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Organización topológica de la corteza cerebral en el envejecimiento normal y en la enfermedad de Alzheimer

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2014
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2014-11-21
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La corteza cerebral representa el más avanzado sistema de computación biológica que existe en la naturaleza. Su sofisticada organización anatómica y funcional facilita el procesamiento de la información en paralelo, de forma distribuida y jerarquizada; siendo precisamente su nivel de eficiencia uno de los aspectos que nos diferencia de otros mamíferos superiores. Estas propiedades emergentes pueden estudiarse in vivo mediante la aplicación de la Teoría de Grafos a los mapas cerebrales obtenidos con diferentes técnicas de neuroimagen. En este contexto, estudios previos han mostrado que las propiedades topológicas del cerebro humano varían en función del número de regiones incluidas en el grafo, añadiendo un grado de incertidumbre a los resultados obtenidos con esta aproximación analítica. Además, el envejecimiento se caracteriza por una serie de cambios anátomo-funcionales en la corteza cerebral que alteran su organización topológica, lo cual podría afectar a la relación entre los patrones de conectividad estructural y funcional, aspectos que podrían sufrir un deterioro adicional durante el proceso de neurodegeneración que acompaña a la enfermedad de Alzheimer (EA). El presente trabajo de Tesis trata de arrojar luz sobre estas cuestiones. Para ello, se han adquirido imágenes cerebrales de resonancia magnética estructural (RM) y de tomografía por emisión de positrones (PET) con el radiotrazador 18F-fluorodeoxiglucosa (FDG) en 29 personas mayores cognitivamente sanas, 29 personas mayores con deterioro cognitivo leve tipo amnésico (DCLa) y 29 pacientes con EA leve. A partir de estas imágenes, se han construido redes estructurales y funcionales de la corteza cerebral para posteriormente determinar si los cambios observados en su organización topológica y en las propiedades de sus nodos permiten caracterizar la transición entre el envejecimiento normal y el patológico. Nuestros resultados confirman, en primer lugar, que la organización topológica de la red cortical estructural cambia significativamente con la escala de parcelación, demostrándose que las parcelaciones óptimas son aquellas compuestas por regiones corticales de aproximadamente 250 mm2 de superficie. En segundo lugar, los resultados indican que la conectividad local es un rasgo predominante en el envejecimiento normal, siendo las áreas sensoriomotoras y visuales las que presentan un mayor nivel de segregación. Por otra parte, las conexiones de larga distancia y la capacidad de integración cortical se restringen a regiones de asociación heteromodales, que mostraron una mayor vulnerabilidad ante ataques simulados de la red. Tal como cabría esperar, este patrón de conectividad estructural guarda una estrecha relación con el patrón de conectividad funcional de personas mayores sanas. Por el contrario, los individuos con DCLa y los pacientes con EA mostraron una organización topológica de la corteza cerebral menos eficiente, caracterizada por la presencia de elementos más aislados a nivel global, hemisférico y lobular, lo cual además de favorecer la segregación reduce la capacidad de integración del sistema cortical. Este deterioro de la conectividad estructural y funcional produce además una disminución del acoplamiento local y un aumento del acoplamiento global entre ambas redes. En conjunto, nuestros resultados muestran cómo la topología de la red cortical y los atributos de sus nodos se alteran progresivamente desde el envejecimiento normal hasta llegar a la EA. En la era de la medicina personalizada y en una sociedad marcadamente envejecida, se espera que en un futuro no tan lejano estas aproximaciones contribuyan a mejorar el diagnóstico temprano de la EA así como de otras patologías neurodegenerativas asociadas al envejecimiento.
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Programa de Doctorado en Neurociencias
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