Dissertations / Theses on the topic 'Estructuras cerebrales'

En la actualidad, la medicina y en especial el área de imagen médica, ha sido uno de los campos de la ciencia que más se ha beneficiado de las tecnologías de la información. En esta tesis nos centramos en las imágenes de resonancia magnética cerebral y los métodos de segmentación automática del volumen cerebral. En el primer capítulo describimos los antecedentes de este trabajo mediante una breve introducción de los principios físicos de la resonancia magnética y una revisión del estado del arte en relación con las técnicas de segmentación y su evolución a lo largo de las últimas décadas. En los capítulos tres, cuatro y cinco presentamos tres métodos de segmentación automática de diferentes partes del cerebro que mejoran el estado del arte en términos de calidad del resultado y velocidad. Finalmente, en el capítulo seis se comentan las conclusiones generales y se proponen líneas de desarrollo futuras.
Nowadays, medicine and specially the medical image area, is one of the science fields that has benefited more from the information technologies. In this thesis we focus on cerebral magnetic resonance imaging and automatic segmentation methods of the brain volume. In the first chapter we describe a background for this work by a brief introduction of the physic fundaments of magnetic resonance and a revision of the state-of-the-art regarding to segmentation techniques and its evolution along the last decades. In the chapters three, four and five we present three methods for automatically segment different parts of the brain that leverage the state-of-the-art in terms of result quality and computation time. Finally, in chapter six we comment the general conclusions and propose lines for future works.
En l'actualitat, la medicina i en especial l'àrea d'imatge mèdica, ha estat un dels camps de la ciència que més s'ha beneficiat de les tecnologies de la informació. En aquesta tesi ens centrem en les imatges de ressonància magnètica cerebral i el desenvolupament de mètodes de segmentaciò automàtica del volum cerebral. En el primer capítol descrvim els antecedents d'aquest treball mitjançant una breu introducció dels principis físics de la ressonància magnètica i una revisió de l'estat de l'art en relació amb les tècniques de segmentació i la seva evolució al llarg de les últimes dècades. En els capítols tres, quatre, i cinc presentem tres mètodes de segmentació automàtica per a diferents parts del cervell que milloren l'estat de l'art en quant a qualitat dels seus resultats i velocitat. Finalment, en el capitol sis es comenten les conclusions generals i es proposen línies de desenvolupament ions generals i es proposen línies de desenvolupament futures.
Romero Gómez, JE. (2018). Nuevos métodos para el análisis automático del volumen de estructuras cerebrales a partir de imágenes de resonancia magnética nuclear [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/106346
TESIS

This PhD thesis focuses on the development of deep learning based methods for accurate segmentation of the sub-cortical brain structures from MRI. First, we have proposed a 2.5D CNN architecture that combines convolutional and 2/2 spatial features. Second, we proposed a supervised domain adaptation technique to improve the robustness and consistency of deep learning model. Third, an unsupervised domain adaptation method was proposed to eliminate the requirement of manual intervention to train a deep learning model that is robust to differences in the MRI images from multi-centre and multi-scanner datasets. The experimental results for all the proposals demonstrated the effectiveness of our approaches in accurately segmenting the sub-cortical brain structures and has shown state-of-the-art performance on well-known publicly available datasets
Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo de métodos basados en el aprendizaje profundo para la segmentación precisa de las estructuras cerebrales subcorticales a partir de la resonancia magnética. En primer lugar, hemos propuesto una arquitectura 2.5D CNN que combina características convolucionales y espaciales. En segundo lugar, hemos propuesto una técnica de adaptación de dominio supervisada para mejorar la robustez y la consistencia del modelo de aprendizaje profundo. En tercer lugar, hemos propuesto un método de adaptación de dominio no supervisado para eliminar el requisito de intervención manual para entrenar un modelo de aprendizaje profundo que sea robusto a las diferencias en las imágenes de la resonancia magnética de los conjuntos de datos multicéntricos y multiescáner. Los resultados experimentales de todas las propuestas demostraron la eficacia de nuestros enfoques para segmentar con precisión las estructuras cerebrales subcorticales y han mostrado un rendimiento de vanguardia en los conocidos conjuntos de datos de acceso público

This thesis is focused on the automated segmentation of the brain structures in magnetic resonance images, applied to multiple sclerosis patients. This disease is characterized by the presence of lesions, which affect the segmentation result of commonly used automatic methods. We propose a new correspondence search model able to minimize this problem and extend the theory of two remarkable label fusion strategies of the literature, i.e. Non-local Spatial STAPLE and Joint Label Fusion, in order to integrate this model into their corresponding estimation algorithms. Furthermore, with the aim of providing fully automated algorithms, a whole automated pipeline is presented. Finally, a second extension of the theory to enable the integration of manual and automatic edits into the segmentation estimation of both strategies is also proposed. The analysis of the results obtained points out a performance improvement on the lesion areas, which is also reflected on the whole brain segmentation performance
Aquesta tesi se centra en la segmentació automàtica de les estructures cerebrals en imatges de ressonància magnètica, aplicada a pacients d’esclerosi múltiple. Aquesta malaltia es caracteritza per la presència de lesions, que afecten els resultats de segmentació dels mètodes automàtics tradicionals. Per aquest motiu proposem un nou model de cerca de correspondències capaç de minimitzar aquest problema i estenem la teoria de dues estratègies notables de la literatura, Non-local Spatial STAPLE i Joint Label Fusion, per integrar aquest model en els seus corresponents algoritmes d’estimació. Amb l’objectiu de proporcionar algoritmes totalment automatitzats, es presenta una pipeline completa. Finalment, també es proposa una segona extensió de la teoria per permetre la integració d’anotacions manuals i automàtiques en les dues estratègies. L’anàlisi dels resultats obtinguts demostra una millora en el rendiment dels algorismes de segmentació en les àrees de lesió, que també es veu reflectida en la segmentació de tot el cervell

A través de la simulación numérica de la mecánica de aneurismas cerebrales, el profesor Dr. Ing. Álvaro Valencia del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile, en el marco del segundo año de desarrollo del proyecto Fondecyt ’FLOW DYNAMICS AND ARTERIAL WALL INTERACTION IN REALISTIC CEREBRAL ANEURYSM MODELS’, está desarrollando una metodología de apoyo a las decisiones médicas, donde las simulaciones computacionales puedan brindar un grado mayor de certidumbre en el diagnóstico y evaluación de este tipo de patologías. Producto de este trabajo, se cuenta con una metodología consolidada para la reconstrucción de casos de aneurismas cerebrales reales y para la realización de simulaciones de mecánica de sólidos, para el estudio de aneurismas cerebrales sin tratamiento. Por otro lado, el efecto del tratamiento de un aneurisma, desde el punto de vista mecánico, es un punto aún no abordado. A grandes rasgos existen dos tipos de tratamientos de aneurismas: la cirugía convencional, y el tratamiento endovascular. ´ Este ´ultimo busca modificar la circulación de sangre en el aneurisma para evitar su ruptura. En esta memoria de título se modeló y simuló un modelo de tratamiento endovascular tipo stent, que consiste en introducir una malla trenzada de metal flexible dentro de la arteria portadora del aneurisma, y se realizó una comparación de los resultados obtenidos de la simulación con el modelo de stent con los obtenidos previo al tratamiento, en el contexto de las simulaciones de mecánica de sólidos. Se observó que el stent no tuvo efectos importantes en variables como el esfuerzo efectivo (diferencia del 1% aproximadamente entre el caso sin tratamiento y el caso con stent) en la zona del aneurisma. Los estiramientos principales aumentaron con la inclusión del stent en el saco aneurisma, sin embargo, estos se homogenizaron y disminuyeron grandes magnitudes localizadas en la zona del cuello. La rigidez extra, proporcionada por el stent a la pared arterial hizo disminuir de forma importante el desplazamiento en zonas centrales y el domo del aneurisma.

El presente trabajo de título forma parte del proyecto FONDECYT Flow Dynamics and Arterial Wall Interaction in Realistic Cerebral Aneurysm Models. El principal objetivo de este trabajo es optimizar la metodología de simulación de la mecánica de aneurismas cerebrales desarrollada en trabajos anteriores [4],[5] en los siguientes sentidos: crear una metodología de reconstrucción para dotar a las geometrías de espesor variable y cuantificar la sensibilidad de los resultados al variar el modelo constitutivo del material de la pared arterial, la cantidad de sifones de la vasculatura precedente al aneurisma, la condición de salida del flujo y el espesor de la pared. El primer objetivo se logró en colaboración con Rojo [2]. Para cumplir el segundo objetivo, se seleccionó uno de los nueve casos reconstruidos en este trabajo de título y se realizaron tres simulaciones estructurales puras, tres simulaciones CFD puras y cinco simulaciones FSI con el programa ADINA 8.3®. Mediante las simulaciones se pudo hallar la proporción en que diferían los resultados al variar los parámetros mecánicos antes mencionados. Se concluyó que la utilización de un modelo elástico equivalente es suficientemente buena aproximación para simular la mecánica de la pared arterial. Por otro lado, se concluyó que los resultados fluidodinámicos están fuertemente influenciados por la creación de flujo secundario producto de la curvatura de la vasculatura precedente al aneurisma. Al realizar las simulaciones, se debe considerar al menos un sifón suficientemente curvo en la geometría. Los resultados de las simulaciones FSI indican que las diferencias más grandes que se producen al variar cualquier parámetro se hallan en el sólido, de hecho los resultados fluidodinámicos, en su gran mayoría, no superan el 10 %. Por otro lado, el parámetro que genera mayor sensibilidad en los resultados es el espesor de la pared. Esta variable produce diferencias cercanas al 60% en el sólido, mientras que la variación de la condición de presión o la elasticidad de la pared, tan sólo producen diferencias del orden del 30 %. Se concluyó que la simulación más precisa desarrollada es la FSI que considera modelo de pared elástica Seshaiyer equivalente, presión normal a la salida y espesor de pared variable. En general, bajo esta metodología los esfuerzos y deformaciones son sobreestimados, mientras que el esfuerzo de corte en la pared es subestimado, lo cual la convierte en una prueba conservadora del riesgo de ruptura.

