Graph-based analysis of brain resting-state fMRI data in nocturnal frontal lobe epileptic patients

Il lavoro che ho sviluppato presso l'unità di RM funzionale del Policlinico S.Orsola-Malpighi, DIBINEM, è incentrato sull'analisi dati di resting state - functional Magnetic Resonance Imaging (rs-fMRI) mediante l'utilizzo della graph theory, con lo scopo di valutare eventuali differenze in termini di connettività cerebrale funzionale tra un campione di pazienti affetti da Nocturnal Frontal Lobe Epilepsy (NFLE) ed uno di controlli sani. L'epilessia frontale notturna è una peculiare forma di epilessia caratterizzata da crisi che si verificano quasi esclusivamente durante il sonno notturno. Queste sono contraddistinte da comportamenti motori, prevalentemente distonici, spesso complessi, e talora a semiologia bizzarra. L'fMRI è una metodica di neuroimaging avanzata che permette di misurare indirettamente l'attività neuronale. Tutti i soggetti sono stati studiati in condizioni di resting-state, ossia di veglia rilassata. In particolare mi sono occupato di analizzare i dati fMRI con un approccio innovativo in campo clinico-neurologico, rappresentato dalla graph theory. I grafi sono definiti come strutture matematiche costituite da nodi e links, che trovano applicazione in molti campi di studio per la modellizzazione di strutture di diverso tipo. La costruzione di un grafo cerebrale per ogni partecipante allo studio ha rappresentato la parte centrale di questo lavoro. L'obiettivo è stato quello di definire le connessioni funzionali tra le diverse aree del cervello mediante l'utilizzo di un network. Il processo di modellizzazione ha permesso di valutare i grafi neurali mediante il calcolo di parametri topologici che ne caratterizzano struttura ed organizzazione. Le misure calcolate in questa analisi preliminare non hanno evidenziato differenze nelle proprietà globali tra i grafi dei pazienti e quelli dei controlli. Alterazioni locali sono state invece riscontrate nei pazienti, rispetto ai controlli, in aree della sostanza grigia profonda, del sistema limbico e delle regioni frontali, le quali rientrano tra quelle ipotizzate essere coinvolte nella fisiopatologia di questa peculiare forma di epilessia.

Large-scale Network Analysis on Distributed Architectures

Questa dissertazione esamina le sfide e i limiti che gli algoritmi di analisi di grafi incontrano in architetture distribuite costituite da personal computer. In particolare, analizza il comportamento dell'algoritmo del PageRank così come implementato in una popolare libreria C++ di analisi di grafi distribuiti, la Parallel Boost Graph Library (Parallel BGL). I risultati qui presentati mostrano che il modello di programmazione parallela Bulk Synchronous Parallel è inadatto all'implementazione efficiente del PageRank su cluster costituiti da personal computer. L'implementazione analizzata ha infatti evidenziato una scalabilità negativa, il tempo di esecuzione dell'algoritmo aumenta linearmente in funzione del numero di processori. Questi risultati sono stati ottenuti lanciando l'algoritmo del PageRank della Parallel BGL su un cluster di 43 PC dual-core con 2GB di RAM l'uno, usando diversi grafi scelti in modo da facilitare l'identificazione delle variabili che influenzano la scalabilità. Grafi rappresentanti modelli diversi hanno dato risultati differenti, mostrando che c'è una relazione tra il coefficiente di clustering e l'inclinazione della retta che rappresenta il tempo in funzione del numero di processori. Ad esempio, i grafi Erdős–Rényi, aventi un basso coefficiente di clustering, hanno rappresentato il caso peggiore nei test del PageRank, mentre i grafi Small-World, aventi un alto coefficiente di clustering, hanno rappresentato il caso migliore. Anche le dimensioni del grafo hanno mostrato un'influenza sul tempo di esecuzione particolarmente interessante. Infatti, si è mostrato che la relazione tra il numero di nodi e il numero di archi determina il tempo totale.

