Weighted ensemble-model and network analysis: a method to predict fluid intelligence via naturalistic functional connectivity

Objectives: Functional connectivity triggered by naturalistic stimulus (e.g., movies) and machine learning techniques provide a great insight in exploring the brain functions such as fluid intelligence. However, functional connectivity are considered to be multi-layered, while traditional machine learning based on individual models not only are limited in performance, but also fail to extract multi-dimensional and multi-layered information from brain network. Methods: In this study, inspired by multi-layer brain network structure, we propose a new method namely Weighted Ensemble-model and Network Analysis, which combines the machine learning and graph theory for improved fluid intelligence prediction. Firstly, functional connectivity analysis and graphical theory were jointly employed. The network and graphical indices computed using the preprocessed fMRI data were then fed into auto-encoder parallelly for feature extraction to predict the fluid intelligence. In order to improve the performance, different models were automatically stacked and fused with weighted values. Finally, layers of auto-encoder were visualized to better illustrate the impacts, followed by the evaluation of the performance to justify the mechanism of brain functions. Results: Our proposed methods achieved best performance with 3.85 mean absolute deviation, 0.66 correlation coefficient and 0.42 R-squared coefficient, outperformed other state-of-the-art methods. It is also worth noting that, the optimization of the biological pattern extraction was automated though the auto-encoder algorithm. Conclusion: The proposed method not only outperforming the state-of-the-art reports, but also able to effectively capturing the common and biological pattern from functional connectivity during naturalistic movies state for potential clinical explorations

Connectivity differences between Gulf War Illness (GWI) phenotypes during a test of attention

One quarter of veterans returning from the 1990–1991 Persian Gulf War have developed Gulf War Illness (GWI) with chronic pain, fatigue, cognitive and gastrointestinal dysfunction. Exertion leads to characteristic, delayed onset exacerbations that are not relieved by sleep. We have modeled exertional exhaustion by comparing magnetic resonance images from before and after submaximal exercise. One third of the 27 GWI participants had brain stem atrophy and developed postural tachycardia after exercise (START: Stress Test Activated Reversible Tachycardia). The remainder activated basal ganglia and anterior insulae during a cognitive task (STOPP: Stress Test Originated Phantom Perception). Here, the role of attention in cognitive dysfunction was assessed by seed region correlations during a simple 0-back stimulus matching task (“see a letter, push a button”) performed before exercise. Analysis was analogous to resting state, but different from psychophysiological interactions (PPI). The patterns of correlations between nodes in task and default networks were significantly different for START (n = 9), STOPP (n = 18) and control (n = 8) subjects. Edges shared by the 3 groups may represent co-activation caused by the 0-back task. Controls had a task network of right dorsolateral and left ventrolateral prefrontal cortex, dorsal anterior cingulate cortex, posterior insulae and frontal eye fields (dorsal attention network). START had a large task module centered on the dorsal anterior cingulate cortex with direct links to basal ganglia, anterior insulae, and right dorsolateral prefrontal cortex nodes, and through dorsal attention network (intraparietal sulci and frontal eye fields) nodes to a default module. STOPP had 2 task submodules of basal ganglia–anterior insulae, and dorsolateral prefrontal executive control regions. Dorsal attention and posterior insulae nodes were embedded in the default module and were distant from the task networks. These three unique connectivity patterns during an attention task support the concept of Gulf War Disease with recognizable, objective patterns of cognitive dysfunction

Movimentações dinâmico-complexas no espaço vocálico bilíngue (L1: português/L2: espanhol) : implicações atencionais e efeitos de tipo de tarefa de produção oral em atrito de L1

