Phonatory and articulatory representations of speech production in cortical and subcortical fMRI responses

Speaking involves coordination of multiple neuromotor systems, including respiration, phonation and articulation. Developing non-invasive imaging methods to study how the brain controls these systems is critical for understanding the neurobiology of speech production. Recent models and animal research suggest that regions beyond the primary motor cortex (M1) help orchestrate the neuromotor control needed for speaking, including cortical and sub-cortical regions. Using contrasts between speech conditions with controlled respiratory behavior, this fMRI study investigates articulatory gestures involving the tongue, lips and velum (i.e., alveolars versus bilabials, and nasals versus orals), and phonatory gestures (i.e., voiced versus whispered speech). Multivariate pattern analysis (MVPA) was used to decode articulatory gestures in M1, cerebellum and basal ganglia. Furthermore, apart from confirming the role of a mid-M1 region for phonation, we found that a dorsal M1 region, linked to respiratory control, showed significant differences for voiced compared to whispered speech despite matched lung volume observations. This region was also functionally connected to tongue and lip M1 seed regions, underlying its importance in the coordination of speech. Our study confirms and extends current knowledge regarding the neural mechanisms underlying neuromotor speech control, which hold promise to study neural dysfunctions involved in motor-speech disorders non-invasively.Tis work was supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness through the Juan de la Cierva Fellowship (FJCI-2015-26814), and the Ramon y Cajal Fellowship (RYC-2017- 21845), the Spanish State Research Agency through the BCBL “Severo Ochoa” excellence accreditation (SEV-2015-490), the Basque Government (BERC 2018- 2021) and the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under the Marie Sklodowska-Curie grant (No 799554).info:eu-repo/semantics/publishedVersio

A Machine Learning Framework for Identifying Molecular Biomarkers from Transcriptomic Cancer Data

Cancer is a complex molecular process due to abnormal changes in the genome, such as mutation and copy number variation, and epigenetic aberrations such as dysregulations of long non-coding RNA (lncRNA). These abnormal changes are reflected in transcriptome by turning oncogenes on and tumor suppressor genes off, which are considered cancer biomarkers. However, transcriptomic data is high dimensional, and finding the best subset of genes (features) related to causing cancer is computationally challenging and expensive. Thus, developing a feature selection framework to discover molecular biomarkers for cancer is critical. Traditional approaches for biomarker discovery calculate the fold change for each gene, comparing expression profiles between tumor and healthy samples, thus failing to capture the combined effect of the whole gene set. Also, these approaches do not always investigate cancer-type prediction capabilities using discovered biomarkers. In this work, we proposed a machine learning-based framework to address all of the above challenges in discovering lncRNA biomarkers. First, we developed a machine learning pipeline that takes lncRNA expression profiles of cancer samples as input and outputs a small set of key lncRNAs that can accurately predict multiple cancer types. A significant innovation of our work is its ability to identify biomarkers without using healthy samples. However, this initial framework cannot identify cancer-specific lncRNAs. Second, we extended our framework to identify cancer type and subtype-specific lncRNAs. Third, we proposed to use a state-of-the-art deep learning algorithm concrete autoencoder (CAE) in an unsupervised setting, which efficiently identifies a subset of the most informative features. However, CAE does not identify reproducible features in different runs due to its stochastic nature. Thus, we proposed a multi-run CAE (mrCAE) to identify a stable set of features to address this issue. Our deep learning-based pipeline significantly extended the previous state-of-the-art feature selection techniques. Finally, we showed that discovered biomarkers are biologically relevant using literature review and prognostically significant using survival analyses. The discovered novel biomarkers could be used as a screening tool for different cancer diagnoses and as therapeutic targets

Areal differences in depth cue integration between monkey and human.

