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Tipo de Documento: Dissertação
Título: Propriedades estatísticas do espectro de redes cerebrais funcionais
Autor(es): Xavier, Matheus Rodrigues
Data do documento: 19-Jul-2024
Orientador: Duarte Filho, Gerson Cortês
Resumo: O cérebro é uma das redes mais complexas conhecidas, composto por uma enorme quantidade de neurônios e conexões, capazes de realizar inúmeras sinapses, organizados anatomicamente em diferentes escalas espaciais e interativos em diversas escalas temporais, formando uma estrutura de arquitetura complexa. Compreender o funcionamento desse sistema é essencial para o direcionamento de estudos em neurociência, oferecendo novas perspectivas para o tratamento de distúrbios cerebrais que ainda carecem de terapias eficazes. Devido aos avanços teóricos em matemática e física estatística, com modelos cada vez mais precisos para a descrição de dados reais, juntamente com avanços tecnológicos em técnicas de análise computacional de dados e exames de mapeamento cerebral, tornou-se possível abordar o conectoma, definido como a matriz de conectividades funcionais das regiões anatômicas do cérebro, permitindo assim o estudo do cérebro como uma rede complexa. Essa abordagem possibilita, por exemplo, a aplicação da Teoria de Matrizes Aleatórias (TMA) para estudar a estatística espectral desse tipo de sistema. Neste trabalho, analisamos um conjunto de dados de conexões funcionais cerebrais obtidos via imagem por ressonância magnética funcional (fMRI) de indivíduos em estado de repouso. Estudamos a distribuição de espaçamentos consecutivos (DEC), assim como a distribuição das razões entre espaçamentos consecutivos (DREC) do espectro das matrizes de adjacência dos dados. Utilizamos a distribuição de Brody para ajustar a DEC e propusemos uma expressão semi-empírica para a DREC, a fim de avaliar o grau de correlação dos autovalores no conjunto de matrizes de adjacência. Essas distribuições semi-empíricas dependem de um parâmetro β que varia continuamente entre zero, quando a estatística espectral é descrita pela distribuição de Poisson, e um, quando é descrita pelo Ensemble Gaussiano Ortogonal (GOE) da TMA. Os ajustes realizados forneceram estimativas de β = 0, 89 para a DEC β = 0, 87 para a DREC, sugerindo uma estatística espectral intermediária entre a distribuição de Poisson e o GOE.
Abstract: The brain is one of the most complex networks known, composed of an enormous number of neurons and connections capable of performing countless synapses, anatomically organized across different spatial scales and interactive across various temporal scales, forming a structure of complex architecture. Understanding the functioning of this system is essential for guiding neuroscience studies, offering new perspectives for the treatment of brain disorders that still lack effective therapies. Due to theoretical advances in mathematics and statistical physics, with increasingly precise models for the description of real data, along with technological advances in computational data analysis techniques and brain mapping exams, it has become possible to approach the connectome, defined as the matrix of functional connectivities of the anatomical regions of the brain, thus allowing the brain to be studied as a complex network. This approach enables, for example, the application of Random Matrix Theory (RMT) to study the spectral statistics of this type of system. In this work, we analyzed a dataset of functional brain connections obtained by functional magnetic resonance imaging (fMRI) of individuals in a resting state. We studied the distribution of consecutive spacings (DCS), as well as the distribution of ratios between consecutive spacings (DRCS) of the adjacency matrix spectra of the data. We used the Brody distribution to fit the DCS and proposed a semi-empirical expression for the DRCS to assess the degree of correlation of the eigenvalues in the ensemble of adjacency matrices. These semi-empirical distributions depend on a parameter β that varies continuously between zero, when the spectral statistics are described by the Poisson distribution, and one, when described by the Gaussian Orthogonal Ensemble (GOE) of RMT. The fits performed provided estimates of β = 0.89 for the DCS and β = 0.87 for the DRCS, suggesting an intermediate spectral statistic between the Poisson distribution and the GOE.
Palavras-chave: Redes cerebrais
Conectividade funcional
Teoria de matrizes aleatórias
Distribuição de Brody
Brain networks
Functional connectivity
Random matrix theory
Brody distribution
área CNPQ: CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Agência de fomento: Fundação de Apoio a Pesquisa e à Inovação Tecnológica do Estado de Sergipe - FAPITEC/SE
Idioma: por
Sigla da Instituição: Universidade Federal de Sergipe (UFS)
Programa de Pós-graduação: Pós-Graduação em Física
Citação: XAVIER, Matheus Rodrigues. Propriedades estatísticas do espectro de redes cerebrais funcionais. 2024. 70 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2024.
URI: https://ri.ufs.br/jspui/handle/riufs/20515
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