We discover properties of language in the light of independent knowledge of the brain and the mind. We will review brain structures and connections on a large scale; the activity, in the form of brain oscillations, that characterizes them; the way which these rhythms can interact and the mechanisms that they can provide; and how they are used by the main operations into which higher level cognitive domains can be decomposed. Finally, in such a context, language is then implemented and integrated, conceived in a non-modular nor specific way, so that its key operations reuse neutral mechanisms that also characterize consciousness, memory, attention, or the executive control system. Therefore, the linguistic structure can be followed from the interactions of oscillations, and both the principles of language and its constrictions can arise from the functions and limits in the generation and sustenance of certain oscillatory patterns
Se descubren propiedades del lenguaje a la luz del conocimiento independiente del cerebro y la mente. Se revisan así las estructuras y conexiones cerebrales a gran escala; la actividad, en forma de oscilaciones cerebrales, que las caracteriza; la manera en que estos ritmos pueden interactuar y los mecanismos que pueden proporcionar; y cómo se valen de ellos las principales operaciones en que pueden descomponerse los dominios cognitivos de mayor nivel. En ese contexto se implementa e integra el lenguaje, concebido de forma no modular ni específica, de modo que las operaciones clave reutilizan mecanismos neutrales con los que se caracteriza asimismo la consciencia, la memoria, la atención, o el sistema de control ejecutivo. La estructura lingüística se sigue de las interacciones de oscilaciones y tanto los principios del lenguaje como sus constricciones surgirían de las funciones y de los límites en la generación y el sostenimiento de ciertos patrones oscilatorios

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica
Ingeniero Civil Mecánico
El presente trabajo trata sobre el estudio de los aneurismas cerebrales, los cuales son una enfermedad que se produce por la deformación de la pared de las arterias del cerebro. Esta patología se desarrolla en una zona llamada el círculo de Willis, el cual es un conjunto de arterias que se encarga de suministrar sangre a las diferentes áreas del cerebro. Para este estudio se toma un modelo computacional o CAD (Diseño Asistido por Computador) de un aneurisma reconstruido en trabajos anteriores por el equipo del profesor A. Valencia. El principal objetivo es realizar un estudio de cómo simular adecuadamente las condiciones de borde del modelo computacional, para esto se utilizan dos teorías, la primera es la de Womersley, esta se encarga de simular un perfil de velocidad a la entrada de la arteria que tiene el aneurisma con el fin de reproducir un pulso cardíaco, la segunda es la de Windkessel, esta busca definir la presión de salida de la arteria. Para hacer la simulación se usa un programa de elementos finitos (ADINA), en el cual se importa el modelo CAD del aneurisma y las condiciones de borde, calculadas anteriormente en otro programa llamado MATLAB. Se realiza entonces una variación de la magnitud y de la forma del perfil de velocidad, también se aumenta el valor de la presión de salida (llegando a niveles de hipertensión) y por último se simula el aneurisma con un material elástico y con otro hiperelástico, con el fin de analizar cómo responde el sistema a los cambios. Posteriormente al realizar los cálculos se determina que las mayores concentraciones de esfuerzos se ubican en la zona del cuello del aneurisma y que los lugares con mayores desplazamientos se encuentran en la región del domo. Además, aumentos en un 100 [%] en la velocidad pueden generar incrementos cercanos de un 40 [%] en los esfuerzos. También se establece que lo que más aumenta los esfuerzos en el aneurisma es un incremento de la presión, la hipertensión puede provocar niveles alarmantes de esfuerzos y de deformaciones, incluso muy cercanos a los índices de rupturas. Una hipertensión en grado 3 (presión de sístole por sobre los 180 [mmHg]) puede provocar un incremento en hasta un 87,5 [%] los esfuerzos y en hasta un 32 [%] las deformaciones. Finalmente se determina que un material hiperelástico modela de mejor manera un aneurisma, ya que el elástico puede subestimar valores de esfuerzos en casi un 47 [%]. Por último hay que tener cuidado con la asignación de recursos para las simulaciones, ya que estas pueden consumir demasiada memoria y tiempo, por lo que hay que llegar a un equilibrio entre unos resultados adecuados y los recursos que se disponen.

La historia de la Psicología refleja el interés por las formas y estructura del ser humano, siendo cráneo y rostro las más estudiadas para discernir aspectos de la personalidad. Por su relevancia en numerosos trastornos psiquiátricos una conducta que ha sido objeto de numerosas investigaciones es la impulsiva, de la que han surgido distintas conceptualizaciones con cierta controversia etiológica. En este sentido, nada se ha investigado sobre la relación entre este constructo y la estructura craneofacial. No obstante, el psiquiatra francés Louis Corman (1901-1995) en sus observaciones sobre la estructura craneofacial, afirmaba que una mayor inclinación de la frente hacia atrás se relacionaba con rasgos impulsivos, observación que no ha recibido atención hasta la fecha. Por otro lado, las técnicas de neuroimagen están ayudando a clarificar que tipo de variaciones se producen en las regiones cerebrales implicadas en la impulsividad. Y aunque la investigación se ha centrado mayoritariamente en población clínica, los estudios con población sana parecen estar recibiendo mayor atención en la última década. Así, está investigación se constituyó sobre tres objetivos y cuatro hipótesis. En el primer objetivo se investigó la asociación entre la impulsividad y el grado de inclinación de la frente hacia atrás (GIF), bajo la primera hipótesis que a mayor GIF mayor impulsividad. El segundo objetivo estudió la asociación entre la impulsividad y el volumen de la materia gris (VMG) de toda la corteza cerebral. Se formuló una segunda hipótesis que a menor VMG en regiones fronto-temporales mayor impulsividad. El tercer objetivo investigó la asociación entre GIF y VMG de toda la corteza cerebral y se planteó la tercera hipótesis que a mayor GIF menor VMG en regiones fronto-temporales. Asimismo, sobre la hipótesis anterior, surgió una cuarta hipótesis para observar si un hipotético mayor GIF y menor VMG en regiones fronto-temporales, se asociaría a mayor impulsividad. Los resultados confirman ampliamente la primera hipótesis, al obtener una alta asociación positiva entre 16 de 17 factores de impulsividad analizados y GIF. La segunda hipótesis confirma disminuciones en el VMG de regiones de los lóbulos fronto-temporales, aunque también se han hallado incrementos en estos lóbulos y en regiones del lóbulo occipital. En la tercera hipótesis, mayor GIF se asoció con tres regiones cerebrales. Se halló una disminución del VMG en el lóbulo frontal (giro caudal medio frontal derecho) y en el temporal (corteza transversal temporal derecha). También hallamos disminuciones de VMG en una región parietal (giro post-central derecho). Ello confirma nuestra hipótesis aunque se esperaba un mayor número de asociaciones negativas en regiones frontales. Finalmente, en la cuarta hipótesis y en el factor de impulsividad no planeada, se confirma una asociación positiva con GIF a la vez que disminuciones de VMG en la región de la corteza transversal derecha (lóbulo temporal). En conclusión, a mayor GIF mayor impulsividad autoinformada en sujetos sanos. También deducimos que numerosas regiones cerebrales parecen estar implicadas en este constructo. Asimismo, en regiones posteriores del encéfalo, como el lóbulo occipital, no se han hallado correlaciones entre GIF y VMG, lo que parece indicar que GIF puede relacionarse con el tejido cerebral subyacente de regiones anteriores del encéfalo. En esta línea, confirmamos que GIF se asocia a un menor VMG en regiones temporales que influyen en la impulsividad no planeada, y aunque este factor también se ha relacionado con áreas frontales, en esta región no se ha encontrado una asociación conjunta con GIF. Finalmente, aunque se trata de unos resultados iniciales, abren una incipiente línea de investigación sobre la relación conjunta entre la estructura craneofacial, el tejido cerebral subyacente y aspectos de la personalidad.
The history of Psychology reflects the interest in the forms and structure of the human being, being skull and face the most studied to discern aspects of personality. Due to its relevance in numerous psychiatric disorders, a behavior that has been the objective of numerous investigations is impulsiveness, from which different conceptualizations with a certain etiological controversy have emerged. In this sense, nothing has been investigated on the relationship between this construct and the craniofacial structure. However, the French psychiatrist Louis Corman (1901-1995), in his observations on the craniofacial structure, stated that a greater slant of the forehead backwards was related to impulsive features, an observation that has not received attention to date. On the other hand, neuroimaging techniques are helping to clarify what type of variations occur in the brain regions involved in impulsiveness. And while research has focused largely on the clinical population, studies of healthy populations appear to be receiving more attention in the last decade. Thus, this research was based on three objectives and four hypotheses. In the first objective, the association between impulsivity and the degree of backward slanted forehead (GIF) was investigated, under the first hypothesis that the greater the GIF the greater the impulsiveness. The second objective studied the association between impulsiveness and gray matter volume (GMV) of the entire cerebral cortex. A second hypothesis was formulated: the lower the GMV in front-temporal regions, the greater the impulsiveness. The third objective investigated the association between GIF and GMV of the entire cerebral cortex and the third hypothesis was that the higher the GIF the lower the GMV in front-temporal regions. Also, on the previous hypothesis, a fourth hypothesis emerged to observe whether a hypothetical higher GIF and lower GMV in front-temporal regions would be associated with higher impulsiveness. The results broadly confirm the first hypothesis, by obtaining a high positive association between 16 of the 17 impulsivity factors analyzed and GIF. The second hypothesis confirmed decreases in GMV in fronto-temporal lobe regions, although increases have also been found in these lobes and in occipital lobe regions. In the third hypothesis, increased GIF was associated with three brain regions. A decrease in GMV was found in the frontal lobe (right middle frontal caudal rotation) and in the temporal lobe (right temporal cortex). We also found decreases in GMV in a parietal region (right post-central rotation). This supports our hypothesis, although more negative associations were expected in frontal regions. Finally, in the fourth hypothesis and the non-planning impulsiveness factor, a positive association with GIF is confirmed as well as decreases in GMV in the region of the right lateral cortex (temporal lobe). In conclusion, the greater the GIF, the greater the self-reported impulsiveness in healthy subjects. We also infer that numerous brain regions appear to be involved in this construct. Also, in posterior regions of the brain, such as the occipital lobe, no correlations have been found between GIF and GMV, suggesting that GIF may be related to the underlying brain tissue of anterior regions of the brain. In this line, we confirm that GIF is associated with a lower GMV in temporal regions that influence non-planning impulsiveness, and although this factor has also been related to frontal areas, no common association with GIF has been found in this region. Finally, although these are initial results, they open an incipient line of research on the joint relationship between the craniofacial structure, the underlying brain tissue and personality aspects.

A través de la simulación numérica de la mecánica de aneurismas cerebrales, el profesor Dr. Ing. Álvaro Valencia del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile, en el marco del segundo año de desarrollo del proyecto Fondecyt 'FLOW DYNAMICS AND ARTERIAL WALL INTERACTION IN REALISTIC CEREBRAL ANEURYSM MODELS', está desarrollando una metodología de apoyo a las decisiones médicas, donde las simulaciones computacionales puedan brindar un grado mayor de certidumbre en el diagnóstico y evaluación de este tipo de patologías. Producto de este trabajo, se cuenta con una metodología consolidada para la reconstrucción de casos de aneurismas cerebrales reales y para la realización de simulaciones de mecánica de fluidos computacional (CFD) y con interacción fluido - estructura (FSI), para el estudio de aneurismas cerebrales sin tratamiento. Por otro lado, el efecto del tratamiento de un aneurisma, desde el punto de vista mecánico, es un punto aún no abordado. A grandes rasgos existen dos tipos de tratamientos de aneurismas: la cirugía convencional, y el tratamiento endovascular. Éste último busca modificar la circulación de sangre en el aneurisma para evitar su ruptura. En esta memoria de título se modeló y simuló un modelo de tratamiento endovascular tipo stent, que consiste en introducir una malla trenzada de metal flexible dentro de la arteria portadora del aneurisma, y se realizó una comparación de los resultados obtenidos de la simulación con el modelo de stent con los obtenidos previo al tratamiento, en el contexto de las simulaciones CFD. Se observó que el stent no tiene efectos importantes aguas arriba y aguas abajo del aneurisma, pero sí tiene efectos significativos en la zona del aneurisma. Los esfuerzos de corte en la pared del aneurisma disminuyen con la inserción del stent, llegando a disminuciones cercanas al 80% en el fondo del aneurisma. La velocidad de entrada al aneurisma también disminuye, lo cual provoca que el caudal de entrada siga la misma tendencia, obteniéndose reducciones del 38%. También se redujo la velocidad en el plano transversal paralelo al sentido del flujo en la arteria. Finalmente, debido a la utilización de un modelo de fluido no newtoniano, se notó un aumento de la viscosidad efectiva en el interior del aneurisma, en un plano transversal, paralelo al sentido del flujo sanguíneo en la arteria.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica
Ingeniero Civil Mecánico
El presente trabajo de título forma parte del proyecto FONDECYT N: 1110008. El principal objetivo de éste trabajo es realizar simulaciones numéricas a traves del método de elementos nitos, modelando el comportamiento uido dinámico y estructural en un aneurisma cerebral humano. Las simulaciones se realizaron en el programa ADINA 8.8 y consistieron de 8 simulaciones CSD, 1 simulación CFD y 4 simulaciones FSI. La mecánica del material se modelo con un ajuste de Mooney-Rivlin y un ajuste lineal elástico, los cuales se obtuvieron con muestras de tejido del aneurisma que se utilizó para obtener la geometría para las simulaciones. La geometría se modeló con espesor variable, esto signi ca que el aneurisma y la arteria tienen espesores de pared propios y se encuentran unidos por una sección de espesor variable. Mediante las simulaciones se pudo comparar los resultados obtenidos en las simulaciones CSD y CFD con las simulaciones FSI. Se observo que las simulaciones CSD y FSI con material lineal elástico subestiman los resultados obtenidos en un 29% para los esfuerzos en la pared del aneurisma en comparación a simulaciones similares con material ajustado por Mooney-Rivlin. Las simulaciones CSD subestiman los esfuerzos en 34 %, las deformaciones en 20% y los desplazamientos en 30% con respecto a las simulaciones FSI. La simulación CFD, en comparación con las simulaciones FSI, muestra diferencias muy pequeñas para la presión interna pero sobreestima los esfuerzos de corte en la pared de la arteria en 32 %, subestima la velocidad en 9% y esfuerzo de corte dentro del aneurisma en 32 %. Los resultados tambien muestran que simulaciones FSI acopladas en una dirección subestiman los resultados obtenidos para la pared del aneurisma en 6%, en comparación con las simulaciones FSI totalmente acopladas. Se concluye que la simulación más precisa es la FSI totalmente acoplada, con material ajustado por Mooney-Rivlin. Dado que se requiere de mucha capacidad computacional para completar la simulación mencionada previamente, se considera que una simulación FSI acoplada en una dirección con material ajustado por Mooney-Rivlin entrega resultados aceptables, requiriendo una capacidad computacional menor.