Electrophysiological evidence suggested primarily the involvement of the middle temporal (MT) area in depth cue integration in macaques, as opposed to human imaging data pinpointing area V3B/kinetic occipital area (V3B/KO). To clarify this conundrum, we decoded monkey functional MRI (fMRI) responses evoked by stimuli signaling near or far depths defined by binocular disparity, relative motion, and their combination, and we compared results with those from an identical experiment previously performed in humans. Responses in macaque area MT are more discriminable when two cues concurrently signal depth, and information provided by one cue is diagnostic of depth indicated by the other. This suggests that monkey area MT computes fusion of disparity and motion depth signals, exactly as shown for human area V3B/KO. Hence, these data reconcile previously reported discrepancies between depth processing in human and monkey by showing the involvement of the dorsal stream in depth cue integration using the same technique, despite the engagement of different regions

Novel feature selection methods for high dimensional data

[Resumen] La selección de características se define como el proceso de detectar las características relevantes y descartar las irrelevantes, con el objetivo de obtener un subconjunto de características más pequeño que describa adecuadamente el problema dado con una degradación mínima o incluso con una mejora del rendimiento. Con la llegada de los conjuntos de alta dimensión -tanto en muestras como en características-, se ha vuelto indispensable la identifícación adecuada de las características relevantes en escenarios del mundo real. En este contexto, los diferentes métodos disponibles se encuentran con un nuevo reto en cuanto a aplicabilidad y escalabilidad. Además, es necesario desarrollar nuevos métodos que tengan en cuenta estas particularidades de la alta dimensión. Esta tesis está dedicada a la investigación en selección de características y a su aplicación a datos reales de alta dimensión. La primera parte de este trabajo trata del análisis de los métodos de selección de características existentes, para comprobar su idoneidad frente a diferentes retos y para poder proporcionar nuevos resultados a los investigadores de selección de características. Para esto, se han aplicado las técnicas más populares a problemas reales, con el objetivo de obtener no sólo mejoras en rendimiento sino también para permitir su aplicación en tiempo real. Además de la eficiencia, la escalabilidad también es un aspecto crítico en aplicaciones de gran escala. La eficacia de los métodos de selección de características puede verse significativamente degradada, si no totalmente inaplicable, cuando el tamaño de los datos se incrementa continuamente. Por este motivo, la escalabilidad de los métodos de selección de características también debe ser analizada. Tras llevar a cabo un análisis en profundidad de los métodos de selección de características existentes, la segunda parte de esta tesis se centra en el desarrollo de nuevas técnicas. Debido a que la mayoría de métodos de selección existentes necesitan que los datos sean discretos, la primera aproximación propuesta consiste en la combinación de un discretizador, un filtro y un clasificador, obteniendo resultados prometedores en escenarios diferentes. En un intento de introducir diversidad, la segunda propuesta trata de usar un conjunto de filtros en lugar de uno sólo, con el objetivo de liberar al usuario de tener que decidir que técnica es la más adecuada para un problema dado. La tercera técnica propuesta en esta tesis no solo considera la relevancia de las características sino también su coste asociado -económico o en cuanto a tiempo de ejecución-, por lo que se presenta una metodología general para selección de características basada en coste. Por último, se proponen varias estrategias para distribuir y paralelizar la selección de características, ya que transformar un problema de gran escala en varios problemas de pequeña escala puede llevar a mejoras en el tiempo de procesado y, en algunas ocasiones, en precisión de clasificación

