WAIS Seminar:Modelling the Web: Examples of modelling language, network evolution and physical-social systems

Speaker(s): Prof. Steffen Staab Organiser: Dr Tim Chown Time: 23/05/2014 10:30-11:30 Location: B53/4025 Abstract The Web is constructed based on our experiences in a multitude of modalities: text, networks, images, physical locations are some examples. Understanding the Web requires from us that we can model these modalities as they appear on the Web. In this talk I will show some examples of how we model text, hyperlink networks and physical-social systems in order to improve our understanding and our use of the Web.

Principal component analysis and assessment of language network activation patterns in pediatric epilepsy

This dissertation establishes a novel data-driven method to identify language network activation patterns in pediatric epilepsy through the use of the Principal Component Analysis (PCA) on functional magnetic resonance imaging (fMRI). A total of 122 subjects’ data sets from five different hospitals were included in the study through a web-based repository site designed here at FIU. Research was conducted to evaluate different classification and clustering techniques in identifying hidden activation patterns and their associations with meaningful clinical variables. The results were assessed through agreement analysis with the conventional methods of lateralization index (LI) and visual rating. What is unique in this approach is the new mechanism designed for projecting language network patterns in the PCA-based decisional space. Synthetic activation maps were randomly generated from real data sets to uniquely establish nonlinear decision functions (NDF) which are then used to classify any new fMRI activation map into typical or atypical. The best nonlinear classifier was obtained on a 4D space with a complexity (nonlinearity) degree of 7. Based on the significant association of language dominance and intensities with the top eigenvectors of the PCA decisional space, a new algorithm was deployed to delineate primary cluster members without intensity normalization. In this case, three distinct activations patterns (groups) were identified (averaged kappa with rating 0.65, with LI 0.76) and were characterized by the regions of: (1) the left inferior frontal Gyrus (IFG) and left superior temporal gyrus (STG), considered typical for the language task; (2) the IFG, left mesial frontal lobe, right cerebellum regions, representing a variant left dominant pattern by higher activation; and (3) the right homologues of the first pattern in Broca's and Wernicke's language areas. Interestingly, group 2 was found to reflect a different language compensation mechanism than reorganization. Its high intensity activation suggests a possible remote effect on the right hemisphere focus on traditionally left-lateralized functions. In retrospect, this data-driven method provides new insights into mechanisms for brain compensation/reorganization and neural plasticity in pediatric epilepsy.

Principal Component Analysis and Assessment of Language Network Activation Patterns in Pediatric Epilepsy

This dissertation establishes a novel data-driven method to identify language network activation patterns in pediatric epilepsy through the use of the Principal Component Analysis (PCA) on functional magnetic resonance imaging (fMRI). A total of 122 subjects’ data sets from five different hospitals were included in the study through a web-based repository site designed here at FIU. Research was conducted to evaluate different classification and clustering techniques in identifying hidden activation patterns and their associations with meaningful clinical variables. The results were assessed through agreement analysis with the conventional methods of lateralization index (LI) and visual rating. What is unique in this approach is the new mechanism designed for projecting language network patterns in the PCA-based decisional space. Synthetic activation maps were randomly generated from real data sets to uniquely establish nonlinear decision functions (NDF) which are then used to classify any new fMRI activation map into typical or atypical. The best nonlinear classifier was obtained on a 4D space with a complexity (nonlinearity) degree of 7. Based on the significant association of language dominance and intensities with the top eigenvectors of the PCA decisional space, a new algorithm was deployed to delineate primary cluster members without intensity normalization. In this case, three distinct activations patterns (groups) were identified (averaged kappa with rating 0.65, with LI 0.76) and were characterized by the regions of: 1) the left inferior frontal Gyrus (IFG) and left superior temporal gyrus (STG), considered typical for the language task; 2) the IFG, left mesial frontal lobe, right cerebellum regions, representing a variant left dominant pattern by higher activation; and 3) the right homologues of the first pattern in Broca's and Wernicke's language areas. Interestingly, group 2 was found to reflect a different language compensation mechanism than reorganization. Its high intensity activation suggests a possible remote effect on the right hemisphere focus on traditionally left-lateralized functions. In retrospect, this data-driven method provides new insights into mechanisms for brain compensation/reorganization and neural plasticity in pediatric epilepsy.