El trastorn obsessivocompulsiu (TOC) es caracteritza per la presència de pensaments, imatges o impulsos intrusos i egodistònics que provoquen ansietat (obsessions) i que generalment porten a la realització de conductes repetitives amb l'objectiu de disminuir-la (compulsions). Estudis clínics han demostrat que el TOC no és un trastorn homogeni. S'han descrit diferències significatives en característiques clíniques del trastorn, com el contingut de les obsessions i les compulsions, la comorbilitat o la resposta al tractament, que han donat lloc a que diversos autors suggereixin diferents classificacions per al trastorn. L'etiologia del TOC, que encaixa en el model etiopatològic d'interacció gen-ambient acceptat per a la majoria de trastorns psiquiàtrics, inclou l'alteració dels circuits cerebrals corticoestriatals com a substrat neurobiològic més acceptat. De tota manera, encara que els estudis de neuroimatge han descrit de forma consistent alteracions a nivell estructural i funcional en els pacients amb TOC, els treballs que han intentat descriure les alteracions sotjacents als diferents subtipus clínics suggerits han reportat resultats poc consistents. En aquesta tesi, s'intenta aprofundir en el coneixement de la neurobiologia del TOC i descriure possibles característiques de neuroimatge estructural i funcional comuns a subgrups de pacients que s'han descrit homogenis a nivell clínic. D'aquesta manera, aquestes alteracions podrien constituir possibles marcadors de neuroimatge per aquests subgrups. Amb aquest objectiu, s'han portat a terme quatre treballs. En els tres primers, s'ha realitzat una anàlisi de ressonància magnètica (RM) estructural de les alteracions en el volum regional de substància grisa cerebral (SG) associada a tres propostes de classificació dels pacients, definides prèviament a nivell clínic. Així, s'ha comparat la distribució regional de SG entre els pacients amb obsessions autògenes i reactives, d'acord al model proposat per Lee & Kwon, entre aquells pacients que presenten o no fenòmens sensorials com a part de la seva simptomatologia obsessivocompulsiva i entre els pacients que refereixen algun factor vital estressant associat a l'inici del trastorn i aquells que no. Per altra banda, en el quart treball, ens hem proposat aprofundir en els correlats neurals sotjacents al model clínic multidimensional del TOC, el més estès tant a nivell clínic com d'investigació, mitjançant un estudi de la connectivitat funcional corticoestriatal durant un paradigma de provocació de símptomes. En resum, els resultats obtinguts permeten concloure que la classificació dels pacients en funció de les característiques de les seves obsessions (en autògenes i reactives), la presència de fenòmens sensorials precedint o acompanyant les compulsions, o la presència o absència d'algun antecedent vital estressant previ a l'inici del trastorn, s'associa a diferències específiques en la distribució regional de SG analitzada mitjançant RM estructural, involucrant sobretot estructures de tipus sensorimotor. Així mateix, l'expressió clínica del TOC estaria mediada per alteracions específiques en la connectivitat corticoestriatal, i alhora modulada, amb un grau d'especificitat variable, per la inducció de símptomes obsessivocompulsius. Així doncs, els resultat obtinguts reforcen la idea de que l'heterogeneïtat clínica observada en la pràctica diària podria tenir una traducció a nivell neural. Aquest accent en el caràcter biològic de la variabilitat fenotípica del TOC enllaça amb algunes perspectives a curt i mitjà termini. Per exemple, el plantejament d'estudis longitudinals, l'avaluació de diferents escenaris d'estrès sobre el desenvolupament de la simptomatologia obsessivocompulsiva, la caracterització àmplia dels pacients a nivell clínic però també cognitiu i neuropsicològic mitjançant protocols el més homogenis possibles entre grups de recerca, així com el coneixement de les estructures i circuits cerebrals implicats en manifestacions clíniques concretes ens haurien de permetre aconseguir una major personalització dels abordatges terapèutics. Alhora, es podria plantejar, en possibles assaigs clínics futurs, l'actuació sobre aquestes determinades regions o circuits cerebrals a través de teràpies físiques poc invasives com l'estimulació cerebral profunda, l'estimulació magnètica transcranial, l'estimulació per corrent elèctrica directa transcranial, o bé tècniques com la neuroretroalimentació en temps real mitjançant RM funcional.
Obsessive compulsive disorder (OCD) is characterized by the presence of intrusive, egodystonic and anxiogenic thoughts or images (obsessions) and/or ritualized behaviors or mental acts (compulsions), performed to relieve such anxiety. Clinical studies have described a high heterogeneity for the disorder in terms of the content of the obsessions and compulsions, comorbidity or treatment response. Based on such variability, several authors have suggested different classifications for OCD. Although neuroimaging studies have consistently reported structural and functional brain alterations in OCD patients, mostly involving cortico-striatal regions and circuits, attempts to describe neural alterations associated to the OCD subgroups already described at a clinical level, have reported less consistent results. In this doctoral thesis, we aim to describe common structural and functional neuroimaging characteristics in clinically homogeneous subgroups. In this way, these alterations could be considered as neuroimaging biomarkers for such subgroups. With this objective, we developed four studies. In three, structural magnetic resonance analyses were performed to assess regional brain gray matter (GM) volume alterations associated with three different clinical classifications for the disorder. We compared the regional GM distribution between OCD-patient subgroups according to the presence of autogenous or reactive obsessions, sensory phenomena symptoms preceding or accompanying compulsions and stressful life events at the disorder's onset. On the other hand, in the fourth study, we tried to assess the neural correlates of the clinical multidimensional model of OCD, the most extensively used model at a clinical and research levels, via a functional connectivity study during a symptom provoking paradigm. In sum, our results suggest that the classification of the patients based on the content of their obsessions, the presence of sensory phenomena or the presence of any stressful life events as a trigger of the disorder are associated with specific differences in the GM distribution, mostly involving sensorimotor structures. Moreover, OCD clinical expression may be mediated by specific alterations in cortico-striatal connectivity, that in turn could be modulated, with a variable degree of specificity, by the induction of OCD symptoms.

El hipocampo es una de las regiones del cerebro más ampliamente estudiadas, y es de interés para gran parte de los neurocientíficos, desde aquellos que estudian su estructura y funcionalidad hasta los que estudian su mal funcionamiento en diversas enfermedades y condiciones patológicas. El hipocampo tiene un papel fundamental, entre otras cosas, en la adquisición y consolidación de la memoria episódica, así como en la orientación espacial. De todas las propiedades de las sinapsis en el hipocampo, quizás la más atractiva, y seguramente la estudiada con mayor entusiasmo, es su habilidad de responder a patrones de activación específicos con aumentos o disminuciones de larga duración en la eficiencia sináptica. Esta propiedad plástica de las sinapsis en general, y de las del hipocampo en particular, es considerada por muchos neurocientíficos como la base celular del aprendizaje de ciertos tipos de recuerdos y memorias. El objetivo principal de esta Tesis Doctoral, fruto de una estrecha colaboración entre el Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular de la Universitat Politècnica de València y el Laboratorio de Plasticidad de las Redes Neuronales del Instituto de Neurociencias (Consejo Superior de Investigaciones Científicas ¿ Universidad Miguel Hernández) de San Juan (Alicante), es aportar nuevos conocimientos sobre los mecanismos que regulan el flujo de información entre las distintas áreas del hipocampo y por tanto, contribuir a un mejor entendimiento de los mecanismos neurofisiológicos que subyacen al aprendizaje y la memoria mediante el análisis de señales adquiridas mediante registros electrofisiológicos de alta densidad, correspondientes a distintas partes del hipocampo y la corteza parietal asociativa, adquiridas en distintos instantes de tiempo antes y después de la potenciación sináptica a largo plazo. Para ello, se ha desarrollado una metodología que nos ha permitido estudiar la actividad espontánea del sistema, y con la que hemos observado la dependencia espacial y temporal de la desviación típica tanto en los cálculos de correlación como en los de coherencia. Además, se ha trabajado tanto con los potenciales de campo locales (LFP por sus siglas en inglés), como con sus componentes independientes, haciendo una comparativa entre los resultados obtenidos para cada caso, en cuanto a correlación y coherencia se refiere, utilizando fragmentos pertenecientes a diferentes etapas durante la potenciación sináptica a largo plazo (LTP por sus siglas en inglés), para conocer los cambios que se dan en esta estructura tras dicha potenciación sináptica. En el caso de la coherencia, hemos podido observar los cambios que se producen debido a la potenciación sináptica en las diferentes bandas de frecuencia. Todos estos cálculos se han realizado de forma ipsilateral, comparando señales pertenecientes a un mismo hemisferio cerebral, y de forma bilateral, comparando señales pertenecientes a hemisferios cerebrales diferentes. Por último, a partir de la experiencia en el manejo de estos registros electrofisiológicos y de sus componentes independientes, se han identificado patrones de correlación interregional, que se suceden en el tiempo como entidades singulares y a los que hemos denominado ¿ministates¿ por su duración menor de un segundo. Dichos patrones, que aparecen de forma repetida en los registros, podrían estar asociados a eventos electrofisiológicos identificables en la señal y estar modulados por procesos de plasticidad sináptica. Así, se ha desarrollado una metodología adecuada para el análisis de señales adquiridas mediante registros electrofisiológicos de alta densidad, mediante el cálculo de la correlación y la coherencia de estas señales electrofisiológicas y de sus componentes independientes, y se ha programado en entorno MATLAB. Gracias a las herramientas desarrolladas y aplicadas hemos comprobado la dependencia temporal y espacial de la dispersión de los valores de correlación y coherencia y hemos analizado la estructura funcional en reposo de los circuitos de la formación hipocampal, obteniendo evidencias a favor de la existencia de dos vías de procesamiento paralelo e independiente en el sistema. Además, hemos hallado patrones de comunicación, a los que hemos denominado ¿ministates¿, que se suceden en el tiempo en secuencias controladas por procesos de plasticidad sináptica, apareciendo repetidamente en las distintas fases estudiadas de nuestro modelo experimental de aprendizaje. Aún nos encontramos lejos de poder describir cómo el aprendizaje modifica el `estado interno¿ del cerebro. Entre las dificultades encontradas cabe destacar la enorme variabilidad en las señales electrofisiológicas registradas en los distintos estados por los que, de forma espontánea, transcurre la actividad cerebral. De esta forma la huella del aprendizaje o la memoria se encuentra enmascarada por grandes fluctuaciones de actividad. Sin embargo, gracias a las herramientas desarrolladas hemos podido aportar datos nuevos sobre cómo tiene lugar la comunicación en la formación hipocampal y constatar que la plasticidad sináptica modula dicha comunicación.
Gabaldón López, MV. (2013). Estudio de la estructura dinámica de las interacciones funcionales en el hipocampo mediante procesado de registros electrofisiológicos cerebrales en rata [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/30777
TESIS

