Cambios de las dinámicas de estados cerebrales durante modulación dopaminérgica en humanos

Abstract

Los estudios de neuroimaginería han develado el entendimiento del rol de la dopamina en procesos cognitivos y motores. Los circuitos dopaminérgicos se relacionan principalmente con 3 redes de estado de resposo (RSNs): La red sensoriomotora (SMN), red de modo por defecto (DMN), y la red de Saliencia (SN). Los cambios en la conectividad funcional de estas RSNs en patologías como la enfermedad de Parkinson (PD) y la esquizofrenia están relacionadas con alteraciones conductuales, motoras y cognitivas. El siguiente trabajo busca encontrar los cambios en la predominancia y balance de las distintas RSNs involucradas en los circuitos dopaminérgicos, al igual que dinámicas temporales rápidas de estas redes. Se analizaron las dinámicas de los estados cerebrales (BS) estimados por un Modelo Oculto de semi-Markov (HsMM) durante la manipulación farmacológica de la activación de receptores D2 en 12 participantes. Cada sujeto recibió una dosis de un agonista D2, un placebo y un antagonista D2 en diferentes sesiones. El agonista y antagonista utilizado fue cabergolina y amisulprida respectivamente. Los datos de electroencefalografía (EEG) sin tarea fue adquirido y preprocesado para entrenar un HsMM y estimar la tasa de ocupación (FO) y la duración de los estados a través de la secuencia de estados resultante. Para entrenar el modelo se utilizó la envolvente de Hilbert de la banda alfa (8-12 Hz). Para construir los mapas de fuentes de cada estado se utilizó la envolvente de Hilbert de la señal reconstruida en un rango de 4-30 Hz. Estos mapas revelaron áreas de mayor activación para cada estado. La reconstrucción de fuentes fue realizada utilizando el método de beamformer de varianza mínima linealmente restringida. Los BS mostraron una activación de una mezcla de diferentes RSNs. Por lo que no se encontró una relación entre el cambio en las dinámicas de RSNs y las condiciones. Dos BS diferentes revelaron cambios producidos por la administración del antagonista D2 y agonista D2. Los BS fueron nombrados según el área de mayor activación. El BS polo frontal (FP) incrementó su FO y duración promedio en la condición antagonista. Esto significa que la red codificada por este estado fue estabilizada al igual que los patrones de activación y conectividad funcional. El BS, FP muestra áreas de mayor activación en la corteza cingulada anterior, temporal y orbitofrontal. El BS pars triangularis (PTG) acortó su duración promedio en la condición agonista, sin embargo, no se encontraron diferencias en la condición antagonista comparado con placebo. BS, PTG mostró áreas de mayor activación en la corteza frontal, temporal y anterior cingulada. El BS FP y BS PTG revelaron una activación mayor en áreas de la SN y DMN respectivamente. Ambas tuvieron activación de otras RSNs fuera de la SMN, DMN y SN. Lo que quiere decir que hay otras redes clave que fueron moduladas en este experimento

Neuroimaging studies of resting state networks (RSNs) have informed our understanding the role of dopamine in cognitive and motor processes. Dopamine circuitry is especially related to three RSNs: The Sensorimotor Network (SMN), Default Mode Network (DMN), and Salience Network (SN). Changes in the functional connectivity of these RSNs in disorders such as Parkinson’s Disease (PD) and Schizophrenia are entwined with behavioral, motor, and cognitive alterations. Changes in the predominance, and balance between the different RSNs are yet to be explored, along with their higher temporal dynamics. We analyzed changes in the dynamics of brain states (BS) estimated by a Hidden semi-Markov Model (HsMM) due to pharmacologically manipulated dopamine D2 receptor activation in 12 non-patients. Each non-patient received a D2 agonist, a placebo, and a D2 antagonist on different sessions. Cabergoline and Amisulpride were used as the agonist and antagonist respectively. Non-task EEG data was acquired and preprocessed to train a HsMM and estimate the Factional Occupancy (FO) and BSs’ duration from the resulting state sequence. HsMM training was done using the Hilbert envelope of the alpha band (8-12 Hz). Source state maps revealing areas of highest activation were produced using the linearly constrained minimum variance beamformer method with the Hilbert envelope from 4-30 Hz. BS related to the activation of a mixture of different RSNs. Therefore, no relationship was established between a single RSNs and the group conditions. Two different BS revealed changes produced by D2 antagonist and D2 antagonist administration. The BS were assigned the name of the areas of highest activation. The BS frontal pole (FP) increased its FO and mean duration in the D2 antagonist condition. Stabilizing the encoded network and patterns of functional connectivity. The BS FP source map revealed areas of higher activation from the anterior cingulate, temporal, and orbitofrontal cortex. BS pars triangularis (PTG) shortened its mean duration when the D2 agonist was administered but showed no significant change for the FO when comparing conditions. BS PTG also encoded for higher activation of frontal, temporal, and anterior cingulate areas. BS FP and BS PTG showed activation of areas from the SN and DMN respectively. Both also showed areas of high activity from other RSNs outside of the SMN, DMN and SN