Network construction and graph theoretical analysis of functional language networks in pediatric epilepsy

This dissertation introduces a new approach for assessing the effects of pediatric epilepsy on the language connectome. Two novel data-driven network construction approaches are presented. These methods rely on connecting different brain regions using either extent or intensity of language related activations as identified by independent component analysis of fMRI data. An auditory description decision task (ADDT) paradigm was used to activate the language network for 29 patients and 30 controls recruited from three major pediatric hospitals. Empirical evaluations illustrated that pediatric epilepsy can cause, or is associated with, a network efficiency reduction. Patients showed a propensity to inefficiently employ the whole brain network to perform the ADDT language task; on the contrary, controls seemed to efficiently use smaller segregated network components to achieve the same task. To explain the causes of the decreased efficiency, graph theoretical analysis was carried out. The analysis revealed no substantial global network feature differences between the patient and control groups. It also showed that for both subject groups the language network exhibited small-world characteristics; however, the patient's extent of activation network showed a tendency towards more random networks. It was also shown that the intensity of activation network displayed ipsilateral hub reorganization on the local level. The left hemispheric hubs displayed greater centrality values for patients, whereas the right hemispheric hubs displayed greater centrality values for controls. This hub hemispheric disparity was not correlated with a right atypical language laterality found in six patients. Finally it was shown that a multi-level unsupervised clustering scheme based on self-organizing maps, a type of artificial neural network, and k-means was able to fairly and blindly separate the subjects into their respective patient or control groups. The clustering was initiated using the local nodal centrality measurements only. Compared to the extent of activation network, the intensity of activation network clustering demonstrated better precision. This outcome supports the assertion that the local centrality differences presented by the intensity of activation network can be associated with focal epilepsy.^

Network Construction and Graph Theoretical Analysis of Functional Language Networks in Pediatric Epilepsy

This dissertation introduces a new approach for assessing the effects of pediatric epilepsy on the language connectome. Two novel data-driven network construction approaches are presented. These methods rely on connecting different brain regions using either extent or intensity of language related activations as identified by independent component analysis of fMRI data. An auditory description decision task (ADDT) paradigm was used to activate the language network for 29 patients and 30 controls recruited from three major pediatric hospitals. Empirical evaluations illustrated that pediatric epilepsy can cause, or is associated with, a network efficiency reduction. Patients showed a propensity to inefficiently employ the whole brain network to perform the ADDT language task; on the contrary, controls seemed to efficiently use smaller segregated network components to achieve the same task. To explain the causes of the decreased efficiency, graph theoretical analysis was carried out. The analysis revealed no substantial global network feature differences between the patient and control groups. It also showed that for both subject groups the language network exhibited small-world characteristics; however, the patient’s extent of activation network showed a tendency towards more random networks. It was also shown that the intensity of activation network displayed ipsilateral hub reorganization on the local level. The left hemispheric hubs displayed greater centrality values for patients, whereas the right hemispheric hubs displayed greater centrality values for controls. This hub hemispheric disparity was not correlated with a right atypical language laterality found in six patients. Finally it was shown that a multi-level unsupervised clustering scheme based on self-organizing maps, a type of artificial neural network, and k-means was able to fairly and blindly separate the subjects into their respective patient or control groups. The clustering was initiated using the local nodal centrality measurements only. Compared to the extent of activation network, the intensity of activation network clustering demonstrated better precision. This outcome supports the assertion that the local centrality differences presented by the intensity of activation network can be associated with focal epilepsy.

Structural and metabolic changes in language areas linked to formal thought disorder

BACKGROUND: The role of the language network in the pathophysiology of formal thought disorder has yet to be elucidated. AIMS: To investigate whether specific grey-matter deficits in schizophrenic formal thought disorder correlate with resting perfusion in the left-sided language network. METHOD: We investigated 13 right-handed patients with schizophrenia and formal thought disorder of varying severity and 13 matched healthy controls, using voxel-based morphometry and magnetic resonance imaging perfusion measurement (arterial spin labelling). RESULTS: We found positive correlations between perfusion and the severity of formal thought disorder in the left frontal and left temporoparietal language areas. We also observed bilateral deficits in grey-matter volume, positively correlated with the severity of thought disorder in temporoparietal areas and other brain regions. The results of the voxel-based morphometry and the arterial spin labelling measurements overlapped in the left posterior superior temporal gyrus and left angular gyrus. CONCLUSIONS: Specific grey-matter deficits may be a risk factor for state-related dysfunctions of the left-sided language system, leading to local hyperperfusion and formal thought disorder.

Delayed Development of Neural Language Organization in Very Preterm Born Children

This study investigates neural language organization in very preterm born children compared to control children and examines the relationship between language organization, age, and language performance. Fifty-six preterms and 38 controls (7–12 y) completed a functional magnetic resonance imaging language task. Lateralization and signal change were computed for language-relevant brain regions. Younger preterms showed a bilateral language network whereas older preterms revealed left-sided language organization. No age-related differences in language organization were observed in controls. Results indicate that preterms maintain atypical bilateral language organization longer than term born controls. This might reflect a delay of neural language organization due to very premature birth.