El síndrome de Prader-Willi (SPW) es una de las primeras causas genéticas de obesidad y las causas que subyacen tras la hiperfagia que presentan los sujetos afectos no son aún bien conocidas. El presente trabajo ha explorado las hormonas del hambre y la saciedad, en ayunas y tras administrar una dieta hipercalórica, respecto a dos grupos control de sujetos sanos y obesos, así como la conectividad cerebral funcional respecto a controles sanos en pacientes adultos con SPW. Los sujetos con SPW presentan concentraciones de BDNF basal bajas y un pico postprandial truncado. Si bien las concentraciones de PP en ayunas no difieren de las de los grupos control, este presenta también un pico postprandial truncado. Ambos podrían contribuir a la falta de saciedad. Las concentraciones de leptina son elevadas, tanto en ayunas como tras la ingesta, indicando cierta resistencia a su efecto. Los sujetos con SPW presentan hiperghrelinemia. La ghrelina desciende tras la ingesta, si bien persiste en concentraciones mayores que las de los controles. La ghrelina activa se comporta de un modo similar a la ghrelina total. Las concentraciones de PYY y de GLP-1 en ayunas son más elevadas que las de ambos grupos control, tanto en ayunas como tras la ingesta. El GIP en ayunas no difiere de los grupos controles. Tras la ingesta, aumenta comportándose igual que en los controles obesos, del mismo modo que lo hace la insulina. La amilina en ayunas tampoco difiere de los grupos controles y presenta un aumento tardío tras la ingesta. No hay diferencias estadísticamente significativas en el comportamiento en ayunas y tras la ingesta de ninguno de los péptidos estudiados en función de los subtipos genéticos. Ningún péptido por sí solo predice la odds de tener hambre tras la ingesta excepto el BDNF. No obstante, en algunos subtipos genéticos, los niveles de BDNF basales influyen en disminuir la odds de tener hambre postprandial y los de ghrelina total basales en aumentar esta probabilidad. Los sujetos con SPW presentan respecto a los controles sanos un aumento de la conectividad cerebral funcional entre ambos hemisferios del hipotálamo anterior y la corteza cingulada anterior y la ínsula bilateralmente, así como entre ambos hemisferios del hipotálamo medio y la ínsula izquierda, y entre el hipotálamo medio derecho y el cingulado anterior. Todas estas áreas están relacionadas con funciones neurovegetativas mediadas por el estado emocional y también con funciones cognitivas como la atención, la anticipación de la recompensa y la toma de decisiones. Los sujetos con SPW presentan una reducción de la conectividad funcional entre ambos hemisferios del hipotálamo anterior y el hipotálamo medio izquierdo con el tálamo, el putamen izquierdo y el caudado izquierdo, áreas que intervienen en la preparación para la conducta guiada por el sentido del gusto o para la búsqueda de comida. En los sujetos con SPW existe una correlación positiva entre los niveles de BDNF y la conectividad funcional entre ambos hemisferios del hipotálamo medio y el caudado, y entre ambos hemisferios del hipotálamo posterior y el cingulado anterior en su porción ventral. En cambio, se observa una correlación negativa entre los niveles de BDNF y la conectividad funcional entre el hipotálamo anterior y medio, bilateralmente, y áreas corticales frontales y parietales, incluyendo corteza frontal motora y premotora, área motora suplementaria giro postcentral y corteza parietal inferior (a más BDNF, menos conectividad en áreas de impulsividad y ansiedad). La leptina presenta una correlación positiva en sujetos con SPW con la conectividad cerebral entre el hipotálamo posterior derecho y la región frontal opercular del mismo hemisferio, áreas involucradas en el refuerzo positivo y la recompensa.
Prader-Willi syndrome (PWS) is one of the main genetic causes of obesity and the underlying causes of hyperphagia among affected subjects are not yet well known. The present work has explored, in adult patients with PWS, the hormones of hunger and satiety, at fasting and after the ingestion of a hypercaloric diet, compared with two control groups of healthy and obese subjects, as well as functional brain connectivity compared with healthy controls. Subjects with PWS have low fasting BDNF concentrations and a truncated postprandial peak. Although fasting PP concentrations do not differ between PWS and control subjects, the former have a truncated postprandial peak. Both peptides could contribute to the lack of satiety. Leptin concentrations are elevated, both fasting and postprandial, suggesting some resistance to its effect. Subjects with PWS show hyperghrelinemia. Ghrelin decreases postprandially, although it persists at higher concentrations than in control subjects. Active ghrelin behaves in a similar manner to total ghrelin. Fasting PYY and GLP-1 concentrations are higher than those in both control groups, both fasting and postprandial. Fasting GIP in PWS does not differ from the control groups. After ingestion, it increases like in obese controls, in the same way as insulin does. Fasting amylin also does not differ from the control groups and presents a late increase after ingestion. There were no statistically significant differences in fasting and postprandial behavior of any of the studied peptides among genetic subtypes. No peptide alone predicts the odds of being hungry after ingestion except for BDNF. However, in some genetic subtypes, fasting BDNF levels decrease the odds of being postprandially hungry and total basal ghrelin levels increase this probability. Subjects with PWS show an increase in functional brain connectivity between both hemispheres of the anterior hypothalamus and the anterior cingulate cortex and the insula bilaterally, as well as between both hemispheres of the middle hypothalamus and the left insula, and between the middle right hypothalamus and the anterior cingulate. All these areas are related to neurovegetative functions mediated by the emotional state and also with cognitive functions such as attention, anticipation of reward and decision making. Subjects with PWS present reduced functional connectivity between the two hemispheres of the anterior hypothalamus and the left middle hypothalamus with the thalamus, the left putamen and the left caudate, areas involved in the preparation for conduct guided by the sense of taste or for food searching. In subjects with PWS there is a positive correlation between BDNF levels and functional connectivity between both hemispheres of middle hypothalamus and caudate, and between both hemispheres of the posterior hypothalamus and the anterior cingulate in its ventral portion. On the other hand, they present a negative correlation between BDNF levels and functional connectivity between the anterior and middle hypothalamus bilaterally, and frontal and parietal cortical areas, including motor and premotor frontal cortex, supplemental motor area postcentral gyrus and inferior parietal cortex (the higher BDNF levels, the lower connectivity in areas of impulsivity and anxiety). Leptin has a positive correlation in subjects with PWS with cerebral connectivity between the right posterior hypothalamus and the opercular frontal region of the same hemisphere, areas involved in positive reinforcement and reward.

HIPOTESIS DE TRABAJO Y OBJETIVOS: La hipertensión arterial (HTA), además de la edad, es el factor de riesgo que más se asocia a la presencia de lesiones cerebrales de sustancia blanca (LSB). De hecho, para la mayoría de autores, estas lesiones son consideradas como un marcador precoz de lesión cerebral en la HTA y relacionadas con el proceso arterioscleroso. No obstante, su etiopatogenia es compleja y supone la implicación de factores genéticos. La relación entre las LSB y los diferentes parámetros clínicos y biológicos asociados a la HTA no está suficientemente definida. Por otra parte, la mayoría de estudios realizados hasta la fecha se han efectuado en población anciana, o en un amplio rango de edades, o se han incluido pacientes hipertensos con tratamiento antihipertensivo, factores todos ellos que han podido actuar como factores de confusión. El objetivo del presente trabajo es determinar los posibles factores clínicos y biológicos relacionados con la presencia de LSB en pacientes asintomáticos de mediana edad afectos de hipertensión arterial esencial nunca tratada.

METODOLOGIA: Se han incluido 66 pacientes hipertensos esenciales de ambos sexos, de edades comprendidas entre 50-60 años, nunca tratados, y sin evidencia de enfermedad cardiovascular. Los pacientes con diabetes mellitus y/o ingesta enólica >30 grs/día, y aquéllos con una estenosis carotídea >50% fueron excluidos del estudio. Se realizaron las siguientes exploraciones: MAPA de 24 horas, ecocardiograma, y determinación del genotipo del gen de la enzima de conversión de la angiotensina (ECA) mediante PCR. A todos los pacientes se les realizó una resonancia magnética cerebral (RM) y se les clasificó en dos grupos, en función de la presencia o ausencia de LSB.

RESULTADOS: Veintisiete (40.9%) pacientes hipertensos mostraban LSB en la RM. Los pacientes con LSB tenían unas cifras de presión arterial (PA) sistólica, diastólica, y presión de pulso, significativamente mayores que los pacientes hipertensos sin LSB, tanto en la clínica como en la MAPA. La presencia de hipertrofia del ventrículo izquierdo (HVI) en pacientes hipertensos con LSB era significativamente mayor que en hipertensos sin LSB (88.4% versus 58.3%; P=0.01). De la misma manera, la presencia de una HVI concéntrica era significativamente mayor (P=0.002) en pacientes con LSB (54%) que en hipertensos sin LSB (11%). El riesgo relativo de HVI concéntrica para la presencia de LSB, independiente de los valores de PA, fue de 8.22 (95% IC: 2.06-32.78). En referencia al estudio genético, se objetivó que los pacientes con LSB presentaban con mayor frecuencia, en comparación con los pacientes sin LSB, tanto el alelo D (74% versus 51.4%; P=0.014) como el genotipo DD (64% versus 28.6%; P=0.022) del gen de la ECA.

CONCLUSIONES: La presencia de LSB en pacientes hipertensos asintomáticos de mediana edad es un hallazgo frecuente y está relacionado con la severidad de la elevación de la PA. La existencia de estas lesiones está asociada a la presencia de una HVI concéntrica. De la misma manera, y de forma independiente de las cifras de PA, la presencia del genotipo DD del gen de la ECA podría ser un factor predisponente para el desarrollo de LSB en pacientes con hipertensión arterial esencial.

