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A new statistical test based on the wavelet cross-spectrum to detect time–frequency dependence between non-stationary signals: Application to the analysis of cortico-muscular interactions

Authors :
Marieke Longcamp
David Amarantini
Jérémie Bigot
Fabien Dal Maso
Centre National de la Recherche Scientifique - CNRS (FRANCE)
Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse - INSA (FRANCE)
Université de Montréal - UdeM (CANADA)
Université Toulouse III - Paul Sabatier - UT3 (FRANCE)
Université Toulouse - Jean Jaurès - UT2J (FRANCE)
Université Toulouse 1 Capitole - UT1 (FRANCE)
Université de la Méditerranée - Aix-Marseille II (FRANCE)
Universidad de Chile - UCHILE (CHILE)
Institut de neurosciences cognitives de la méditerranée - INCM (Marseille, France)
Bigot, Jérémie
Institut de Mathématiques de Toulouse UMR5219 (IMT)
Université Toulouse Capitole (UT Capitole)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-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 de neurosciences cognitives de la méditerranée - UMR 6193 (INCM)
Université de la Méditerranée - Aix-Marseille 2-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Laboratoire Adaptation Perceptivo-Motrice et Apprentissage (LAPMA)
Institut des sciences du cerveau de Toulouse. (ISCT)
Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Centre Hospitalier Universitaire de Toulouse (CHU Toulouse)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)
Université de Toulouse (UT)-Centre Hospitalier Universitaire de Toulouse (CHU Toulouse)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)
Research project grant AO3 NeuroBiomeCo from the University Paul Sabatier (Toulouse 3).
Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse 1 Capitole (UT1)
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)
Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-CHU Toulouse [Toulouse]-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-CHU Toulouse [Toulouse]-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées
Publication Year :
2011
Publisher :
Elsevier, 2011.

Abstract

The study of the correlations that may exist between neurophysiological signals is at the heart of modern techniques for data analysis in neuroscience. Wavelet coherence is a popular method to construct a time-frequency map that can be used to analyze the time-frequency correlations be- tween two time series. Coherence is a normalized measure of dependence, for which it is possible to construct confidence intervals, and that is commonly considered as being more interpretable than the wavelet cross-spectrum (WCS). In this paper, we provide empirical and theoretical arguments to show that a significant level of wavelet coherence does not necessarily correspond to a significant level of dependence between random signals, especially when the number of trials is small. In such cases, we demonstrate that the WCS is a much better measure of statistical dependence, and a new statistical test to detect significant values of the cross-spectrum is proposed. This test clearly outperforms the limitations of coherence analysis while still allowing a consistent estimation of the time-frequency correlations between two non-stationary stochastic processes. Simulated data are used to investigate the advantages of this new approach over coherence analysis. The method is also applied to experimental data sets to analyze the time-frequency correlations that may exist between electroencephalogram (EEG) and surface electromyogram (EMG).

Details

Language :
English
Database :
OpenAIRE
Accession number :
edsair.doi.dedup.....21652203fe121b7f3cd2135b293d757d