Repeating with the right hemisphere: reduced interactions between phonological and lexical-semantic systems in crossed aphasia?

Knowledge on the patterns of repetition amongst individuals who develop language deficits in association with right hemisphere lesions (crossed aphasia) is very limited. Available data indicate that repetition in some crossed aphasics experiencing phonological processing deficits is not heavily influenced by lexical-semantic variables (lexicality, imageability, and frequency) as is regularly reported in phonologically-impaired cases with left hemisphere damage. Moreover, in view of the fact that crossed aphasia is rare, information on the role of right cortical areas and white matter tracts underpinning language repetition deficits is scarce. In this study, repetition performance was assessed in two patients with crossed conduction aphasia and striatal/capsular vascular lesions encompassing the right arcuate fasciculus (AF) and inferior frontal-occipital fasciculus (IFOF), the temporal stem and the white matter underneath the supramarginal gyrus. Both patients showed lexicality effects repeating better words than non-words, but manipulation of other lexical-semantic variables exerted less influence on repetition performance. Imageability and frequency effects, production of meaning-based paraphrases during sentence repetition, or better performance on repeating novel sentences than overlearned clichés were hardly ever observed in these two patients. In one patient, diffusion tensor imaging disclosed damage to the right long direct segment of the AF and IFOF with relative sparing of the anterior indirect and posterior segments of the AF, together with fully developed left perisylvian white matter pathways. These findings suggest that striatal/capsular lesions extending into the right AF and IFOF in some individuals with right hemisphere language dominance are associated with atypical repetition patterns which might reflect reduced interactions between phonological and lexical-semantic processes.

Cognitive impairment and cortical reorganization in children with benign epilepsy with centrotemporal spikes

Benign epilepsy with centrotemporal spikes (BECTS) is associated with mild cognitive deficits, especially language impairment. This study aimed to clarify whether children with BECTS with left- or right-hemispheric, or bilateral focus have specific neuropsychological language deficits when compared to healthy controls, whether these deficits correlate functionally with language network organization (typical vs. atypical), and whether cofactors such as duration, handedness, and medication have a relevant impact on language reorganization processes.

Avaliação de linguagem por ressonância magnética funcional em pacientes com epilepsia associada à esclerose mesial temporal unilateral: correlação com avaliação clínica de linguagem

Introdução: A esclerose mesial temporal (EMT) é a principal causa de epilepsia resistente ao tratamento medicamentoso. Pacientes com EMT apresentam dificuldades no processamento semântico e fonológico de linguagem e maior incidência de reorganização cerebral da linguagem (bilateral ou à direita) em relação à população geral. A ressonância magnética funcional (RMf) permite avaliar a reorganização cerebral das redes de linguagem, comparando padrões de ativação cerebral entre diversas regiões cerebrais. Objetivo: Investigar o desempenho linguístico de pacientes com EMT unilateral esquerda e direita e a ocorrência de reorganização das redes de linguagem com RMf para avaliar se a reorganização foi benéfica para a linguagem nestes pacientes. Métodos: Utilizamos provas clínicas de linguagem e paradigmas de nomeação visual e responsiva para RMf, desenvolvidos para este estudo. Foram avaliados 24 pacientes com EMTe, 22 pacientes com EMTd e 24 controles saudáveis, submetidos a provas de linguagem (fluência semântica e fonológica, nomeação de objetos, verbos, nomes próprios e responsiva, e compreensão de palavras) e a três paradigmas de linguagem por RMf [nomeação por confrontação visual (NCV), nomeação responsiva à leitura (NRL) e geração de palavras (GP)]. Seis regiões cerebrais de interesse (ROI) foram selecionadas (giro frontal inferior, giro frontal médio, giro frontal superior, giro temporal inferior, giro temporal médio e giro temporal superior). Índices de Lateralidade (ILs) foram calculados com dois métodos: bootstrap, do programa LI-Toolbox, independe de limiar, e PSC, que indica a intensidade da ativação cerebral de cada voxel. Cada grupo de pacientes (EMTe e EMTd) foi dividido em dois subgrupos, de acordo com o desempenho em relação aos controles na avaliação clinica de linguagem. O <= -1,5 foi utilizado como nota de corte para dividir os grupos em pacientes com bom e com mau desempenho de linguagem. Em seguida, comparou-se o desempenho linguístico dos subgrupos ao índices IL-boot. Resultados: Pacientes com EMT esquerda e direita mostraram pior desempenho que controles nas provas clínicas de nomeação de verbos, nomeação de nomes próprios, nomeação responsiva e fluência verbal. Os mapas de ativação cerebral por RMf mostraram efeito BOLD em regiões frontais e temporoparietais de linguagem. Os mapas de comparação de ativação cerebral entre os grupos revelaram que pacientes com EMT esquerda e direita apresentam maior ativação em regiões homólogas do hemisfério direito em relação aos controles. Os ILs corroboraram estes resultados, mostrando valores médios menores para os pacientes em relação aos controles e, portanto, maior simetria na representação da linguagem. A comparação entre o IL-boot e o desempenho nas provas clínicas de linguagem indicou que, no paradigma de nomeação responsiva à leitura, a reorganização funcional no giro temporal médio, e possivelmente, nos giros temporal inferior e superior associou-se a desempenho preservado em provas de nomeação. Conclusão: Pacientes com EMT direita e esquerda apresentam comprometimento de nomeação e fluência verbal e reorganização da rede cerebral de linguagem. A reorganização funcional de linguagem em regiões temporais, especialmente o giro temporal médio associou-se a desempenho preservado em provas de nomeação em pacientes com EMT esquerda no paradigma de RMf de nomeação responsiva à leitura