PRODUCCIÓN CIENTÍFICA:

- Sierra C, de la Sierra A, Mercader J, Gómez-Angelats E, Urbano-Márquez A, Coca A. "Silent cerebral white matter lesions in middle-aged essential hypertensive patients". J Hypertens 2002;20:519-524. FACTOR DE IMPACTO: 4.210

- Sierra C, de la Sierra A, Paré JC, Gómez-Angelats E, Coca A. "Correlation between silent cerebral white matter lesions and left ventricular mass and geometry in essential hypertension". Am J Hypertens 2002;15:507-512. FACTOR DE IMPACTO: 2.755

- Sierra C, Coca A, Gómez-Angelats E, Poch E, Sobrino J, de la Sierra A. "Renin-angiotensin system genetic polymorphisms and cerebral white lesions in essential hypertension". Hypertension 2002;39[part 2]:343-347. FACTOR DE IMPACTO: 5.364

INTRODUCCIÓN El interés en el estudio del deterioro cognitivo y la fatiga en la EM ha aumentado de forma considerable durante los últimos años, a medida que se ha ido tomando conciencia sobre su elevada prevalencia y el impacto que ambos tienen sobre la calidad de vida de estos pacientes. Este interés ha generado un auge de investigaciones dirigidas a identificar variables fisiopatológicas cerebrales relacionadas con estos dos síntomas, que se han apoyado en el empleo de diferentes técnicas de neuroimagen. Concretamente, la RM ha demostrado su utilidad como una de las técnicas más sensibles para detectar y relacionar la presencia de alteraciones estructurales con variables clínicas de interés en la enfermedad. Así, diferentes trabajos de RM han vinculado tanto la fatiga como los déficits cognitivos de esta población clínica con diferentes variables radiológicas, entre las cuales destacan las lesiones (Colombo y cols., 2000; Archibald y cols., 2004; Lazeron y cols., 2005; Tedeschi y cols., 2007; Sepulcre y cols., 2009b; Andreasen y cols., 2010; Rossi y cols., 2012), diferentes medidas relacionadas con la pérdida de volumen cerebral o atrofia (Chaudhuri y Behan, 2000; Zivadinov y cols., 2001; Marrie y cols., 2005; Benedict y cols., 2006b; Niepel y cols., 2006; Amato y cols., 2007; Tedeschi y cols., 2007; Sepulcre y cols., 2008; Sicotte y cols., 2008; Téllez y cols., 2008; Roosendaal y cols., 2009; Sastre-Garriga y cols., 2009; Tiemann y cols., 2009; Calabrese y cols., 2009, 2010; Andreasen y cols., 2010; Pellicano y cols., 2010), y alteraciones en tejido cerebral aparentemente normal captadas con técnicas no convencionales (Tartaglia y cols., 2004; Lin y cols., 2005; Bodini y cols., 2012). Los estudios con RM estructural más recientes se han visto reforzados por el uso de nuevas técnicas y herramientas de análisis, como la técnica de la morfometría basada en el vóxel, que ha demostrado su utilidad ya que permite no sólo la cuantificación de las alteraciones estructurales sino también su localización topográfica precisa. Así, esta metodología ha posibilitado el desarrollo de estudios pioneros que han evidenciado una relación entre alteraciones en regiones específicas del cerebro con los déficits cognitivos (Riccitelli y cols., 2011a; Bodini y cols., 2012) así como con la fatiga (Riccitelli y cols., 2011b). Sin embargo, debido a la novedad de esta metodología, los trabajos hasta la fecha que la han empleado son escasos todavía, por lo que consideramos de especial relevancia que se realicen más estudios aprovechándose de las ventajas que ofrecen estas técnicas. Por otra parte, además de estas alteraciones estructurales, se deben tener en cuenta la existencia de procesos de neuroplasticidad o reorganización funcional, que parecen tener un papel intermediario entre la acumulación del daño estructural y la manifestación de las alteraciones cognitivas y la fatiga en esta enfermedad. Estos procesos han sido evidenciados a través de diferentes estudios con RM funcional (RMf), que han demostrado alteraciones en el patrón de activación cerebral en pacientes EM durante la realización de diferentes tareas en relación tanto con la fatiga como con el rendimiento cognitivo (Filippi y cols., 2002; Audoin y cols., 2003; Forn y cols., 2006, 2007; 2012; Rocca y cols., 2009; White y cols., 2009). Concretamente, estos estudios han señalado cómo los pacientes EM muestran activaciones más extensas o reclutan más áreas para la realización de las tareas, hallazgo que ha sido frecuentemente interpretado como un mecanismo adaptativo de compensación de carácter temprano que limita la manifestación de los déficits funcionales en respuesta a la acumulación de daño estructural. Los estudios más recientes de RMf se han centrado en el análisis en estado de reposo (donde se prescinde de la presentación de una tarea). Una de las medidas más estudiadas mediante esta metodología ha sido la de la conectividad funcional (CF), que permite explorar en qué medida están conectadas diferentes áreas cerebrales entre sí. En una enfermedad como la EM, creemos que es de especial interés el estudio de la CF, ya que las lesiones características de esta patología que dañan los tractos de SB pueden alterar la comunicación entre diferentes regiones cerebrales. Diferentes trabajos han respaldado esta idea, describiendo alteraciones de CF entre diferentes regiones cerebrales en pacientes EM respecto a sujetos sanos. Además, estas alteraciones de CF muestran una relación con variables clínicas de interés, ya sean motoras o cognitivas, que de nuevo, se interpretan en términos de un mecanismo compensatorio en los pacientes (Rocca y cols., 2010; Roosendaal y cols., 2010; Bonavita y cols., 2011; Hawellek y cols., 2011; Faivre y cols., 2012; Dogonowski y cols., 2013). Sin embargo, debido a la novedad de la técnica, los estudios con RMf en estado de reposo con pacientes EM se encuentran todavía en un estado incipiente, por lo que creemos que se necesitan más investigaciones al respecto para corroborar los resultados hallados. Además, observamos cómo la mayoría de trabajos en relación al rendimiento cognitivo de estos pacientes se han centrado en el estudio exclusivamente de regiones pertenecientes a la red de activación por defecto (DMN). En este sentido, consideramos fundamental explorar alteraciones de CF en otras redes cerebrales de interés en esta enfermedad, que se hallan implicadas en el funcionamiento cognitivo. Por otra parte, no encontramos trabajos en la literatura dirigidos a explorar una posible asociación entre alteraciones de CF en estado de reposo y fatiga en pacientes con EM, con lo que consideramos de especial interés explorar esta relación. De esta forma, el objetivo general de esta tesis es contribuir al esclarecimiento de las bases neurobiológicas cerebrales tanto (a nivel anatómico y funcional) implicadas en dos de los síntomas más incapacitantes y prevalentes en la EM: el deterioro cognitivo y la fatiga. METODOLOGÍA Todos los estudios han sido realizados gracias a la derivación de pacientes EM del servicio de Neurología del Hospital General de Castellón de la Plana. De forma específica, reclutamos a 92 pacientes EM para nuestros estudios con un rango de edad entre 20 y 58 años. Específicamente, 68 pacientes tenían un diagnóstico de EM RR mientras que 24 tenían un diagnóstico de EM tipo SP. Comprobamos que no mostraran indicios de abuso de alcohol o de otras drogas, así como de antecedentes de otras enfermedades psiquiátricas y neurológicas. Además, también fueron excluidos aquellos pacientes que hubiesen padecido un brote clínico y/ o hubiesen recibido tratamiento con corticoesteroides en un intervalo menor de dos meses previos a la investigación. El grupo control está formado por una muestra de 23 personas con un rango de edad de 22 a 54 años, sin antecedentes de enfermedades neurológicas ni abuso de sustancias. Todos los participantes fueron evaluados a nivel neuropsicológico con la versión validada y traducida para población de habla castellana de la batería Brief Repeteable Battery of Neuropsychological Test (BRB-N) (Sepulcre y cols., 2006). Durante la realización de las valoraciones neuropsicológicas, también fueron administradas la escala de severidad de fatiga (Bulbena y cols., 2000) y el Inventario Multiescalar de Depresión Chicago (IMDC) (Nyenhuis y cols., 1998). De forma adicional, el grupo de pacientes fue evaluado a nivel neurológico con la escala EDSS (Kurtzke, 1983) para cuantificar el grado de incapacidad física. De forma paralela a las valoraciones neuropsicológicas, fueron adquiridas en el scanner de Resonancia Magnética funcional del Hospital General de Castellón las imágenes cerebrales de todos los participantes: un volumen anatómico 3D sagital MPRAGE en T1 para el análisis morfométrico y una secuencia funcional en estado de reposo para los análisis de conectividad funcional. Durante la secuencia funcional, la única instrucción que se daba a los participantes era que permanecieran lo más quietos posibles y con los ojos cerrados, intentando no dormirse y dejar la mente en blanco. La presente tesis está compuesta por tres estudios ya publicados, en prensa o sometidos en revistas internacionales, por lo que están escritos en inglés. Concretamente, el primer estudio (Cruz-Gómez AJ, Belenguer A, Ventura-Campos N, García Panach J, Ávila C, and Forn C. A voxel-based morphometry study of multiple sclerosis patients: The relationship between distribution of gray and white matter atrophy and clinical variables) está actualmente sometido a revisión. El segundo estudio ha sido aceptado para publicación en la revista Multiple Sclerosis (Cruz-Gómez AJ, Ventura-Campos N, Belenguer A, Ávila C and Forn C (2013) The link between resting-state functional connectivity and cognition in MS patients). Por último, el tercer trabajo ha sido recientemente publicado en PLoS One (Cruz-Gómez AJ, Ventura-Campos N, Belenguer A, Ávila C and Forn C (2013) Regional brain atrophy and functional connectivity changes related to fatigue in multiple sclerosis). CONCLUSIONES Los trabajos incluidos en la presente tesis nos permiten establecer las siguientes conclusiones de forma específica: 1) Existe una relación tanto de la atrofia cerebral en SG y SB medida con VBM como de las lesiones en SB con el rendimiento cognitivo en pacientes EM, especialmente con las pruebas neuropsicológicas más sensibles al deterioro cognitivo de esta enfermedad, que valoran la velocidad del procesamiento de la información, la atención y la memoria de trabajo. 2) De estas medidas, la atrofia en SG constituye el predictor más fiable del rendimiento cognitivo en los pacientes EM. 3) Las alteraciones de conectividad funcional en los pacientes EM están relacionadas de forma positiva con el rendimiento cognitivo y de forma negativa con el grado de daño estructural. 4) El aumento de conectividad funcional en los pacientes EM sin deterioro cognitivo podría representar una reorganización funcional adaptativa que limitaría la expresión de los déficits cognitivos. 5) La atrofia en SG y SB fundamentalmente en áreas motoras frontales y parietales se relaciona con la manifestación de la fatiga en los pacientes EM. 6) El decremento de CF entre áreas pertenecientes a la red sensoriomotora se relaciona con el grado de fatiga. 7) Los pacientes EM sin fatiga muestran un aumento de CF en regiones de la red sensoriomotora en relación a los pacientes EM con fatiga, hecho que podría constituir un mecanismo compensatorio o de adaptación funcional que limitaría la manifestación de este síntoma. A modo de síntesis, estos trabajos nos muestran que los déficits cognitivos y la fatiga en la EM no sólo son consecuencia del daño estructural, sino que también están asociados con una reorganización funcional entre diferentes regiones cerebrales. En este sentido, las alteraciones funcionales deben tenerse en cuenta, ya que pueden enmascarar la relación entre las alteraciones morfológicas y las diferentes variables clínicas de interés en los pacientes EM. Por otro lado, hemos aportado evidencia a favor de que estos procesos de reorganización funcional parecen reflejar mecanismos compensatorios de adaptación tanto a los déficits cognitivos como a la fatiga, que son posibles en la medida en que el daño estructural no sobrepase cierto umbral.

