The use of machine learning and tractography in hotspot identification for transcranial magnetic stimulation

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Betioli, Lucas dos Santos
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertacoes da USP
Universidade de São Paulo
Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/59/59135/tde-28012026-163238/
Resumo: Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) is a non-invasive technique that uses magnetic pulses to induce currents in specific cortical areas. Accurate coil positioning is essential for mortor area activation, and neuronavigation systems are commonly em ployed to improve placement control. However, identifying stimulation targets is still a time-consuming process that depends heavily on operator expertise. This work investi gates whether deep learning models can generalize across subjects for predicting cortical responsiveness, and compares which type of input information contributes most to the task. Four neural network models were trained on data from five subjects: one using coil coordinates only, one using tractography-derived features only, one using early-fusion of both inputs, and one using late-fusion where features are merged at the final layer. Tractography connectivity features and distal myographic responses were used as data, and model performance was evaluated in both within-subject training and out-of-subject generalization tests using accuracy. Hybrid models combining coil coordinates and fiber information achieved the highest accuracy and F1 in two out of five subjects, outperforming single-input baselines. Nonetheless, substantial inter-subject variability was observed, highlighting the challenges of generalization in this setting. These findings suggest that combining structural connectivity with coil parameters may help automate hotspot local ization and can be extended to other cortical regions and functional domains, potentially reducing the need for exhaustive empirical motor mapping.
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spelling The use of machine learning and tractography in hotspot identification for transcranial magnetic stimulationO uso de aprendizado de máquina e tractografia na iden tificação do hotspot para estimulação magnética transcranianaAprendizado de máquinaEstimulação magnética transcranianaTractografiaMachine learningTractographyTranscranial magnetic stimulationTranscranial Magnetic Stimulation (TMS) is a non-invasive technique that uses magnetic pulses to induce currents in specific cortical areas. Accurate coil positioning is essential for mortor area activation, and neuronavigation systems are commonly em ployed to improve placement control. However, identifying stimulation targets is still a time-consuming process that depends heavily on operator expertise. This work investi gates whether deep learning models can generalize across subjects for predicting cortical responsiveness, and compares which type of input information contributes most to the task. Four neural network models were trained on data from five subjects: one using coil coordinates only, one using tractography-derived features only, one using early-fusion of both inputs, and one using late-fusion where features are merged at the final layer. Tractography connectivity features and distal myographic responses were used as data, and model performance was evaluated in both within-subject training and out-of-subject generalization tests using accuracy. Hybrid models combining coil coordinates and fiber information achieved the highest accuracy and F1 in two out of five subjects, outperforming single-input baselines. Nonetheless, substantial inter-subject variability was observed, highlighting the challenges of generalization in this setting. These findings suggest that combining structural connectivity with coil parameters may help automate hotspot local ization and can be extended to other cortical regions and functional domains, potentially reducing the need for exhaustive empirical motor mapping.A Estimulação Magnética Transcraniana (EMT) é uma técnica não invasiva que utiliza pulsos magnéticos para induzir correntes em áreas específicas do córtex cerebral. O posicionamento preciso da bobina é essencial para a ativação de áreas motoras especificas, e sistemas de neuronavegação são comumente empregados para melhorar o controle do posicionamento. No entanto, a identificação dos alvos de estimulação ainda é um processo demorado e fortemente dependente da experiência do operador. Este trabalho investiga se modelos de aprendizado profundo podem generalizar entre diferentes sujeitos na predição da responsividade cortical e compara quais tipos de informações de entrada mais contribuem para essa tarefa. Quatro modelos de redes neurais foram treinados com dados de cinco sujeitos: um utilizando apenas as coordenadas da bobina, um utilizando apenas informações derivadas de tractografia, um utilizando fusão antecipada das duas entradas e um utilizando fusão tardia, na qual as características são combinadas apenas na camada final. As características de conectividade derivadas da tractografia e as respostas miográficas distais foram utilizadas como infomação, e o desempenho dos modelos foi avaliado tanto no treinamento dentro do sujeito quanto em testes de generalização entre sujeitos, usando acurácia. Os modelos híbridos que combinaram coordenadas da bobina e informações das fibras apresentaram as maiores acurácias e F1 em dois dos cinco sujeitos, superando os modelos com entrada única. No entanto, observou-se variabilidade considerável entre sujeitos, evidenciando os desafios da generalização nesse contexto. Esses achados sugerem que a combinação da conectividade estrutural com os parâmetros da bobina pode auxiliar na automatização da localização do hotspot e ser estendida a outras regiões corticais e domínios funcionais, potencialmente reduzindo a necessidade de mapeamento motor empírico exaustivo.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertacoes da USPUniversidade de São PauloFaculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão PretoBaffa Filho, OswaldoTinós, RenatoBetioli, Lucas dos Santos2025-12-092026-04-15info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/59/59135/tde-28012026-163238/doi:10.11606/D.59.2025.tde-28012026-163238Liberar o conteúdo para acesso público.info:eu-repo/semantics/openAccessengreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USP2026-04-15T14:20:02Zoai:teses.usp.br:tde-28012026-163238Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212026-04-15T14:20:02Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
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