Através da presente pesquisa, discutimos o impacto da atenção (mais especificamente, atenção seletiva) e das demandas linguísticas e cognitivas de diferentes tipos de tarefas de produção oral, em relação aos padrões acústicos de altura/F1, anterioridade/posterioridade/F2 e duração (relativa) na produção vocálica tônica de aprendizes brasileiros de Espanhol (L2) residentes do sul do Rio Grande do Sul/Brasil, considerando o processo de atrito linguístico em L1. O estudo inicia, portanto, uma discussão sobre como os dados fonético-fonológicos refletem processos atencionais. Neste estudo, aplicamos uma metodologia conjugada entre análise de produto e análise de processo (LOWIE; VERSPOOR, 2019; YU; LOWIE, 2019), dada a complementariedade entre as mencionadas análises na exploração do desenvolvimento fonético-fonológico bilíngue. A pesquisa transversal (análise de produto) deste estudo foi realizada com 12 aprendizes adultas de Espanhol como L2 (Grupo Experimental) e 12 falantes monolíngues de PB (Grupo Controle). Em relação às tarefas, foi proposto que as participantes realizassem um teste atencional (d2 Test of Attention) e três tarefas linguísticas (com gravação de áudio), sendo elas: (i) Tarefa 'Nuvem de Palavras': Nesta tarefa, a partir da visualização de um filme silencioso curto, as participantes fizeram uma descrição oral sobre o vídeo assistido, utilizando 10-14 palavras listadas na tarefa; (ii) Tarefa de Leitura de Texto: Nesta tarefa linguística, as participantes leram um texto em voz alta de forma natural; e (iii) Tarefa de Leitura de Frase-Veículo: Esta tarefa correspondeu a uma atividade de leitura de enunciados. Por sua vez, na pesquisa longitudinal (análise de processo), acompanhamos uma aprendiz adulta de Espanhol como L2. O estudo longitudinal visou, portanto, à observação do desenvolvimento bilíngue, a partir da análise da variabilidade dos dados e de picos significativos que indicam mudança de estado/aprendizagem (VERSPOOR; DE BOT; LOWIE, 2011). A informante da etapa longitudinal participou de 16 sessões de coleta de dados em L1 e em L2, sendo uma coleta por semana, ao longo de um intervalo de quatro meses. Com base na literatura, assumimos tanto para as análises de produto como para as de processo que: (i) as bilíngues apresentariam produções vocálicas distintas entre L1 e L2, bem como produções de PB diferenciadas do grupo de monolíngues dessa língua (evidenciando-se, assim, atrito linguístico de L1); (ii) as tarefas de produção menos controladas poderiam demonstrar dados mais naturais nas produções bilíngues; (iii) no que diz respeito à capacidade atencional, bilíngues com altos índices de atenção mostrariam uma produção vocálica mais aproximada aos padrões nativos de cada um dos dois sistemas, mesmo em tarefas de produção mais livres. Dessa forma, altos índices atencionais levariam a uma maior "resistência" ao atrito linguístico. Com relação aos resultados, a partir dos dados do estudo transversal, observamos a ocorrência de um processo dinâmico de atrito de L1, principalmente, na vogal média baixa /ɛ/ e nas durações relativas de /e, i, u/. Além disso, os resultados apontam que há maior incidência de atrito de L1 nas tarefas de contexto linguístico menos controlado (Tarefa 'Leitura de Texto' e Tarefa 'Nuvem de Palavras'). No que diz respeito à capacidade atencional, prevíamos que altos índices atencionais levariam a uma maior "resistência" ao atrito linguístico. No entanto, o que observamos foi o oposto, pois quanto mais alto o índice atencional, mais diferenciada era a produção bilíngue em L1 das produções do Grupo Controle (monolíngues de PB). Essa diferença se deve a uma hiperarticulação das produções bilíngues em L1. Portanto, ao passo que a atenção ajudou a preservar as categorias de L1 frente à possibilidade de assimilação aos padrões de L2, essa preservação se deu através de um processo de atrito, não em direção ao padrão de L2, mas de uma dissimilação, ou hiperarticulação, dos padrões de L1. De forma semelhante, nos resultados do estudo longitudinal, também observamos um processo de dissimilação vocálica em L1 (em duração relativa nas vogais /a/ e /ɛ/; em anterioridade/posterioridade na vogal /e/; em altura na vogal /o/), influenciado, principalmente, pelo contato mais frequente com a L2. Consequentemente, esse processo impulsionou a manifestação de atrito de L1, pois ao mesmo tempo em que a L2 foi refinada, o subsistema de L1 também passou por um processo de auto organização. Sendo assim, o estudo longitudinal permitiu observar como ocorre, ao longo do tempo, o processo de atrito de L1 a partir de uma dissimilação vocálica. Com base nesses resultados, esperamos que o presente trabalho tenha prestado sua contribuição, especificamente à Psicolinguística e