Técnicas basadas en kernel para el análisis de texturas en imagen biomédica

[Resumen] En problemas del mundo real es relevante el estudio de la importancia de todas las variables obtenidas de manera que sea posible la eliminación de ruido, es en este punto donde surgen las técnicas de selección de variables. El objetivo de estas técnicas es pues encontrar el subconjunto de variables que describan de la mejor manera posible la información útil contenida en los datos permitiendo mejorar el rendimiento. En espacios de alta dimensionalidad son especialmente interesantes las técnicas basadas en kernel, donde han demostrado una alta eficiencia debido a su capacidad para generalizar en dichos espacios. En este trabajo se realiza una nueva propuesta para el análisis de texturas en imagen biomédica mediante la integración, utilizando técnicas basadas en kernel, de diferentes tipos de datos de textura para la selección de las variables más representativas con el objetivo de mejorar los resultados obtenidos en clasificación y en interpretabilidad de las variables obtenidas. Para validar esta propuesta se ha formalizado un diseño experimental con cuatro fases diferenciadas: extracción y preprocesado de los datos, aprendizaje y selección del mejor modelo asegurando la reproducibilidad de los resultados a la vez que una comparación en condiciones de igualdad.[Resumo] En problemas do mundo real é relevante o estudo da importancia de todas as variables obtidas de maneira que sexa posible a eliminación de ruído, é neste punto onde xorden as técnicas de selección de variables. O obxectivo destas técnicas é pois encontrar o subconxunto de variables que describan do mellor xeito posible a información útil contida nos datos permitindo mellorar o rendemento. En espazos de alta dimensionalidade son especialmente interesantes as técnicas baseadas en kernel, onde demostraron unha alta eficiencia debido á súa capacidade para xeneralizar nos devanditos espazos. Neste traballo realízase unha nova proposta para a análise de texturas en imaxe biomédica mediante a integración, utilizando técnicas baseadas en kernel, de diferentes tipos de datos de textura para a selección das variables máis representativas co obxectivo de mellorar os resultados obtidos en clasificación e en interpretabilidade das variables obtidas. Para validar esta proposta formalizouse un deseño experimental con catro fases diferenciadas: extracción e preprocesar dos datos, aprendizaxe e selección do mellor modelo asegurando a reproducibilidade dos resultados á vez que unha comparación en condicións de igualdade. Utilizáronse imaxes de xeles de electroforese bidimensional.[Abstract] In real-world problems it is of relevance to study the importance of all the variables obtained, so that denoising could be possible, because it is at this point when the variable selection techniques arise. Therefore, these techniques are aimed at finding the subset of variables that describe' in the best possible way the useful information contained in the data, allowing improved performance. In high-dimensional spaces, the kernel-based techniques are of special relevance, as they have demonstrated a high efficiency due to their ability to generalize in these spaces. In this work, a new approach for texture analysis in biomedical imaging is performed by means of integration. For this procedure, kernel-based techniques were used with different types of texture data for the selection of the most representative variables in order to improve the results obtained in classification and interpretability of the obtained variables. To validate this proposal, an experimental design has been concluded, consisting of four different phases: 1) Data extraction; 2) Data pre-processing; 3) Learning and 4) Selection of the best model to ensure the reproducibility of results while making a comparison under conditions of equality. In this regard, two-dimensional electrophoresis gel images have been used

System-Level Modeling of Endothelial Permeability Pathway and High-throughput Data Analysis for Disease Biomarker Selection

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Integration of texture and disparity cues to surface slant in dorsal visual cortex.

Reliable estimation of three-dimensional (3D) surface orientation is critical for recognizing and interacting with complex 3D objects in our environment. Human observers maximize the reliability of their estimates of surface slant by integrating multiple depth cues. Texture and binocular disparity are two such cues, but they are qualitatively very different. Existing evidence suggests that representations of surface tilt from each of these cues coincide at the single-neuron level in higher cortical areas. However, the cortical circuits responsible for 1) integration of such qualitatively distinct cues and 2) encoding the slant component of surface orientation have not been assessed. We tested for cortical responses related to slanted plane stimuli that were defined independently by texture, disparity, and combinations of these two cues. We analyzed the discriminability of functional MRI responses to two slant angles using multivariate pattern classification. Responses in visual area V3B/KO to stimuli containing congruent cues were more discriminable than those elicited by single cues, in line with predictions based on the fusion of slant estimates from component cues. This improvement was specific to congruent combinations of cues: incongruent cues yielded lower decoding accuracies, which suggests the robust use of individual cues in cases of large cue conflicts. These data suggest that area V3B/KO is intricately involved in the integration of qualitatively dissimilar depth cues

