The neuromodulatory influence on functional network topolopy: insights from neural mass models
Fecha
2022
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Profesor Guía
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Thesis
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Universidad de Valparaíso
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Facultad
Facultad de Ciencias
Departamento o Escuela
Facultad de Ciencias. Centro Interdisciplinario de Neurociencia de Valparaíso
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Doctor en Ciencias Mención Biofísica y Biología Computacional. Universidad de Valparaíso, 2022
Resumen
En años recientes, los modelos de cerebro completo, informados con datos de neuroimagen, han sido utilizados para hallar mecanismos que permitan explicar el cómo y el porqué de la estructura y dinámica del cerebro. A partir de un conectoma fijo, el cerebro puede manejar la transición entre diferentes patrones de actividad funcional en escalas de tiempo relativamente cortas. Los sistemas neuromodulatorios constituyen un mecanismo plausible para cambiar el f lujo de la información dentro del cerebro, remoldeando conexiones funcionales en respuesta a un cambio en el contexto ambiental. Teorías recientes proponen que los sistemas colinérgico y noradrenérgico promueven topologías de red funcionales más segregadas o integradas, respectivamente. A pesar de que los efectos de la acetilcolina y la noradrenalina han sido estudiados extensivamente en humanos usando registros de actividad cerebral no invasivos, el vínculo causal entre los mecanismos biofísicos–atribuidos a los neuromodulares– y el control de la topología de red funcional no es conocido. En esta tesis, utilicé un modelo de cerebro completo de masas neuronales para ganar conocimiento acerca de los mecanismos específicos, relacionados con los sistemas colinérgico y noradrenérgico, que producen un movimiento hacia la segregación o integración funcional. En la primera parte, el muy conocido modelo de Jansen & Rit se utilizó para caracterizar el efecto de la acetilcolina y la noradrenalina sobre la segregación e integración. Herramientas de la teoría de grafos se emplearon para analizar las redes funcional obtenidas con las señales tipo fMRI BOLD simuladas. Mecanísticamente, la neuromodulación colinérgica se modeló disminuyendo los parámetros de acoplamiento global y de inhibición local del modelo. La influencia noradrenérgica se simuló incrementando la pendiente de la función de entrada-salida (llamada ganancia de filtro o neural) de las neuronas piramidales. Los resultados de las simulaciones confirman el efecto pro-segregación (integración) de la acetilcolina (noradrenalina), estableciendo mecanismos biofísicos robustos para simular el impacto de los neuromodudolares en la dinámica a nivel de cerebro completo. Luego, corroboré los resultados del modelo añadiendo el análisis de datos empíricos, encontrando que los efectos del sistema colinérgico son contexto específicos: este promueve la segregación durante una tarea atencional, pero no en condiciones de actividad espontánea. Finalmente, identifiqué algunas regiones claves en el conectoma de humano que, al ser neuromoduladas por noradrenalina, producen un mayor incremento en la integración funcional. Estas regiones corresponden a los hubs estructurales del cerebro, los cuales son piezas claves para facilitar la integración de la actividad cerebral.
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Auspiciador
Palabras clave
NEUROMODULADORES, CEREBRO, ACETILCOLINA, NORADRENALINA