INTRODUCCIÓN: El envejecimiento es un factor de riesgo para enfermedades neurodegenerativas como la Enfermedad de Alzheimer (EA), que constituye la demencia más frecuente. Uno de los objetivos de la comunidad científica, actualmente, es el diagnóstico precoz de la EA en fases previas de la demencia, es decir, detectar muy tempranamente el daño cerebral que inicialmente se manifiesta como un síndrome de la memoria y que con el tiempo evolucionará a un síndrome de demencia. Esta tesis se centrado en la EA y su fase prodrómica que se manifiesta como el síndrome denominado Deterioro Cognitivo Leve (DCL), y especialmente, en el estudio de las características cerebrales que confieren a determinadas personas una resistencia a la manifestación del daño cerebral asociado al envejecimiento o a los estadios iniciales de la demencia, ya que es un área de máximo interés en investigación en neurociencia, ya que si se consiguen comprender los mecanismos específicos, podrán mejorarse las estrategias dirigidas a paliar el impacto del deterioro cognitivo en la edad avanzada. METODOLOGÍA: La presente tesis consiste en cuatro estudios, prospectivos transversales, que examinan cómo las bases neuroanatómicas y neurofuncionales de la RC modulan tanto la estructura cómo la función cerebral en envejecimiento sano y patológico. Para la realización de los estudios se ha utilizado una muestra y diversas aproximaciones neuropsicológicas y de resonancia magnética estructural y funcional. OBJETIVO: Investigar los correlatos neuroanatómicos y neurofuncionales de la reserva cognitiva o cerebral en CTR, DCL-a y EA. RESULTADOS:En el envejecimiento sano, los sujetos con altos índices de RC, volumétricamente, muestran una mayor preservación de la integridad de la SB. Funcionalmente, se observa utilización de menos recursos cerebrales durante el procesamiento de tareas cognitivas de comprensión lingüística y percepción visual compleja.En la patología, altos índices de RC comportan una mayor atrofia cerebral y daño en la sustancia blanca. Funcionalmente, correlacionan positivamente con la intensidad de activaciones y negativamente con las desactivaciones del ‘patrón de activación por reposo’ o ‘default mode network’ (DMN) durante el procesamiento cognitivo. Altos índices de RC permite a los pacientes con DCL-a el uso de redes cerebrales alternativas.CONCLUSIONES: Los estudios descritos en esta tesis aportan evidencia de que el nivel de implicación a lo largo de la vida en actividades de tipo mental o intelectual, social y físico modula la estructura y función del cerebro. En definitiva, el concepto de RC permite explicar la resistencia y compensación que muestran algunos cerebros a manifestar clínicamente un proceso patológico subyacente.

Los Signos Neurológicos Menores (SNM), entendidos como alteraciones neurológicas que no tienen una localización específica a nivel cerebral, presentan una mayor prevalencia en los pacientes con esquizofrenia que en la población sana. También se ha descrito una mayor frecuencia de los mismos en los familiares de los pacientes con esquizofrenia (aunque en menor medida que en los pacientes). Algunos aspectos de la asociación de los SNM con el cuadro clínico de la esquizofrenia permanecen sin esclarecer. Otros temas de interés en la literatura se dirigen hacia la relación entre los SNM y los déficits neuropsicológicos observados en la esquizofrenia y su asociación con los cambios estructurales que caracterizan el trastorno. El objetivo general de esta tesis fue el de estudiar la relación entre los SNM y diversos aspectos de la esquizofrenia en una muestra relativamente amplia de pacientes. El primer estudio examinó los correlatos con: a) los síntomas de la enfermedad organizados en los síntomas positivos (delirios y alucinaciones), el síndrome de desorganización (principalmente trastorno formal del pensamiento) y los síntomas negativos, y b) con el deterioro cognitivo, específicamente con dos aspectos concretos del déficit neuropsicológico observados en la esquizofrenia como son la función ejecutiva y la memoria. El segundo estudio evaluó la relación de los SNM con las estructuras cerebrales, específicamente con los cambios en la sustancia gris. Los SNM fueron valorados en ambos estudios a través de una escala detallada y estructurada, la NES de Buchanan y Heinrichs, que ofrece una puntuación total y tres subescalas: integración sensorial, coordinación motora, secuenciación de actos motores complejos. En el primer estudio se examinó la prevalencia de los SNM en una muestra de 78 sujetos con esquizofrenia crónica. También se exploró un grupo de 36 sujetos controles sanos para su comparación. Los síntomas clínicos fueron evaluados utilizando la escala de síntomas positivos y negativos (PANSS) a través de la cual se calcularon las puntuaciones para los síntomas positivos, de desorganización y los síntomas negativos. La función ejecutiva y la memoria fueron evaluadas utilizando dos baterías de pruebas, la BADSy el RBMT. El Coeficiente Intelectual (CI) actual se utilizó como una medida de función intelectual general. Tal y como se esperaba, se encontró que los pacientes esquizofrénicos presentaron una mayor frecuencia de SNM que los sujetos controles. En cuanto a los síntomas clínicos de la enfermedad no se encontró relación entre los SNM y la clínica positiva ni tampoco con la clínica negativa; tan solo hubo evidencia equívoca en la correlación con el síndrome de desorganización. Las puntuaciones de los SNM correlacionaron de forma inversa y fuertemente con todas las puntuaciones de las pruebas cognitivas administradas. Las correlaciones con las puntuaciones de la memoria y de la función ejecutiva se mantuvieron significativas tras controlar la correlación con el deterioro general intelectual. El segundo estudio se llevó a cabo con una muestra de 83 pacientes y un grupo de 60 sujetos controles sanos. Para medir el volumen de la sustancia gris se usó la resonancia magnética y se analizaron las imágenes mediante el análisis de morfometría basada en vóxeles de todo el cerebro. Los pacientes con esquizofrenia mostraron un patrón de reducción de volumen extendido por la corteza que también comprendía diversas estructuras subcorticales. Además, se observó un incremento de volumen de la sustancia gris en el tronco cerebral y mesencéfalo y una pequeña región del cerebelo izquierdo. No se pudieron encontrar clústeres de correlación significativa con la puntuación total de los SNM ni con las subescalas en el grupo de pacientes con esquizofrenia. La discusión de los hallazgos de esta tesis se realizará haciendo particular referencia al fallo en la replicación de los hallazgos previos y la evidencia encontrada en muchos de los estudios revisados. También se discute acerca de las potenciales implicaciones: la hipótesis de la dismetría cognitiva de Andreasen y la idea de que representen un marcador de rasgo o endofenotipo para la enfermedad.
Neurological soft signs (NSS), defined as minor neurological abnormalities that do not have localizing value, are established as being present at a higher frequency in patients with schizophrenia than in the healthy population. They are also present at a higher than normal frequency in the relatives of patients with schizophrenia, although at a lower rate than in the patients themselves, leading to considerable interest in their potential role as a marker of vulnerability or predisposition to the disorder. Nevertheless, some aspects of the association of NSS with the clinical features of schizophrenia remain unclear. Other relevant issues concern the relationship between NSS and the cognitive impairment and brain structural changes that also characterize the disorder. The general aim of this thesis was to examine the relationship between NSS and selected aspects of schizophrenia in a relatively large sample of patients. The first study examined a) their association with the symptoms of the disorder, as classified into positive symptoms (delusions and hallucinations), the disorganization syndrome (mainly formal thought disorder) and negative symptoms; and b) with the cognitive impairment seen in the disorder, specifically two major specific deficits, executive function and memory. The second study evaluated the relationship of NSS with brain structural abnormality, specifically changes in grey matter. NSS were assessed in both studies using a detailed scale, the Neurological Evaluation Scale (NES) of Buchanan and co-workers, which provides a total score and three subscale scores: sensory integration, motor coordination, and sequencing of complex motor acts. In the first study, the frequency of NSS was rated in a sample of 78 subjects with chronic schizophrenia. A comparison sample of 36 healthy control subjects was also employed. Clinical symptoms were rated using the Positive and Negative Symptom Scale (PANSS). The Behavioural Assessment of the Dysexecutive Syndrome (BADS) and the Rivermead Behavioral Memory Test (RBMT) were used to measure executive function and memory, respectively; current WAIS IQ was used as a measure of general intellectual function. As expected, the schizophrenic patients showed a higher frequency of NSS than the control subjects. With respect to symptoms, no relationship was found between NSS total or subscale scores and positive or negative symptoms; there was only equivocal evidence for a correlation with the disorganization syndrome. NSS scores correlated inversely and strongly with scores on all the cognitive measures. The correlations with memory and executive function scores remained significant after controlling for the correlation with general intellectual impairment. The second study was carried out on a sample of 83 patients with schizophrenia and a group of 60 healthy controls. Grey matter volume was measured using MRI, and the images were analyzed using whole-brain voxel-based morphometry. The patients with schizophrenia showed a pattern of widespread volume reduction in the cortex, and also in several subcortical structures. They also showed significantly increased grey matter volume in the brainstem and midbrain and in a small region of the left cerebellum. No clusters of significant correlation between NSS total or subscale scores were observed in the patients. The findings are discussed with particular reference to the failure to replicate previous findings of associations between NSS and negative symptoms, as well as the second study’s failure to find an association with structural cerebral changes in schizophrenia, something that has been reported in almost all previous MRI studies. The potential implications of the findings for two current theories of NSS in schizophrenia are also discussed: Andreasen’s hypothesis of cognitive dysmetria and the proposal that they represent a trait marker or endophenotype for the disorder.

El objetivo principal de esta tesis es el estudio de los correlatos estructurales de las alteraciones cognitivas que presentan los niños con Trastorno del Espectro del Autismo. Para conseguir dicho objetivo, se ha llevado a cabo un estudio empírico en el que se ha combinado una serie de variables conductuales con una serie de medidas de volumen cerebral, utilizando técnicas de resonancia magnética. Para ello, se ha comparado el volumen de sustancia gris entre un grupo de niños con autismo y un grupo de niños con desarrollo típico, estudiando la relación entre el volumen de sustancia gris y el rendimiento en una serie de pruebas neuropsicológicas. Los resultados mostraron que ambos grupos de niños presentaban una relación diferente entre el volumen de sustancia gris en diversas estructuras clave implicadas en la manifestación del trastorno y el rendimiento obtenido en las pruebas neuropsicológicas utilizadas.