Identification and quantification of the alveolar compartment by confocal laser endomicroscopy in patients with interstitial lung diseases

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Biofísica Médica e Fisiologia de Sistemas), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018Doenças Intersticiais Pulmonares (DIP) é um termo que inclui mais de 200 doenças que afectam o parênquima pulmonar, partilhando manifestações clínicas, radiográficas e patológicas semelhantes. Este conjunto de doenças é bastante heterogéneo, apresentando cada tipo de DIP em diferente grau os elementos de inflamação e fibrose: enquanto a inflamação é reflectida pelo aumento de células inflamatórias e presença de nódulos ou edema, a fibrose reflecte-se pelas fibras adicionais de colagénio e elastina. Identificar o tipo de DIP de um doente é um processo difícil, sendo a Discussão Multidisciplinar o actual método de diagnóstico "gold standard": vários médicos especialistas compõem uma equipa multidisciplinar que vai ter em conta os dados clínicos, radiológicos e patológicos disponíveis para chegar a uma conclusão. Estes dados incluem imagens de tomografia computorizada de alta resolução (TCAR), a descrição da lavagem broncoalveolar e, quando possível, dados de biópsias. Apesar do esforço e competência da equipa multidisciplinar, 10% dos pacientes são categorizados como inclassificáveis devido a dados inadequados ou discrepância entre os dados existentes. A maior causa para DIP inclassificáveis é a ausência de dados histopatológicos associada aos riscos das biópsias cirúrgicas. É muito importante determinar a DIP específica de um doente, dadas as suas implicações no tratamento e gestão do mesmo. É particularmente crítica a distinção entre doentes com Fibrose Pulmonar Idiopática (FPI) e doentes sem FPI, dado que há terapias anti-fibróticas – como o Pirfenidone – indicadas para FPI que são extremamente dispendiosas, exigindo certeza no diagnóstico antes de serem prescritas. Além disso, o tratamento com agentes imunossupressores pode funcionar com o grupo dos não-FPI mas aumenta a morte e hospitalizações nos doentes com FPI. A discussão multidisciplinar pode beneficiar da informação adicional oferecida pelo Confocal Laser Endomicroscopy (CLE), uma técnica de imagiologia que torna possível visualizar os alvéolos pulmonares com resolução microscópica de forma minimamente invasiva, através de uma broncoscopia. O laser do CLE tem um comprimento de onda de 488 nm que permite observar a autofluorescência das fibras de elastina. Há evidências de que a quantidade de fibras de elastina é aumentada e a arquitectura destas fibras é alterada na presença de fibrose pulmonar, a qual está associada a algumas doenças intersticiais pulmonares incluindo a fibrose pulmonar idiopática. Até à data, os vídeos de Confocal Laser Endomicroscopy são, na maioria dos casos, analisados apenas visualmente, e pouca informação objectiva e consistente foi conseguida destes vídeos em doentes de DIP. No entanto, é possível obter informação mais relevante dos mesmos, convertendo-os em frames, pré-processando as imagens e extraindo atributos numéricos. Neste projecto, foram obtidas imagens dos alvéolos pulmonares de doentes de DIP através de CLE. O principal objectivo do projecto é melhorar a técnica de CLE e aumentar a sua usabilidade para que no futuro possa contribuir para facilitar a estratificação de doentes com DIP e eventualmente reduzir o número de biópsias pulmonares nestes doentes. Como mencionado, o instrumento de Confocal Laser Endomicroscopy emite uma luz laser azul de 488nm, a qual é reflectida no tecido e reorientada para o sistema de detecção pela mesma lente, passando por um pequeno orifício (pinhole). Isto permite que a luz focada seja recolhida e que feixes provenientes de planos fora de foco sejam excluídos, originando uma resolução microscópica que permite imagens ao nível celular. Quando o CLE é aplicado a imagem pulmonar, é possível observar as paredes alveolares pela autofluorescência natural presente nas fibras de elastina. No estudo clínico subjacente a este estudo, o protocolo de CLE foi aplicado a 20 pacientes, embora 8 tenham sido posteriormente excluídos da análise. Os vídeos de CLE obtidos sofreram duas selecções: uma com base na região