Spectral density-based clustering algorithms for complex networks

IntroductionClustering is usually the first exploratory analysis step in empirical data. When the data set comprises graphs, the most common approaches focus on clustering its vertices. In this work, we are interested in grouping networks with similar connectivity structures together instead of grouping vertices of the graph. We could apply this approach to functional brain networks (FBNs) for identifying subgroups of people presenting similar functional connectivity, such as studying a mental disorder. The main problem is that real-world networks present natural fluctuations, which we should consider.MethodsIn this context, spectral density is an exciting feature because graphs generated by different models present distinct spectral densities, thus presenting different connectivity structures. We introduce two clustering methods: k-means for graphs of the same size and gCEM, a model-based approach for graphs of different sizes. We evaluated their performance in toy models. Finally, we applied them to FBNs of monkeys under anesthesia and a dataset of chemical compounds.ResultsWe show that our methods work well in both toy models and real-world data. They present good results for clustering graphs presenting different connectivity structures even when they present the same number of edges, vertices, and degree of centrality.DiscussionWe recommend using k-means-based clustering for graphs when graphs present the same number of vertices and the gCEM method when graphs present a different number of vertices

Abnormal Cortico-Cerebellar Functional Connectivity in Autism Spectrum Disorder

The cerebral cortex and the cerebellum are spatially remote areas that are connected by complex circuits that link both primary and associative areas. Previous studies have revealed abnormalities in autism spectrum disorder (ASD); however, it is not clear whether cortico-cerebellar connectivity is differentially manifested in the disorder. To explore this issue, we investigated differences in intrinsic cortico-cerebellar functional connectivity between individuals with typical development (TD) and those with ASD. To this end, we used functional magnetic resonance imaging (fMRI) of 708 subjects under a resting state protocol provided by the ABIDE I Consortium. We found that people with ASD had diminished functional connectivity between the cerebellum and the following cortical regions: (i) right fusiform gyrus, (ii) right postcentral gyrus, (iii) right superior temporal gyrus, (iv) right middle temporal gyrus, and (v) left middle temporal gyrus. All of these regions are involved in many cognitive systems that contribute to commonly affected functions in ASD. For right fusiform gyrus, right superior temporal gyrus, and left middle temporal gyrus, we reproduced the results in an independent cohort composed of 585 subjects of the ABIDE II Consortium. Our results points toward a consistent atypical cortico-cerebellar connectivity in ASD

Implicações da implementação da telepediatria no estado do Pará nos anos de 2016 a 2019

Introduction: Telehealth has been operating in the state of Pará since 2016 with the aim of supporting Primary Health Care and increasing access and solvability of the Unified Health System in the state, given that Pará is the second largest state in Brazil. Aim: To evaluate the impact of telepediatric care in the state of Pará, considering the main requests for specialties and the solvability of Telehealth in the evaluated period. Methodology: This is a cross-sectional, observational and descriptive study, carried out through the evaluation of teleconsultations available on the Telehealth Platform website. With access to the platform data, the keywords “Newborn”, “Infant”, “Toddler”, “Preschool” “School age”, “Child” and “Adolescence” were searched in order to filter the teleconsultations that addressed the topic of study. After the selection of 186 teleconsultations, the main doubts and the resoluteness in the period were analyzed to analyze the impact that telemedicine had in the evaluated period. The information was expressed as numerical and percentual data. Results: Stratification was performed based on doubts expressed through 186 filtered teleconsultations. The largest number of demands were for neurologists, pediatricians and dermatologists. There were 94% of platform solvability, indicating good effectiveness of Telehealth in Pará. Discussion: Telemedicine in this context helps doctors to reach diagnoses more easily, without referring the patient from the city where he/she lives to reference center facilities and helping in the management of patients who usually, due to social and geographic issues, find barriers to accessing higher levels of complexity in the Unified System of Health. Conclusion: Telemedicine promotes support to health care system offering specialized treatment even in remote regions in the state of Pará, furthermore telemedicine provides counseling and guidance for doctors and care for patients as a way to alleviate problems in accessing health services.Introdução: A Telessaúde atua no estado do Pará desde 2016 com o objetivo de auxiliar a Atenção Primária em Saúde a aumentar o acesso e resolubilidade do Sistema Único de Saúde no estado, tendo em vista que o Pará é o segundo maior estado em território do Brasil. Objetivo: Avaliar o impacto da telepediatria no estado do Pará, considerando as principais solicitações de especialidades e a resolubilidade da Telessaúde no período avaliado. Metodologia: Trata-se de um estudo transversal, observacional e descritivo, realizado por meio da avaliação de teleconsultorias disponíveis no site da Plataforma Telessaúde. Com acesso aos dados da plataforma, pesquisaram-se as palavras-chave “Recém Nascido”, “Pré Escolar”, “Escolar” e “Criança” com fins de filtrar as teleconsultorias que abordavam o tema de estudo. Após a seleção de 186 teleconsultorias, foram analisadas as principais dúvidas e a resolutividade no período para analisar o impacto que a telemedicina possuiu no período avaliado. As informações foram expressas por meio de dados numéricos e porcentuais. Resultados: Foi realizada a estratificação a partir de dúvidas expressas por meio das 186 teleconsultorias filtradas. Foi verificado que a principal demanda foi para profissionais neurologistas, pediatras e dermatologistas. Ainda se verificou alta resolutividade de 94%, indicando boa efetividade da Telessaúde no Pará. Discussão: A telemedicina, neste contexto, auxilia médicos generalistas a alcançar diagnósticos mais acurados, sem deslocar o paciente da cidade onde reside, viabilizando assim o manejo de pacientes suscetíveis a questões sociais e geográficas e, consequentemente, compensando os entraves ao acesso a maiores níveis de complexidade no Sistema Único de Saúde. Conclusão: A telemedicina auxilia na obtenção de tratamento especializado mesmo em regiões longínquas no estado do Pará, portanto a telemedicina possui funcionalidade de aconselhamento, orientação e atendimento como forma de amenizar os problemas de acesso a serviços de saúde