Morfologia urbana na zona ocidental intramuros da cidade de Évora (sécs. XIII -XXI): do património à malha urbana

Resumo O património eborense integra um conjunto muito notável de monumentos civis e religiosos que têm originado ao longo do tempo a formação e desenvolvimento de tecido urbano. Desse património ressalta-se a construção de casas religiosas disseminadas em espaço anexo ao primitivo recinto amuralhado tendo as suas comunidades residentes influenciado sobremaneira os habitantes da área circundante. Algumas dessas áreas foram ocupadas por complexos religiosos (S. Domingos - século XIII, Santa Clara - século XV, Santa Catarina de Sena e Santa Helena do Monte Calvário - século XVI). As intervenções projetadas nas antigas cercas monástico-conventuais realizadas posteriormente à exclaustração das ordens religiosas abrangem não apenas a construção dos espaços livres mas também pontualmente a reformulação, por vezes radical, das antigas estruturas pertencentes aos complexos religiosos já desativados. Nos espaços verdes que constituíam as antigas cercas, ocorreu a eliminação ou alteração de uso do solo de tais áreas e desapareceu simultaneamente muito do historial destes locais. A reorganização interior das construções e a reformulação volumétrica, adaptando-as às atuais exigências funcionais, determinam que as demolições sejam correntes nessas intervenções. A organização espacial inerente à vida monástico-conventual dissipa-se definitivamente com essas demolições, que ocasionam também o desaparecimento de um conjunto significativo de elementos construtivos, como por exemplo, elementos decorativos. Neste caso ou são levados, conjuntamente com o entulho das obras, para vazadouro público, ou em casos mais raros introduzidos nas novas construções erigidas no local, descontextualizados. A redução substancial das manchas verdes intramuros constituíram-se como abrigo para espécies animais, além do decréscimo de áreas de absorção de água para o subsolo foram aspetos controversos resultantes de tais tipos de intervenções na cidade. Os casos que são objeto do presente trabalho apresentam quatro situações distintas: reconstrução total de todo o espaço (Santa Catarina), reutilização de um antigo espaço monástico (Santa Clara), o espaço respeitante ao antigo convento de S. Domingos que se encontra parcialmente ocupado/loteado, e o espaço do Mosteiro do Calvário de dimensões muito consideráveis que atualmente se encontra expectante (antiga cerca) e reduzidamente ocupado (edifício). O objetivo é procurar estabelecer comparações entre quatro situações muito diferenciadas, com intervenções de maior ou menor qualidade para a regeneração urbana. Neste âmbito, a cartografia urbana histórica da cidade torna-se essencial para a compreensão evolutiva do tecido urbano.

Morfologia urbana na zona ocidental intramuros da cidade de Évora (sécs. XIII -XXI): do património à malha urbana