onde uma biópsia (usada como referência) foi tirada e outra com base na qualidade técnica das imagens. Depois, os dados foram pré-processados: geraram-se imagens mosaico com um campo de visão alargado e, paralelamente converteram-se as sequências de vídeo em frames. A qualidade da imagem foi melhorada, filtrando o ruído electrónico para que posteriormente pudesse ser aplicada a análise de imagem. Esta análise extraiu valores numéricos que reflectem o estado do espaço alveolar, nomeadamente, variáveis de textura e medições relacionadas com as fibras de elastina. As imagens de CLE obtidas mostraram-se muito interessantes. A resolução é superior à tomografia computorizada de alta resolução e a tridimensionalidade acrescenta informação às biópsias. O facto de permitir feedback em tempo real e observar ao vivo os movimentos naturais da respiração contribui para a análise do estado do doente. A análise de textura feita às imagens serviu-se de um algoritmo de extracção de variáveis de Haralick a partir de uma Gray-Level Co-occurence Matrix (GLCM). Foram extraídas as variáveis de textura Momento Angular Secundário (Energia), Entropia, Momento de Diferença Inversa, Contraste, Variação e Correlação. O algoritmo de Ridge Detection (detecção de linhas) identificou a maior parte das fibras de elastina detectáveis por um observador humano e mediu o Número de Fibras, o seu Comprimento e Largura e o Número de Junções entre fibras, permitindo também calcular a Soma dos Comprimentos de todas as fibras. Estes algoritmos devolveram valores consistentes num processo mais eficiente comparado com um observador humano, conseguindo avaliar em poucos segundos múltiplas variáveis para todo o conjunto de dados. As medições relacionadas com as fibras de elastina pretendiam ajudar a identificar os doentes fibróticos. Era esperado que as fibras dos doentes fibróticos fossem mais largas, mas isso não se observou. Também se previa que este grupo de doentes apresentasse maior número de fibras e junções, mas não houve uma diferença significativa entre grupos. No entanto, quando o grupo fibrótico foi segregado, o número de fibras e junções parece separar a fibrose moderada da fibrose severa. Este resultado é interessante na medida em que sugere que a monitorização do número de fibras/junções com CLE pode potencialmente ser usado como medida de eficácia de medicação anti-fibrótica. Em relação às variáveis de textura, esperava-se que os doentes fibróticos apresentassem valores mais elevados de Entropia, Contraste e Variância e valores inferiores de Momento de Diferença Inversa, dado que o seu tecido pulmonar deveria corresponder a imagens mais complexas e heterogéneas com mais arestas presentes. No entanto, ainda não foi possível estabelecer diferenças significativas entre grupos. Apesar dos resultados com o conjunto de dados usado não ter demonstrado correlações fortes entre as conclusões do CLE e da TCAR/histopatologia, os valores das variáveis em si já contribuem para o estudo das DIP, nomeadamente da sua fisiologia. De facto, a amostra de doentes deste estudo era reduzida, mas com uma amostra maior, espera-se que algumas das varáveis se correlacionem com outras técnicas usadas no diagnóstico e permitam segregar os pacientes em grupos e eventualmente aplicar classificação de dados. Neste momento, é possível especular que algumas variáveis seriam melhores candidatas para um classificador, nomeadamente os Números de Fibras e Junções, a Soma dos Comprimentos das fibras e as variáveis de Haralick Entropia e Energia. O projecto apresentado nesta dissertação foi desenvolvido através de um estágio de 6 meses no departamento de Pneumologia no Academic Medical Center em Amsterdão, Países Baixos. No Academic Medical Center (AMC), fui acompanhada pelos estudantes de doutoramento Lizzy Wijmans - médica - e Paul Brinkman - engenheiro biomédico - e supervisionada pelo Dr. Jouke Annema, MD, PhD, Professor de endoscopia pulmonar. Este grupo de investigação do AMC está focado em técnicas inovadoras de imagiologia do sistema pulmonar e teve a oportunidade de reunir com a empresa MKT –que produz a tecnologia de Confocal Laser Endomicroscopy –, o que enriqueceu a discussão aqui apresentada. Do Departamento de Física da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, fui