Investigation of altered cortico-cerebellar functional connections on autism spectrum disorder

Ainda pouco se sabe sobre as causas do transtorno do espectro autista (TEA) e seus efeitos na funcionalidade cerebral, porém, diversas pesquisas apontam que a condição esteja relacionada à uma conectividade diferenciada entre regiões do cérebro. A conectividade córtico-cerebelar tem sido tema de pesquisas nas últimas décadas em decorrência de novos achados que indicam que esta conectividade está relacionada ao aprendizado e refinamento de diversas funcionalidades do córtex. Acredita-se que uma falha na conectividade córtico-cerebelar poderia estar relacionada à falhas em funções sensorimotoras, cognitivas e emocionais. A investigação de regiões cuja conectividade córtico-cerebelar está alterada no TEA contribui para uma melhor compreensão deste transtorno. Assim, o objetivo deste trabalho é identificar regiões do cérebro cuja conectividade funcional com o cerebelo seja diferente entre indivíduos com desenvolvimento típico (DT) e diagnosticados com TEA. Para isto, utilizamos imagens de ressonância magnética funcional (fMRI) de 708 indivíduos em estado de repouso (432 DT e 276 TEA) com idades entre 6 e 58 anos coletados pelo consórcio ABIDE. Os dados foram pré-processados e divididos conforme regiões anatômicas do cérebro que foram adotadas como regiões de interesse (ROIs). Para determinar a conectividade funcional de cada região do córtex com o cerebelo, aplicamos o método de análise de componentes principais (PCA) nas ROIs do cerebelo e utilizamos um modelo regressão linear para cada ROI do córtex, sendo a série temporal da ROI do córtex a variável resposta e as componentes principais (PCs) do cerebelo as variáveis preditoras. Em seguida, identificamos as regiões com conectividade funcional diferente entre indivíduos com DT e diagnosticados com TEA através de um modelo linear que inclui como covariáveis, idade, gênero e local de coleta do dado. Identificamos cinco regiões do córtex que apresentam reduzida conectividade funcional com o cerebelo nos indivíduos com TEA, sendo elas: (i) giro fusiforme direito, (ii) giro pós-central direito, (iii) giro temporal superior direito e (iv) giro temporal médio direito e (v) esquerdo. Todas as cinco regiões são parte do sistema sensorimotor, e estão relacionadas à funções ligadas à sintomas característicos do quadro de TEA, como: sensibilidade à estímulos sensoriais, dislexia, prosopagnosia (dificuldade para reconhecer faces), dificuldade de compreensão de linguagem e dificuldade de reconhecimento de emoções em faces. Nossos resultados mostram que existem regiões do sistema sensorimotor que apresentam conectividade funcional com o cerebelo atipicamente reduzida em TEA, como corroborado por estudos de imageamento com tarefa específica e como hipotetizado por estudos de conectividade estrutural. Nós acreditamos que a conectividade córtico-cerebelar reduzida dessas regiões esteja prejudicando o processamento e aprendizado de funções sensorimotoras, levando ao surgimento de sintomas típicos do TEA.Little is known about the causes of autism spectrum disorder (ASD) and its effects on brain functions. Several researches point that it may be related to differentiated connections between brain regions. The cortico-cerebellar connectivity has been theme of researches over the last decade given the new discoveries suggesting that this connection is associated with learning and tuning of diverse brain functionalities. It is believed that cortico-cerebellar connectivity impairment may be related to impairments on sensorimotor, cognitive, and emotional functions. For a better understanding of the condition, we aim at identifying brain regions that present a impaired cortico-cerebellar connectivity between TD and ASD. Thus, our goal is to identify brain regions where the functional connectivity with the cerebellum is different between subjects with typical development (TD) and ASD. We used functional magnetic resonance images (fMRI) of 708 subjects under resting state protocol (432 TD and 276 ASD) with ages between 6 and 58 years old collected by the ABIDE Consortium. Data was pre-processed, splited in anatomical brain regions, which were adopted as regions of interest (ROIs). To establish the functional connectivity of each cortical ROI to the cerebellum, first we applied the principal component analysis (PCA) on cerebellar ROIs. Next, we used a linear regression model to each cortical ROI time series as response variable and the cerebellum principal components (PCs) as the predictive variables. After that, we identified regions of different connections between TD and ASD subjects applying a linear model including age, gender, and data collection site as covariables. We identified five cortical regions with reduced functional connectivity with cerebellum on the ASD subjects, namely: (i) right fusiform gyrus, (ii) right postcentral gyrus, (iii) right superior temporal gyrus, (iv) right middle temporal gyrus, and (v) left middle temporal gyrus. All five regions are part of the sensorimotor system, and contribute to functions typically associated with ASD, such as: sensitivity to external stimulus, dyslexia, prosopagnosia (difficulty to recognize faces), language comprehension impairments, and recognition of emotional expressions impairment. Our results show that there are brain regions with atypical cortico-cerebellar connectivity impairment on ASD, in accordance with results from previous studies of tactography and task driven fMRI. We believe that the decreased cortico-cerebellar connectivity of these regions are affecting the learning process of sensorimotor functionalities, leading to typical ASD symptoms

