신호는 결정론적 역학을 나타내는가?
• RQ2 기존의 서로서티 데이터 방법은 비정상성 MER 신호에서 비선형성과 결정론적 성질을 신뢰성 있게 탐지할 수 있는가?
• RQ3 MER 신호에서 관찰된 거동은 비정상성 선형 스토케스틱 과정과 일치하는가, 아니면 잠재적 결정론적 역학을 시사하는가?
• RQ4 동일한 신호 내에서 일부 신호 세그먼트는 귀무가설을 기각하는 반면 다른 세그먼트는 그렇지 않은 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 모든 테스트된 MER 신호에 대해 SSS 방법이 귀무가설을 기각하여, 비정상적 변동 내에 결정론적 역학이 존재함을 시사한다.
• TFTS 방법은 데이터베이스의 약 27%에 대해 귀무가설을 기각하여, 상당수의 신호가 비선형 또는 비정상성 결정론적 행동을 나타냄을 시사한다.
• 서브세그먼트 분석 결과, 10초짜리 MER 신호 내에서 일부 1초 간격은 귀무가설을 기각하는 반면 다른 간격은 그렇지 않아 시간에 따라 변화하는 동역학을 나타낸다.
• 정상성 검정을 통해 귀무가설을 기각한 신호들이 비정상적임을 확인하여, 결과가 局소 정상성에서 비롯된 것일 가능성은 배제되었다.
• 연구는 MER 신호가 i.i.d. 노이즈나 정상적 선형 과정이 아닌 결정론적 비정상 과정의 실현으로 더 잘 모델링될 수 있다고 결론 내린다.
• 저자들은 MER 신호의 비정상성 특성으로 인해 푸리에 분석이나 전통적인 비선형 역학 방법을 사용하는 것을 권장하지 않는다.