Dynamic networks, text analysis and Gephi: the art math

In numerosi campi scientici l'analisi di network complessi ha portato molte recenti scoperte: in questa tesi abbiamo sperimentato questo approccio sul linguaggio umano, in particolare quello scritto, dove le parole non interagiscono in modo casuale. Abbiamo quindi inizialmente presentato misure capaci di estrapolare importanti strutture topologiche dai newtork linguistici(Degree, Strength, Entropia, . . .) ed esaminato il software usato per rappresentare e visualizzare i grafi (Gephi). In seguito abbiamo analizzato le differenti proprietà statistiche di uno stesso testo in varie sue forme (shuffolato, senza stopwords e senza parole con bassa frequenza): il nostro database contiene cinque libri di cinque autori vissuti nel XIX secolo. Abbiamo infine mostrato come certe misure siano importanti per distinguere un testo reale dalle sue versioni modificate e perché la distribuzione del Degree di un testo normale e di uno shuffolato abbiano lo stesso andamento. Questi risultati potranno essere utili nella sempre più attiva analisi di fenomeni linguistici come l'autorship attribution e il riconoscimento di testi shuffolati.

Twitter data analysis for financial markets

Over the time, Twitter has become a fundamental source of information for news. As a one step forward, researchers have tried to analyse if the tweets contain predictive power. In the past, in financial field, a lot of research has been done to propose a function which takes as input all the tweets for a particular stock or index s, analyse them and predict the stock or index price of s. In this work, we take an alternative approach: using the stock price and tweet information, we investigate following questions. 1. Is there any relation between the amount of tweets being generated and the stocks being exchanged? 2. Is there any relation between the sentiment of the tweets and stock prices? 3. What is the structure of the graph that describes the relationships between users?

Simplicial Complexes From Graphs Toward Graph Persistence

Persistent homology is a branch of computational topology which uses geometry and topology for shape description and analysis. This dissertation is an introductory study to link persistent homology and graph theory, the connection being represented by various methods to build simplicial complexes from a graph. The methods we consider are the complex of cliques, of independent sets, of neighbours, of enclaveless sets and complexes from acyclic subgraphs, each revealing several properties of the underlying graph. Moreover, we apply the core ideas of persistence theory in the new context of graph theory, we define the persistent block number and the persistent edge-block number.

Edge-aware Graph Attention Networks: Joint Reasoning On Text and Knowledge Graphs for Biomedical Question Answering

Much of the real-world dataset, including textual data, can be represented using graph structures. The use of graphs to represent textual data has many advantages, mainly related to maintaining a more significant amount of information, such as the relationships between words and their types. In recent years, many neural network architectures have been proposed to deal with tasks on graphs. Many of them consider only node features, ignoring or not giving the proper relevance to relationships between them. However, in many node classification tasks, they play a fundamental role. This thesis aims to analyze the main GNNs, evaluate their advantages and disadvantages, propose an innovative solution considered as an extension of GAT, and apply them to a case study in the biomedical field. We propose the reference GNNs, implemented with methodologies later analyzed, and then applied to a question answering system in the biomedical field as a replacement for the pre-existing GNN. We attempt to obtain better results by using models that can accept as input both node and edge features. As shown later, our proposed models can beat the original solution and define the state-of-the-art for the task under analysis.

Introducing CHIMeRA: from the development of a comprehensive biomedical database to the analysis of its sub-components.

In this thesis we discuss the expansion of an existing project, called CHIMeRA, which is a comprehensive biomedical network, and the analysis of its sub-components by using graph theory. We describe how it is structured internally, what are the existing databases from which it retrieves information and what machine learning techniques are used in order to produce new knowledge. We also introduce a new technique for graph exploration that is aimed to speed-up the network cover time under the condition that the analyzed graph is stellar; if this condition is satisfied, the improvement in the performance compared to the conventional exploration technique is extremely appealing. We show that the stellar structure is highly recurrent for sub-networks in CHIMeRA generated by queries, which made this technique even more interesting. Finally, we describe the convenience in using the CHIMeRA network for research purposes and what it could become in a very near future.

Tree regularized neural networks for key point analysis

This thesis contributes to the ArgMining 2021 shared task on Key Point Analysis. Key Point Analysis entails extracting and calculating the prevalence of a concise list of the most prominent talking points, from an input corpus. These talking points are usually referred to as key points. Key point analysis is divided into two subtasks: Key Point Matching, which involves assigning a matching score to each key point/argument pair, and Key Point Generation, which consists of the generation of key points. The task of Key Point Matching was approached using different models: a pretrained Sentence Transformers model and a tree-constrained Graph Neural Network were tested. The best model was the fine-tuned Sentence Transformers, which achieved a mean Average Precision score of 0.75, ranking 12 compared to other participating teams. The model was then used for the subtask of Key Point Generation using the extractive method in the selection of key point candidates and the model developed for the previous subtask to evaluate them.