El objetivo de esta tesis ha sido estudiar y analizar las modificaciones estructurales, mecánicas y funcionales que se producen en un proceso inflamatorio en general y en concreto en un episodio de isquemia cerebral.
El trabajo realizado se compone de dos partes: i) estudio del efecto de un proceso de isquemia-reperfusión sobre las propiedades estructurales, mecánicas y miogénicas en la arteria cerebral media de rata. ii) estudio mediante un modelo "in vitro" de inflamación que consiste en la incubación de las arterias en medio de cultivo con una de las citoquinas (IL-1ß) que se sobrexpresan después de un período de isquemia-reperfusión, sobre las propiedades estructurales, mecánicas y funcionales de la arteria mesentérica de resistencia de rata.
El proceso de isquemia (90 minutos)-reperfusión (24 horas) produjo los siguientes cambios en la arteria cerebral media: 1) disminución importante del tono miogénico acompañado por un aumento en la producción de aniones superóxido 2) incremento en el tamaño de la pared vascular debido al aumento en el número de células adventicias 3) aumento en el tamaño de las fenestras de la lámina elástica interna, hecho que podría asociarse al aumento en la elasticidad intrínseca observado en estas arterias 4) disminución del estrés de la pared como consecuencia del aumento en el tamaño de la misma 5) este proceso también modificó aunque con menor intensidad, algunos de los parámetros estructurales analizados en arterias del lado contralateral . Estos cambios, se deban probablemente a alteraciones sistémicas consecuencia de la isquemia focal.
La incubación de las arterias mesentéricas de resistencia en medio de cultivo con IL-1ß durante 14 horas: 1) no modificó ni la estructura ni la mecánica de la pared arterial 2) empeoró las relajaciones dependientes de óxido nítrico sin afectar a la capacidad vasorelajadora general del vaso. El empeoramiento de la relajación parece ser debido, al menos en parte, a una disminución en la biodisponibilidad del óxido nítrico 3) aumentó la producción de anión superóxido en la pared vascular que parecería estar sintetizado principalmente por la xantina oxidasa. Los aniones superóxido producidos por acción de la xantina oxidasa serían los principales responsables de la disminución en la biodisponibilidad del óxido nítrico, que a su vez sería el responsable de la disminución de las respuestas relajantes mediadas por óxido nítrico.
Estos resultados indicarían que la arteria cerebral media sufre una serie de cambios provocados por el proceso de isquemia-reperfusión que permitirían a estas arterias adaptarse a los cambios en el flujo sanguíneo necesarios para reducir el daño neuronal, mejorando la irrigación del cerebro después de un episodio de isquemia-reperfusión. El efecto de las citoquinas durante este período podría también afectar a las respuestas funcionales de las arterias debido al aumento en la producción de anión superóxido observado en esta patología. Las aportaciones de estos estudios podrían en un futuro abrir líneas de investigación que podrían contribuir al diseño de nuevos fármacos con capacidad para prevenir episodios de isquemia cerebral.
The aim of the present study has been to analyse the structural, mechanical and functional alterations that take place in an inflammatory process as cerebral ischaemia.
Our results are divided in two parts: i) a study of the effect of ischaemia-reperfusion on structural, mechanical and myogenic properties of rat middle cerebral artery and ii) to analyze, using an in vitro model of inflammation, the effect of incubation with IL-1ß, one of several cytokines that is overexpressed after a period of ischemia-reperfusion, on structural mechanical and functional properties of rat mesenteric resistance arteries.
The occlusion of the right middle cerebral artery (90 minuts) following 24 hours of reperfusion produced: 1) a decrease of myogenic tone together with an increase in superoxide anion production 2) an enlargement of the vascular wall due to the increase in the total number of adventitial cells 3) an enlargement of fenestrae area of the internal elastic lamina that was associated with the increase on intrinsic elasticity observed in these arteries 4) a diminished wall stress as a result of the increase in the wall thickness 5) ischaemia-reperfusion also modified although to a lesser degree, some of the structural parameters in arteries from the contralateral side of ischemia. These changes observed in the contralateral side could likely be associated to systemic alterations produced as a consequence of focal ischaemia.
Fourteen hours incubation of mesenteric resistance arteries in culture medium with IL-1ß: 1) did not modify either the structure or the mechanics of the arterial wall; 2) impaired nitric oxide dependent relaxation without affecting the vasodilatation capacity of the arteries. The impairment of nitric oxide induced relaxation by IL-1ß could be due to a decrease on nitric oxide availability; 3) increased superoxide anion production in the vascular wall that seems to be mainly synthesized by xanthine oxidase. The superoxide anion produced by xanthine oxidase would play a role in decreasing nitric oxide availability, which in turn would diminish vasodilatation mediated by nitric oxide.
These results suggest that the middle cerebral artery undergoes multiple changes caused by ischaemia-reperfusion that will allow these arteries to adapt to the blood flow alterations needed to reduce the neural damage, improving brain blood flow. Cytokines could affect functional responses of the arteries due to the increase in superoxide anion production observed in this pathology. In the future, this study could open new research that could contribute to the design of new drugs with potential interest to prevent cerebral ischaemia episodes.

DYRK1A es un gen del cromosoma 21 humano que codifica para una proteína quinasa constitutivamente activa que fosforila a sustratos que son clave en el desarrollo del cerebro. La proteína DYRK1A regula el crecimiento del cerebro del ratón de forma dosis- dependiente y región-específica. Múltiples evidencias sugieren que la sobre-expresión de DYRK1A contribuye a las alteraciones neuro-anatómicas y cognitivas asociadas al síndrome de Down. Por otro lado, estudios genéticos han mostrado que mutaciones de novo en DYRK1A causan un síndrome de discapacidad intelectual y autismo (MRD7; OMIM # 614104) que se caracteriza por la presencia de microcefalia y actividad epiléptica. Este trabajo de tesis se realizó con el objetivo de definir el efecto de cambios patogénicos en los niveles de la proteína DYRK1A en la citoarquitectura y funcionalidad cerebral. Para ello utilizamos los modelos de ganancia y pérdida de función de Dyrk1a (los ratones mBACTgDyrk1a y Dyrk1a+/- respectivamente) y el modelo de síndrome de Down mejor caracterizado, el ratón trisómico Ts65Dn. La caracterización neuro-morfológica del ratón mBACTgDyrk1a mostró que la sobre- expresión de DYRK1A provoca un déficit de neuronas excitadoras (glutamatérgicas) en la neocorteza, la región del cerebro responsable del raciocinio, y altera la proporción de los dos subtipos de neuronas inhibidoras (GABAérgicas) mayoritarias en esta estructura: las neuronas que expresan parvalbúmina (PV+) y las que expresan somatostatina (SST+). En la subplaca, una estructura transitoria de la corteza que participa en el establecimiento de las conexiones corticales y cortico-talámicas, se observó también un déficit de neuronas tanto en los ratones mBACTgDyrk1a como en los ratones Ts65Dn. Estudios de rescate genético demostraron que la trisomía de Dyrk1a es la responsable de la hipo-celularidad de la subplaca en el modelo Ts65Dn. Esto hallazgo junto con otros resultados sugieren que la sobre-expresión de DYRK1A podría alterar la generación de neuronas de la subplaca en el síndrome de Down. Durante la sinaptogénesis, la neocorteza de los ratones Dyrk1a+/- presenta una mayor densidad neuronal y alteraciones en la proporción de neuronas excitadoras que expresan marcadores específicos de capa. En estos ratones también se observó mayor celularidad en la subplaca. El exceso de neuronas excitadoras en la neocorteza Dyrk1a+/- se mantiene hasta el adulto y correlaciona con un aumento en la densidad de sinapsis excitadoras. En esta estructura, no se observaron cambios en el contenido de neuronas PV+, SST+ u otros subtipos de neuronas inhibidoras examinadas. Sin embargo, si que se detectaron cambios cuantitativos en estos subtipos neuronales en el hipocampo. El recuento de sinapsis en el stratum radiatum de la región CA1 no reveló cambios significativos en el número o distribución de las sinapsis inhibidoras pero si en la distribución de sinapsis excitadoras. Las anomalías estructurales observadas en la corteza Dyrk1a+/- podrían resultar en un exceso de estímulos excitadores que explicarían, tanto el aumento de células c-Fos+ en el hipocampo como la actividad epiléptica, con crisis tónico-clónicas generalizadas, que presentan los ratones Dyrk1a+/- adultos. Finalmente, los estudios conductuales mostraron que los ratones Dyrk1a haploinsuficientes presentan déficits en el comportamiento social y movimientos estereotipados indicativos de un comportamiento autista. Estos resultados confirman que el ratón Dyrk1a+/- es un buen modelo para estudiar las bases patogénicas de la haploinsuficiencia de DYRK1A en humanos. Los resultados de este trabajo en su conjunto muestran que variaciones patológicas en los niveles de la proteína quinasa DYRK1A alteran la proporción de neuronas excitadoras e inhibidoras de la corteza cerebral y, por tanto, su conectividad estructural. Este desequilibrio podría contribuir a los déficits cognitivos y otras alteraciones neurológicas asociados al síndrome de Down y al síndrome de discapacidad intelectual causado por mutaciones en el gen DYRK1A.
The gene product of DYRK1A, located on chromosome 21, is a constitutive protein kinase that regulates key neurodevelopmental processes. DYRK1A controls brain growth in a dosage-specific manner. There is evidence that the overexpression of DYRK1A contributes to the neuroanatomical and cognitive alterations associated to Down syndrome (DS). Moreover, it has been shown that heterozygous mutations in DYRK1A cause an intellectual disability (ID) syndrome (OMIM #614104) that is characterized by the presence of microcephaly, autism and epileptic activity. To provide insights into the effect of DYRK1A gene-dosage variations on brain cytoarchitecture and function, we have used gain- and loss-of-function Dyrk1a mutant mice (the mBACTgDyrk1a mouse and the Dyrk1a+/- mouse, respectively) and a trisomic model for DS, the Ts65Dn mouse. Studies in the mBACTgDyrk1a model showed that overexpression of DYRK1A leads to a significant deficit of excitatory neurons and to an altered number of specific subtypes of inhibitory neurons in the adult neocortex. The subplate in this mouse model and in the Ts65Dn model also presents a deficit of neurons. Moreover, we showed that the normalization of Dyrk1a gene-dosage in the Ts65Dn trisomic mouse rescued the phenotype, suggesting that DYRK1A overexpression in DS may affect the production of subplate cells. During synaptogenesis, the neocortex of Dyrk1a+/- mice showed increased neuronal density and altered proportions of excitatory neurons expressing layer-specific markers. The excess of excitatory neurons in this mouse persisted until the adult and correlated with an increased density of excitatory synapses. Numbers of the main interneuron subtypes and densities of inhibitory synapses were not significantly altered in the adult Dyrk1a+/- neocortex. By contrast, we did observed variations in all the interneuron subtypes examined in the hippocampus of these animals. The alterations in the cytoarchitecture and synaptic connectivity observed in the Dyrk1a+/- mouse may lead to an over-activation of the cerebral cortex circuits. This is in accordance with both, the increased numbers of hippocampal cFos-expressing cells and the epileptic activity shown by this mutant. Finally, Dyrk1a+/- mice presented deficits in social behaviour and stereotypies that are common in mouse models of autism. Together, the results of this work show that pathological variations in the levels of DYRK1A protein alter the ratio of excitatory/inhibitory neurons, thereby affecting the synaptic connectivity of cortical circuits. This may contribute to the cognitive deficits and other neurological alterations associated to DS and to the ID syndrome caused by mutations in DYRK1A.