Resumo: O património eborense integra um conjunto muito notável de monumentos civis e religiosos que têm originado ao longo do tempo a formação e desenvolvimento de tecido urbano. Desse património ressalta-se a construção de casas religiosas disseminadas em espaço anexo ao primitivo recinto amuralhado tendo as suas comunidades residentes influenciado sobremaneira os habitantes da área circundante. Algumas dessas áreas foram ocupadas por complexos religiosos (S. Domingos - século XIII, Santa Clara - século XV, Santa Catarina de Sena e Santa Helena do Monte Calvário - século XVI). As intervenções projetadas nas antigas cercas monástico-conventuais realizadas posteriormente à exclaustração das ordens religiosas abrangem não apenas a construção dos espaços livres mas também pontualmente a reformulação, por vezes radical, das antigas estruturas pertencentes aos complexos religiosos já desativados. Nos espaços verdes que constituíam as antigas cercas, ocorreu a eliminação ou alteração de uso do solo de tais áreas e desapareceu simultaneamente muito do historial destes locais. A reorganização interior das construções e a reformulação volumétrica, adaptando-as às atuais exigências funcionais, determinam que as demolições sejam correntes nessas intervenções. A organização espacial inerente à vida monástico-conventual dissipa-se definitivamente com essas demolições, que ocasionam também o desaparecimento de um conjunto significativo de elementos construtivos, como por exemplo, elementos decorativos. Neste caso ou são levados, conjuntamente com o entulho das obras, para vazadouro público, ou em casos mais raros introduzidos nas novas construções erigidas no local, descontextualizados. A redução substancial das manchas verdes intramuros constituíram-se como abrigo para espécies animais, além do decréscimo de áreas de absorção de água para o subsolo foram aspetos controversos resultantes de tais tipos de intervenções na cidade. Os casos que são objeto do presente trabalho apresentam quatro situações distintas: reconstrução total de todo o espaço (Santa Catarina), reutilização de um antigo espaço monástico (Santa Clara), o espaço respeitante ao antigo convento de S. Domingos que se encontra parcialmente ocupado/loteado, e o espaço do Mosteiro do Calvário de dimensões muito consideráveis que atualmente se encontra expectante (antiga cerca) e reduzidamente ocupado (edifício). O objetivo é procurar estabelecer comparações entre quatro situações muito diferenciadas, com intervenções de maior ou menor qualidade para a regeneração urbana. Neste âmbito, a cartografia urbana histórica da cidade torna-se essencial para a compreensão evolutiva do tecido urbano.

Geo-morfo-evolução de Setúbal e Évora: paralelismos e diversidades

Resumo As cidades apresentam no seu desenvolvimento características comuns, embora em cada uma se verifique uma entidade intrínseca e determinada por vários fatores, nomeadamente a morfologia e o desenho urbano. Estes são influenciados pelo processo de instalação da cidade, numa determinada época, com uma posição específica no território funcional e num sítio com características topográficas e geográficas, que irão informar a criação das várias dimensões da configuração urbana; económicas; funcionais; sociológicas; estéticas e simbólicos. Temos, assim, cidades com os seus elementos estruturantes distintos: ruas; praças; quarteirões, equipamentos; edifícios singulares e a arquitetura de caracter corrente, que as distinguem. Analisemos o exemplo das cidades de Setúbal e Évora sob estes aspetos e as suas diferentes configurações morfológicas. A cidade de Setúbal instalou-se numa local que lhe assegurou boas condições naturais de defesa, boa exposição solar, proteção dos ventos, facilidade de recursos económicos assentes nas actividades fluvio-marítimos, condições geográficas de comunicação quer por via terrestre, quer por via fluvial e marítima, através do Oceano Atlântico. A urbe, que beneficiou de grande desenvolvimento no período de ocupação romana, terá sofrido, posteriormente, um período de decadência, tendo sido reocupada com a reconquista cristã. A área urbana inicial foi cercada, no séc. XIV, por uma cintura de muralhas. No séc. XVII a construção da segunda estrutura defensiva, abaluartada, circunscreveu também os arrabaldes e conteve a consolidação urbana até ao final ao séc. XIX. Évora é uma urbe que, remontando a data indeterminada, conserva ainda hoje o seu centro histórico circunscrito por um conjunto notável de muralhas cuja construção remonta à Baixa Idade Média. O desenvolvimento da cidade ocorreu a partir dos eixos que ligavam as principais portas situadas no circuito amuralhado quer o mais antigo que remontava ao período romano-godo quer o seguinte da época medieva, ou o mais recente, o Sistema Vauban do século XVII. O tecido urbano foi-se densificando ao longo dos séculos constatando-se actualmente a existência de espaços urbanos livres no casco histórico de tipologias diversas. No caso de Setúbal o tecido urbano foi sendo formado, com uma forma alongada, sob a orientação de eixos paralelos à linha de costa e o surgimento progressivo de praças, segundo um crescimento orgânico, embora submetido a uma estrutura que seguiu em cada momento os parâmetros organizacionais definidores e geradores da forma urbana. A cidade de Évora teve um desenvolvimento radio-concêntrico que evoluiu prolongando os eixos radiais, interligados através de vias circulares.