aos trabalhos em Desenvolvimento Fonético-Fonológico de L2, ao ressaltar a importância da construção de uma ponte entre os achados de atrito linguístico de L1 e construtos cognitivos, tal como 'atenção', no desenvolvimento fonético-fonológico bilíngue.In this study, we discuss the impact of attention (more specifically, selective attention) and the linguistic and cognitive demands of different types of oral production tasks, in relation to the acoustic patterns of vowel height/F1, frontness/backness/F2 and (relative) duration. We investigate the production of stressed vowels by Brazilian learners of Spanish (L2) living in the south of Rio Grande do Sul/Brazil, considering the process of L1 attrition. Therefore, the study initiates a discussion on how phonetic-phonological data reflect attentional processes. In this study, we apply a combined methodology between 'product' and 'process' analyses (LOWIE; VERSPOOR, 2019; YU; LOWIE, 2019), given the complementarity between the aforementioned approaches in exploring bilingual phonetic-phonological development. The cross-sectional component (product analysis) of this study was carried out with 12 adult learners of Spanish as L2 (Experimental Group) and 12 monolingual speakers of BP (Control Group). Regarding the tasks, the participants were askd to take an attention test (d2 Test of Attention) and three language tasks (audio recordings), namely: (i) 'Word Cloud' task: In this task, after watching a short silent film, participants made an oral description of the video, using 10-14 words listed in the task; (ii) Text Reading Task: In this language task, participants read a text aloud in a natural way; and (iii) Carrier Sentence Reading Task: This task consisted of a sentence reading activity. In turn, in the longitudinal study (process analysis), we investigated the language development process by an adult learner of L2 Spanish. The longitudinal study, therefore, aimed to map bilingual development based on the analysis of data variability and significant peaks, which indicate phase changes (VERSPOOR; DE BOT; LOWIE, 2011). The student in the longitudinal study took part in 16 data collection sessions in both languages, with one collection per week, over a period of four months. Based on the literature, for both product and process analyses, we assumed that: (i) bilinguals would present distinct vowel productions in each one of their languages, as well as different BP productions when compared to the monolingual group (which characterizes L1 attrition); (ii) less controlled production tasks should elicit more natural data in the bilingual productions; (iii) with regard to their attentional capacity, bilinguals exhibiting high levels of attention would show acoustic patterns that should more closely resemble the native standards of each of the two systems, even in less-controlled production tasks. Thus, high attentional rates would lead to a greater "resistance" to language attrition. With regard to the results, the cross-sectional study data showed the occurrence of a dynamic process of L1 attrition, mainly in the mid-low vowel /ɛ/ and in the relative durations of /e, i, u/. In addition, the results indicate that there was a higher rate of L1 attrition in less controlled tasks ('Text Reading' and 'Word Cloud' Tasks).With regard to the role played by attentional capacity, we had predicted that high attentional rates would lead to greater "resistance" to language attrition. However, we observed the opposite pattern, because the higher the attentional rates, the more different the bilinguals’ L1 productions were when compared to the Control Group data. This difference may be due to a hyperarticulation pattern found in the L1 produced by the bilingual participants. In other words, although attention helped to preserve L1 categories against L2 assimilation, this preservation took place through a process of attrition, manifested as a dissimilatory or hyperarticulated L1 pattern. With regard to the data obtained in the longitudinal study, we also observed a process of vowel dissimilation in the participant's L1 (relative duration in /a/ and /ɛ/; frontness/backness in /e/; height in /o/), mainly influenced by a more frequent contact with the L2. Consequently, this process boosted the manifestation of L1 attrition. Therefore, the longitudinal study also allowed us to observe how the L1 attrition process occurs through a process of vowel dissimilation. Based on these results, we assume that the present work has paved new research avenues to the fields of Psycholinguistics and L2 Phonetic-Phonological Development, by bridging the gap between L1 attrition data and cognitive constructs, such as 'attention', in bilingual phonetic-phonological development