El presente trabajo se ha centrado en la búsqueda de biomarcadores de Resonancia Magnética y función cerebral (RM de alto campo, 3T) en portadores preclínicos de una enfermedad neurodegenerativa que muestra una alteración del movimiento: el Síndrome de temblor y ataxia asociado al cromosoma del síndrome X frágil (FXTAS). Para ello se reclutaron portadores premutados del gen FMR1 (con y sin clínica de FXTAS) y se valoró la clínica, los estudios de imagen con RM, las alteraciones neuropsicológicas/neuropsiquiátricas, y la genética (repeticiones de tripletes CGG, ARNm y cantidad de proteína FMR1). Además, se incluyeron sujetos sanos como grupo control. Con este objetivo, se ha pretendido establecer biomarcadores que puedan predecir el desarrollo de la enfermedad, pudiendo así propiciar la instauración de medidas y tratamientos neuroprotectores en fases preclínicas. Los hallazgos de neuroimagen, clínica y neuropsicología en los pacientes premutados del gen FMR1 han sido publicados en el siguiente capítulo: Laia Rodríguez-Revenga, Beatriz Gómez-Ansón, Esther Granell Moreno, Javier Pagonabarraga and Montserrat Milà (2012). Neuroimaging in Fragile X-Associated, Neuroimaging-Clinical Applications, Prof.Peter Bright (Ed.), ISBN: 978-953-51-0200-7, InTech- http://www.intechopen.com/books/neuroimaging-clinical-applications/ neuroimagin-in-fragile-x-associated-tremor-ataxia-syndrome-fxtas- Por otro lado, las alteraciones hipocampales y su correlación con las alteraciones clínicas, neuropsicológicas/neuropsiquiátricas y con la genética, está en proceso de publicación. (E Granell, J Pagonabarraga, O López-Mourel, Y Vives-Gilabert, L Rodríguez-Revenga, M Milà, J Kulisevsky, B Gómez-Ansón. Hippocampal alterations on MRI in Fragile X premutation and FXTAS: a potentially useful marker of memory impairment and conversion).
The focus of this PhD thesis has been the search for brain MR (3T) biomarkers in genetic carriers of a neurodegenerative disease causing abnormal movements and cognitive decline: The Fragile X-Associated Tremor Ataxia Syndrome (FXTAS). Premutation carriers of the FMR1 gene were recruited, and clinical findings, MR imaging biomarkers, neuropsychology/neuropsychiatry and genetics (CGG repeats, mRNA and FMR 1 protein) were studied. Healthy subjects were included as a control group. More specifically, biomarkers to predict conversion of carriers to FXTAS have been investigated, so that potentially useful neuroprotective mesures/treatments could be applied early in the preclinical stage. As a result of this work carried out, neuroimaging findings, clinical manifestations and neuropsychology/neuropsychiatry in premutation carriers of the FMR1 gene, have been published in the chapter: Laia Rodríguez-Revenga, Beatriz Gómez-Ansón, Esther Granell Moreno, Javier Pagonabarraga and Montserrat Milà (2012). Neuroimaging in Fragile X-Associated, Neuroimaging-Clinical Applications, Prof.Peter Bright (Ed.), ISBN: 978-953-51-0200-7, InTech- http://www.intechopen.com/books/neuroimaging-clinical-applications/ neuroimagin-in-fragile-x-associated-tremor-ataxia-syndrome-fxtas- Additionally, results about hipocampal alterations and their correlation to clinical symptoms, neuropsychology/neuropsychiatry and genetics in carriers, and their potential usefulness as early biomarkers have been submitted and are currently under review for publication. (E Granell, J Pagonabarraga, O López-Mourel, Y Vives-Gilabert, L Rodríguez-Revenga, M Milà, J Kulisevsky, B Gómez-Ansón. Hippocampal alterations on MRI in Fragile X premutation and FXTAS: a potentially useful marker of memory impairment and conversion).

La β-amiloidosis cerebral se caracteriza por la acumulación del péptido β-amiloide (Aβ) en el parénquima y vasos cerebrales siendo la principal característica neuropatológica de la Enfermedad de Alzheimer (EA) y la Angiopatía Amiloide Cerebral (AAC). Ambas enfermedades se caracterizan por un impacto devastador en los pacientes, sin embargo actualmente no existe ningún tratamiento modificador para estas enfermedades. La hipótesis más aceptada en el campo propone que la β-amiloidosis cerebral ocurre por la desregulación de los mecanismos de eliminación de Aβ de cerebro. En este contexto, se ha propuesto que las apolipoproteínas ApoA-I y ApoJ/Clusterin tienen un rol protector frente a la β-amiloidosis cerebral. Por ello, el objetivo principal de esta Tesis Doctoral es estudiar el potencial terapéutico de variantes genéticas y estructurales sobre las proteínas recombinantes ApoA-I y ApoJ, respectivamente, en un modelo animal de β-amiloidosis cerebral. La primera estrategia se basó en el estudio del potencial terapéutico de la variante genética de ApoA-I, ApoA-I-Milano recombinante humana (rApoA-I-M). Se observó que la administración intravenosa crónica en el modelo murino de β-amiloidosis cerebral APP23 promovió una disminución de la carga β-amiloide parenquimal y vascular mediante el aclaramiento del péptido Aβ de cerebro a sangre, así como una disminución de la neuroinflamación. En segundo lugar, se formuló ApoJ recombinante humana en nanodiscos de HDLs reconstituidos (nanodiscos rHDL-rApoJ). Por un lado, esta estructura mostró mayor capacidad de promover el eflujo de colesterol in vitro y tras la administración periférica colocalizó con vasos afectados por Aβ en el modelo murino de β-amiloidosis cerebral APP23. Sin embargo, el tratamiento crónico con nanodiscos rHDL-rApoJ en el modelo APP23 no mostró una mayor capacidad de prevenir la acumulación de β-amiloide en cerebro que la proteína rApoJ libre. Por otro lado, la administración crónica periférica de rApoJ humana libre resultó en una disminución del β-amiloide vascular y carga β-amiloide insoluble, así como un aminoramiento de la muerte neuronal en hipocampo. Este efecto se acompañó de un aumento en la expresión del marcador lisosomal CD68 en la microglía alrededor de las placas neuríticas, proponiendo que la administración de ApoJ a nivel periférico promueve la eliminación de Aβ mediante estimulación de la fagocitosis en el parénquima cerebral. En resumen, consideramos que esta tesis doctoral contribuye a una mejor comprensión de los efectos de ApoA-I y ApoJ circulantes sobre la β-amiloidosis cerebral y propone el valor terapéutico potencial de rApoA-I-M y rApoJ en el contexto de la EA y AAC.
Cerebral β-amyloidosis is characterized by parenchymal and vascular deposition of Amyloid-β peptide (Aβ), being the main neuropathological hallmark of Alzheimer´s Disease and Cerebral Amyloid Angiopathy (CAA). Both diseases are characterized by a devastating impact on patients. Nevertheless, currently there is absence of a disease-modifying therapeutic strategy. The most accepted hypothesis in the field proposes that cerebral β-amyloidosis occurs by a deregulation of Aβ elimination pathways. In this context, ApoA-I and ApoJ/Clusterin apolipoproteins have been proposed to have protective role against cerebral β-amyloidosis. Thus, the main objective of this Doctoral Thesis is to study the therapeutic potential of genetic and structural modifications in recombinant ApoA-I and ApoJ respectively, using an animal model of cerebral β-amyloidosis. The first strategy was to study the potential therapeutic value of a naturally occurring genetic variant of ApoA-I, recombinant ApoA-I-Milano (rApoA-I-M). The chronic intravenous administration of human rApoA-I-M in the cerebral β-amyloidosis mice model APP23, lead to a significant reduction in both vascular and parenchymal Aβ, promoting the Aβ clearance from brain into the bloodstream. The treatment also showed lower levels of certain neuroinflammatory markers. Secondly, recombinant ApoJ was formulated in reconstituted HDL nanodiscs (rHDL-rApoJ nanodiscs). On one hand, this structure was more effective than free rApoJ promoting the cholesterol efflux in vitro and after intravenous administration; rHDL-rApoJ nanodiscs co-localized with fibrillar Aβ affected vessels. Nevertheless, the chronic peripheral administration of rHDL-rApoJ nanodiscs in the APP23 mice model did not improve the effect of free rApoJ in terms of cerebral β-amyloid accumulation. Indeed, the chronic intravenous administration of free human rApoJ prevented the number of β-amyloid affected brain vessels and the total cerebral insoluble Aβ load together with amelioration of neuronal loss in the hippocampus. This effect was accompanied by an increased in the expression of the lysosomal marker CD68 in microglial cells in the periphery of Aβ deposits, proposing that circulating rApoJ promotes the Aβ elimination through cerebral phagocytosis stimulation. In summary, we consider that this Doctoral Thesis contributes to the understanding of the role of circulating ApoA-I and ApoJ in cerebral β-amyloidosis and proposes the potential therapeutic value of rApoA-I-M and free rApoJ in the context of AD and CAA.

Esta memoria de tesis se presenta en formato de artículos originales que corresponden a una misma unidad temática: el desarrollo de una metodología de reconstrucción de fibras de sustancia blanca basada en técnicas de difusión por resonancia magnética y su implementación en el estudio de conectividad estructural en pacientes con esclerosis múltiple. Para el primer artículo, seleccionamos las radiaciones ópticas para validar nuestra metodología de reconstrucción. Para ello, empleamos modelos avanzados de tractografía y un postprocesado basado en criterios de exclusión anatómicos propios de cada sujeto. La reconstrucción final de las radiaciones ópticas fue evaluada a través de un atlas histológico validado por la comunidad científica, obteniendo una precisión y exactitud volumétrica muy cercana a la anatomía real tanto en voluntarios sanos como en pacientes con esclerosis múltiple. En el segundo artículo se empleó la misma metodología desarrollada en el artículo precedente, con el fin de proporcionar reconstrucciones más precisas de las conexiones de sustancia blanca cerebral y obtener datos cuantitativos y patológicamente más específicos. Esto permitió conocer los cambios acontecidos en la conectividad cerebral estructural en pacientes con esclerosis múltiple y sus consecuencias sobre el rendimiento cognitivo. Pudimos identificar un daño difuso generalizado de la red cerebral así como la presencia de fenómenos de desconexión en regiones frontoparietales, sustancia gris subcortical e ínsula, relacionados con el rendimiento en funciones atencionales y ejecutivas. Además, evidenciamos posibles mecanismos de reestructuración cerebral a través de incrementos en la conectividad en conexiones específicas. Dichos mecanismos de plasticidad podrían ser tanto, herramientas para compensar el daño tisular como cambios estructurales maladaptativos. Estos estudios han permitido desarrollar y aplicar una nueva metodología de reconstrucción de fibras de sustancia blanca más precisa y reproducible, así como detectar aquellas redes más vulnerables sobre el rendimiento cognitivo. La identificación de estas redes permite contar con un biomarcador sensible a la discapacidad cognitiva y podrían llegar a utilizarse como diana para evaluar el efecto de nuevas intervenciones terapéuticas.
This thesis was submitted with original research articles belonging to the same subject area: the development of an improved framework for tractography reconstruction of white matter fibers based on diffusion-weighted magnetic resonance imaging and its implementation in the study of structural connectivity in patients with multiple sclerosis. The purpose of the first original paper was to introduce an improved tractography framework to reconstruct the optic radiations in healthy volunteers and multiple sclerosis patients. The framework combined advanced diffusion models and an automatic post-processing based on anatomical exclusion criteria. The quantitative evaluation of the optic radiation was done by comparing the final reconstruction with a histological reference data. The proposed methodology was capable to reconstruct the optic radiation with a high accuracy and reliability. Moreover, the reconstruction was possible even in the presence of tissue damage. This framework could also be applied to other tracts with complex configuration in order to reduce the presence of anatomically implausible fibers. The second article used the same methodology developed in the previous article, in order to provide more precisely reconstructions of white matter connections. We aimed to investigate changes in structural connectivity in multiple sclerosis patients and their association with attention and executive performance. The structural brain connectivity is disturbed in multiple sclerosis due to widespread impairment of white matter connections and gray matter structures. The worse attention and executive performance was related to the decrease of integrity in frontoparietal networks, deep gray nuclei and insula. Contrarily, the increased edge connectivity suggests the presence of reorganization mechanisms at the structural level. These changes could be compensatory mechanisms to the maintenance of the normal level of cognitive performance or reflect maladaptative changes. These studies developed and improved framework for tractography reconstruction, useful to evaluate the changes in brain connectivity in patients with multiple sclerosis. The strategic networks related to attention and executive performance could be used as biomarkers to detect cognitive disability and targets to assess the effect of new therapeutic interventions.