orientada pelo Prof. Nuno Matela.Interstitial Lung Diseases (ILD) is a heterogeneous group of more than 200 diseases which affect the lung parenchyma. To identify the type of ILD a patient suffers from is a difficult process, and 10% of the patients are categorized as unclassifiable, mostly due to the absence of histopathological data associated with the risks of lung biopsies. The patient specific diagnosis is important because of its implications to the patient treatment and management, being particularly relevant to identify lung fibrosis. The Confocal Laser Endomicroscopy (CLE) can add information to this process. CLE allows to image the lung tissue with a micrometer resolution in a minimally invasive way, through a bronchoscopy. The elastin fibers from the lung alveoli are visible with this technique due to their autofluorescence. Since there is evidence that the amount of elastin fibers increases, and their architecture is altered in lung fibrosis, CLE should be used to extract values reflecting this condition. Thus, the main goal of this project was to improve the CLE technique and increase its usability, by extracting numerical values from the images which would reflect the state of the alveolar space, particularly the elastin fibers. The ILD patients recruited for the study had their lung alveoli imaged with CLE. The CLE movies were selected, pre-processed – were converted into frames, had their image quality enhanced and some mosaics were obtained – and then analyzed. The ridge detection algorithm detected most fibers recognized by a human observer. It allowed the measurement of the Number of Detected Fibers, their Length and Width, the Number of Junctions between fibers and to calculate the Sum from all Fibers’ Lengths. The Gray-Level Co-occurrence Matrix allowed the extraction of the Haralick texture features: Angular Second Moment (Energy), Entropy, Inverse Difference Moment, Contrast, Variance and Correlation. These algorithms produced consistent and unbiased numerical features, in an efficient process which can analyze the entire data set in a few seconds. Regarding the fiber related measurements, it was expected for the fibrotic patients to have wider fibers and a higher number of fibers and junctions. In terms of texture variables, it was expected from the fibrotic patients to present higher values of Entropy, Contrast and Variance, and lower values of Inverse Difference Moment, given their lung tissue should correspond to more complex and heterogeneous images with more ridges present. Due to the small sample size, it was still not possible to stratify patients with this data set. Nevertheless, the measurements presented here already contribute to the study of ILD, helping to understand the disease physiology. It is hoped that in the future, these measurements will aid the diagnosis process specially in those cases when patients cannot undergo a surgical biopsy. Additionally, CLE could potentially be used as an anti-fibrotic medication efficiency measurement tool

Systems Analytics and Integration of Big Omics Data

A “genotype"" is essentially an organism's full hereditary information which is obtained from its parents. A ""phenotype"" is an organism's actual observed physical and behavioral properties. These may include traits such as morphology, size, height, eye color, metabolism, etc. One of the pressing challenges in computational and systems biology is genotype-to-phenotype prediction. This is challenging given the amount of data generated by modern Omics technologies. This “Big Data” is so large and complex that traditional data processing applications are not up to the task. Challenges arise in collection, analysis, mining, sharing, transfer, visualization, archiving, and integration of these data. In this Special Issue, there is a focus on the systems-level analysis of Omics data, recent developments in gene ontology annotation, and advances in biological pathways and network biology. The integration of Omics data with clinical and biomedical data using machine learning is explored. This Special Issue covers new methodologies in the context of gene–environment interactions, tissue-specific gene expression, and how external factors or host genetics impact the microbiome