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Doctoral Thesis
Full name
Adèle Helena Ribeiro
Knowledge Area
Date of Defense
São Paulo, 2018
Fujita, André (President)
Baccala, Luíz Antonio
Carvalho, Benilton de Sá
Sameshima, Koichi
Soler, Julia Maria Pavan
Title in English
Identification of causality in genetics and neuroscience
Keywords in English
Functional brain networks
Granger causality
Polygenic mixed model
Probabilistic graphical models
Structure learning
Abstract in English
Causal inference may help us to understand the underlying mechanisms and the risk factors of diseases. In Genetics, it is crucial to understand how the connectivity among variables is influenced by genetic and environmental factors. Family data have proven to be useful in elucidating genetic and environmental influences, however, few existing approaches are able of addressing structure learning of probabilistic graphical models (PGMs) and family data analysis jointly. We propose methodologies for learning, from observational Gaussian family data, the most likely PGM and its decomposition into genetic and environmental components. They were evaluated by a simulation study and applied to the Genetic Analysis Workshop 13 simulated data, which mimic the real Framingham Heart Study data, and to the metabolic syndrome phenotypes from the Baependi Heart Study. In neuroscience, one challenge consists in identifying interactions between functional brain networks (FBNs) - graphs. We propose a method to identify Granger causality among FBNs. We show the statistical power of the proposed method by simulations and its usefulness by two applications: the identification of Granger causality between the FBNs of two musicians playing a violin duo, and the identification of a differential connectivity from the right to the left brain hemispheres of autistic subjects.
Title in Portuguese
Identificação de causalidade em genética e neurociência
Keywords in Portuguese
Aprendizagem de estrutura
Causalidade de Granger
Modelo misto poligênico
Modelos gráficos probabilísticos
Redes funcionais cerebrais
Abstract in Portuguese
Inferência causal pode nos ajudar a compreender melhor as relações de dependência direta entre variáveis e, assim, a identificar fatores de riscos de doenças. Em Genética, a análise de dados agrupados em famílias permite investigar influências genéticas e ambientais nas relações entre as variáveis. Neste trabalho, nós propomos métodos para aprender, a partir de dados Gaussianos agrupados em famílias, o mais provável modelo gráfico probabilístico (dirigido ou não dirigido) e também sua decomposição em dois componentes: genético e ambiental. Os métodos foram avaliados por simulações e aplicados tanto aos dados simulados do Genetic Analysis Workshop 13, que imitam características dos dados do Framingham Heart Study, como aos dados da síndrome metabólica do estudo Corações de Baependi. Em Neurociência, um desafio consiste em identificar interações entre redes funcionais cerebrais - grafos. Nós propomos um método que identifica causalidade de Granger entre grafos e, por meio de simulações, mostramos que o método tem alto poder estatístico. Além disso, mostramos sua utilidade por meio de duas aplicações: 1) identificação de causalidade de Granger entre as redes cerebrais de dois músicos enquanto tocam um dueto de violino e 2) identificação de conectividade diferencial do hemisfério cerebral direito para o esquerdo em indivíduos autistas.
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