Clustering techniques and stratification of individuals to study functional brain networks

Em diversas aplicações de neurociência gostaríamos de entender semelhanças e diferenças entre indiví- duos analisando as conectividades do cérebro. Para isso, propomos duas abordagens: (i) agrupar indivíduos semelhantes ou (ii) posicioná-los em um espectro estratificado de um diagnóstico. Para (i), nós modelamos as redes cerebrais como um grafo e apresentamos dois métodos de clusterização baseados em análise espec- tral: um k-means para grafos do mesmo tamanho e uma abordagem baseada em modelo, chamada gCEM, para grafos de tamanhos diferentes. Para avaliar os pontos fortes e fracos dos métodos, projetamos alguns cenários usando modelos de grafos aleatórios. Também aplicamos a dados reais de compostos químicos e de redes cerebrais funcionais. Para (ii) nós utilizamos uma análise multivariada para encontrar associações cérebro-comportamentais e criar uma estratificação dos indivíduos variando de típicos a atípicos. Aplica- mos um framework de múltiplos holdouts com o método Sparse Partial Least Squares para encontrar essas associações. Utilizamos uma amostra de 349 crianças e adolescentes do conjunto de dados ABIDE II e en- contramos um modo de associação significativo entre dados fMRI e características comportamentais. As variáveis comportamentais mais importantes nesta associação estão relacionadas à capacidade de resposta social e as conexões cerebrais mais importantes estão dentro da rede de modo padrão e entre as redes somatomotora e visual.In several neuroscience applications, we would like to understand the similarities and the differences between individuals in the same group by analysing their brain connectivity. For this, we propose two approaches: (i) to group similar individuals or (ii) to place them in a stratified spectrum of a diagnosis. For (i), we model the brain networks as a graph and present two clustering methods based on spectral analysis: a k-means for graphs of the same size and a model-based approach, called gCEM, for graphs of different sizes. To assess the strengths and weaknesses of the methods, we designed some scenarios using random graph models. We also apply it to real data on chemical compounds and functional brain networks. For (ii), we use a multivariate analysis to find brain-behavioural associations and create stratification of individuals ranging from typical to atypical. We applied a framework of multiple holdouts with Sparse Partial Least Squares method to find these associations. We used a sample of 349 children and adolescents from the ABIDE II data set and found a significant association between fMRI data and behavioural characteristics. The most important behavioural variables in this association are related to social responsiveness. The most important brain connections are within the default-mode network and between the somatomotor and visual networks

Additional file 1 of Machine learning applied to fMRI patterns of brain activation in response to mutilation pictures predicts PTSD symptoms

Supplementary Material 1: Portugal_202