The dynamics of emotional and cognitive networks: Graph-based analysis of brain networks using fMRI and theoretical model for cingulo-frontal network dynamics in major depression
- Autores: Juan Pablo Ramírez Mahaluf
- Directores de la Tesis: Albert Compte Braquets (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2015
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Gustavo Deco (presid.), Francesc Artigas Pérez (secret.), Rubén Moreno Bote (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: Dipòsit Digital de la UB TDX
- Resumen
Esta tesis se compone de dos proyectos complementarios. Uno se centra en el estudio de la dinámica entre las redes emocionales y cognitivos en sujetos sanos, utilizando imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI). El segundo proyecto se basa en los resultados obtenidos en sujetos sanos para formular un modelo computacional de los mecanismos de fisiopatología y tratamiento en el trastorno de depresión mayor (TDM). 1. La regulación de los procesos cognitivos y emocionales es fundamental para diversas funciones como la atención, resolución de problemas, la detección de errores, la motivación, la toma de decisiones y el comportamiento social. La desregulación de estos procesos es el núcleo del trastorno depresivo mayor (TDM). Actualmente métodos de neuroimagen y anatómicos aplicada a los procesos emocionales y cognitivos presentes dos puntos de vista acerca de la organización del cerebro: un punto de vista presenta un alto grado de especialización funcional, el otro punto de vista propone que la cognición y la emoción se integran en el cerebro. En esta tesis, abordo este debate mediante el estudio de la topología de red subyacente en las interacciones competitivas entre las redes emocionales y cognitivos en sujetos sanos. Con este fin, se diseñó una tarea que contrasta períodos con muy altas demandas emocionales y cognitivas. Concatenamos dos tareas: una provocación tristeza (SP), seguido de una tarea de memoria de trabajo espacial (WM). La hipótesis es que este paradigma conductual mejoraría la modularidad de las redes cerebrales emocionales y cognitivas y revelaría las áreas corticales que actúan como centros de la red, que son fundamentales para regular el flujo y la integración de información entre regiones. Se recogieron datos de fMRI de 22 sujetos sanos que realizan esta tarea. Analizamos su actividad cerebral con un modelo general lineal, en busca de patrones de activación ligados a las diversas fases de las tareas, que luego lo utilizamos para extraer 20 regiones de interés (ROI) para cada sujeto y tarea. Calculamos las correlaciones entre las series temporale de fMRI para pares de ROIs, obtuvimos una matriz de correlaciones para cada sujeto, y luego aplicamos medidas de red de la teoría de grafos. Los sujetos que puntuaron más alto su intensidad de tristeza mostraron una marcada disminución en su rendimiento cognitivo después de SP. A su vez, presentaron una actividad más fuerte en corteza subgenual y menor actividad en la corteza prefrontal dorsolateral. El análisis de redes identificó dos módulos principales, uno cognitivo y emocional. Análisis del grado de conectividad y el coeficiente de participación identifico las áreas que actuaron como hubs y su modulación: el grado de la córteza prefrontal dorsolateral izquierda disminuyó después de la provocación tristeza y el grado de el polo frontal medial izquierdo fue modulada por la intensidad de la tristeza. Nuestros resultados identifican los centros que median la interacción entre redes emocionales y cognitivos en un contexto de altas demandas emocionales y cognitivas, y sugieren posibles objetivos para desarrollar nuevas estrategias terapéuticas para los trastornos del estado de ánimo. 2. Varias líneas de evidencia asocian el TDM con una disfunción de la dinámica de la red cíngulo-frontal, siguiendo una disfunción en el metabolismo del glutamato en la corteza cingulada anterior ventral (vACC). Sin embargo, todavía carecemos de un marco mecanicista para entender cómo estas alteraciones subyacen MDD y cómo tratamientos mejoran los síntomas de depresión. Construimos un modelo biofísico computacional de dos áreas corticales (vACC, y la corteza prefrontal dorso-lateral, dlPFC) que actúa como un interruptor entre el procesamiento emocional y cognitivo: las dos áreas no pueden ser co-activo debido a la inhibición mutua eficaz. Simulamos el TDM ralentizando la recaptación de glutamato en vACC, los tratamientos serotoninérgicos (ISRS) mediante la activación de los receptores de serotonina 1A en vACC, y la estimulación profunda del cerebro mediante la estimulación periódica de interneuronas vACC a 130 Hz. Se analizó la dinámica de la red matemáticamente en un modelo de red tasa de disparo más simple, y derivamos las condiciones para la aparición de oscilaciones corticales. Redes TDM se caracterizaron en presentar una activación constante en la ausencia de estimulos emocionales, y que no puede ser suprimida por la activación dlPFC. A su vez,la hiperactivación del vACC impidió dlPFC responder a las señales cognitivas, imitando la disfunción cognitiva en el TDM. ISRS contrarrestaron actividad aberrante en el vACC pero también abolió su respuesta normal a los estímulos emocionales. En los modelos resistentes al tratamiento, la estimulacion cerebral profunda restauró la función de interruptor. Oscilaciones en las bandas theta y beta / gamma correlacionan con la función de red, por lo que representan un marcador de operación. El modelo articula de manera mecánica cómo el déficit metabolico del glutamato genera dinámicas aberrantes en vACC, y cómo esto subyace síntomas emocionales y cognitivos en el TDM. El modelo tiene en cuenta la progresión de la depresión, el tratamiento con ISRS dependiente de la dosis, el tratamiento con estimulacion cerebral profunda y los marcadores rítmicos en un modelo biofísico de la fisiopatología del trastorno depresivo mayor.
