Abordagens de aprendizado de máquina e redes complexas na classificação de transtornos mentais

dc.contributor.advisor-co1Alves, Caroline Lourenço
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/2509241559871646
dc.contributor.advisor1Rodrigues, Francisco Aparecido
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/2153014839354888
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0002-0145-5571
dc.contributor.authorSallum, Loriz Francisco
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/8621924436923074
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0000-0003-1915-9946
dc.date.accessioned2025-07-28T13:08:26Z
dc.date.issued2025-05-30
dc.description.abstractComplex network science has emerged as a powerful tool for studying the structural and functional organization of the brain under normal conditions and in pathological contexts. In recent years, network-based approaches have been widely used to understand how mental and neurodevelopmental disorders influence brain organization and alter its functionality. The integration of graph theory, functional neuroimaging techniques, and computational methods enables the reconstruction of brain networks and contributes to understanding the impacts of various disorders at the individual level. Moreover, advances in automated diagnosis using machine learning have shown promising results in predicting and characterizing a range of disorders based on the analysis of functional connectivity obtained from time series of brain activity. This project aims to classify different mental disorders through the reconstruction of complex networks from time series extracted from neuroimaging data. The goal is to assess which connectivity metric is most suitable for reconstructing the brain network topology associated with each mental disorder, as well as the one that achieves the best classification performance. Machine learning models were used to analyze functional connectivity matrices in order to characterize the brain topology associated with each condition and to identify disorder-specific connectivity patterns. For major depressive disorder (MDD), Spearman correlation was the most suitable metric for reconstructing brain networks. The results suggest that alterations in connectivity are related to deficits in attention, memory, and decision-making. For autism spectrum disorder (ASD) and attention-deficit hyperactivity disorder (ADHD), transfer entropy was used to build the connectivity matrix, revealing altered patterns in brain regions associated with attention and impulse control in ADHD, and impairments in social and cognitive areas in ASD. Connectivity patterns were also analyzed to understand the progression of Parkinson’s disease (PD). In its early stages, the patterns resembled those of healthy individuals, while in later stages, a reduction in synchronization between brain regions and disease progression was observed. Therefore, the findings of this study contribute to more accurate diagnoses and to the development of personalized intervention strategies, promoting advances in the understanding and treatment of these conditions.eng
dc.description.resumoA ciência de redes complexas emergiu como uma ferramenta poderosa para estudar a organização estrutural e funcional do cérebro, tanto em condições normais quanto em contextos patológicos. Recentemente, métodos baseados em redes complexas têm sido amplamente utilizados para entender como os transtornos mentais e do neurodesenvolvimento influenciam a organização cerebral e alteram sua funcionalidade. A integração entre teoria dos grafos, técnicas de neuroimagem funcional e métodos computacionais possibilita a reconstrução de redes cerebrais e contribui para a compreensão dos impactos de diferentes transtornos em nível individual. Além disso, avanços no diagnóstico automatizado utilizando aprendizado de máquina têm demonstrado resultados promissores na previsão e caracterização de diversos transtornos a partir da análise da conectividade funcional derivada de séries temporais de atividade cerebral. Este projeto tem como objetivo classificar diferentes transtornos mentais por meio da reconstrução de redes complexas a partir de séries temporais extraídas de dados de neuroimagem. Busca-se avaliar qual métrica de conectividade é mais adequada para a reconstrução da topologia da rede cerebral associada a diferentes transtornos mentais, assim como a que apresenta a melhor performance na classificação. Modelos de aprendizado de máquina foram utilizados para analisar matrizes de conectividade funcional com o intuito de caracterizar a topologia cerebral associada a cada condição e identificar padrões específicos na conectividade da rede. Para o transtorno depressivo maior (TDM), a correlação de Spearman foi a métrica mais adequada para reconstrução da rede cerebral. Os resultados sugerem que alterações na conectividade estão relacionados com déficits em atenção, memória e tomada de decisão. Para o transtorno do espectro autista (TEA) e transtorno do déficit de atenção e hiperatividade (TDAH), a transferência de entropia foi utilizada para construir a matriz de conectividade, revelando padrões alterados em regiões do cérebro associadas à atenção e controle dos impulsos no TDAH, e a comprometimento de áreas sociais e cognitivas no TEA. Padrões de conectividade cerebral foram analizados para entender a progressão da doença de Parkinson (DP). Nos estágios iniciais, os padrões foram semelhantes aos de indivíduos saudáveis, enquanto nos estágios avançados, observou-se uma redução na sincronização entre regiões do cérebro. Assim, os resultados deste estudo colaboram para diagnósticos mais precisos e para a formulação de estratégias de intervenção personalizadas, promovendo avanços na compreensão e no tratamento dessas condições.
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.description.sponsorshipId88887.645667/2021-00
dc.identifier.citationSALLUM, Loriz Francisco. Abordagens de aprendizado de máquina e redes complexas na classificação de transtornos mentais. 2025. Tese (Doutorado em Estatística) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/22440.*
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/22440
dc.language.isoeng
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCâmpus São Carlos
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma Interinstitucional de Pós-Graduação em Estatística - PIPGEs
dc.relation.urihttps://doi.org/10.1016/j.chaos.2025.116163
dc.relation.urihttps://doi.org/10.1371/journal.pone.0305630
dc.rightsAttribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/br/
dc.subjectRedes complexas
dc.subjectTranstornos mentais
dc.subjectConectividade funcional
dc.subjectAprendizado de máquina
dc.subjectDiagnóstico automático
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::PROBABILIDADE E ESTATISTICA::ESTATISTICA::ANALISE DE DADOS
dc.titleAbordagens de aprendizado de máquina e redes complexas na classificação de transtornos mentais
dc.title.alternativeMachine learning and complex network approaches for mental disorder classificationeng
dc.typeTese

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