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Understanding how disease processes affect functional interactions in the CNS is a core challenge of neuroscience research. fMRI connectivity has become an important tool for revealing large-scale network interactions by analyzing correlations in intrinsic fluctuations of the BOLD signal. This method is sensitive to plastic as well as developmental changes in the functional architecture and has successfully linked specific cognitive syndromes to the pathology of distinct functional systems.
Cognitive dysfunction is present in 40%–70% of patients with multiple sclerosis (MS) (Amato et al., Neurol Sci. 2010) predominantly affecting attention and executive functions, information processing speed and episodic memory. Attention and executive functions are critical cognitive domains to successfully carry out daily life activities and social functioning. Attention and executive deficits are disabling symptoms in multiple sclerosis (MS) that have been related to disconnection mechanisms related to focal lesions and diffuse microstructural damage in strategic white matter (WM) tracts involved in the cognitive performance, in addition to gray matter (GM) impairment.Moreover, brain functional modifications in task-based studies seem to drive compensatory mechanisms at the earliest stages of the disease, when structural damage is low, with increased cortical recruitment probably contributing to the maintenance of a normal level of cognitive performance. In later phases, those changes are lost or exhausted leading to cognitive dysfunction.
Across neurologic disorders, changes in connectivity of especially the default-mode network (DMN) and frontoparietal network (FPN) have been linked to cognitive deficits. This preferential relationship might be explained by the fact that these networks contain most highly connected regions, commonly described as functional hubs.
Information from previous studies has reported conflicting data on connectivity levels, both with increasing and decreasing overall connectivity levels of DMN and FPN in relation to cognitive dysfunction in MS.
The study below, investigate (DMN) and (FPN) dysfunction in cognitively impaired (CI) patients with MS with different severities of cognitive impairment by specifically investigating within and between network connectivity as well as connectivity with the rest of the brain.
Mult Scler. 2017 Mar 1:1352458517699875. doi: 10.1177/1352458517699875. [Epub ahead of print]
Functional network connectivity abnormalities in multiple sclerosis: Correlations with disability and cognitive impairment.
Rocca MA, Valsasina P, Leavitt VM, Rodegher M, Radaelli M, Riccitelli GC, Martinelli V, Martinelli-Boneschi F, Falini A, Comi G, Filippi M.
Abstract
OBJECTIVE:
To investigate resting state (RS) functional connectivity (FC) abnormalities within the principal brain networks in a large cohort of multiple sclerosis (MS) patients, to define the trajectory of FC changes over disease stages and their relation with clinical and structural magnetic resonance imaging (MRI) measures.
METHODS:
RS functional magnetic resonance imaging (fMRI), clinical, and neuropsychological evaluation were obtained from 215 MS patients and 98 healthy controls. Connectivity abnormalities and correlations with clinical/neuropsychological/imaging measures were evaluated. We analyzed seed-voxel FC with seven major hubs, producing one visual/sensory, one motor, two cognitive, one cerebellar, and two subcortical networks.
RESULTS:
MS patients showed reduced network average RS FC versus controls in the default-mode network. At a regional level, a complex pattern of decreased and increased RS FC was found. Reduced RS FC mainly involved sensorimotor, cognitive, thalamic, and cerebellar networks, whereas increased RS FC involved visual/sensory and subcortical networks. Reduced RS FC correlated with T2 lesions. Reduced thalamic RS FC correlated with better neuropsychological performance, whereas for all remaining networks reduced FC correlated with more severe clinical/cognitive impairment.
CONCLUSION:
Increased and decreased RS FC occurs in MS and contributes to a wide spectrum of clinical manifestations. RS FC reduction is related to T2 lesions. Such a paradigm is inverted for the thalamic network.
Of the 332 patients, 46% were defined as either MCI or CI, involving multiple cognitive domains, with executive function and information processing speed being most severely affected.
- The results showed that these 2 networks (DMN and FPN ) remained internally unchanged in terms of within- and between-network connectivity but showed increased connectivity with the rest of the brain in patients with more severe cognitive impairment.
- Their findings show us, that increased connectivity was most often associated with worse cognitive performance in MS, possibly indicating a maladaptive process.
- Found no changes in within-network connectivity.
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| CI patients showed increased connectivity between the DMN and the rest of the brain compared to CP patients and HCs, reflected by higher z scores (i.e., less negative). Differences are indicated (*pcorr , 0.05), and error bars reflect SEM. CI 5 cognitively impaired; CP 5 cognitively preserved; DMN 5 default-mode network; HC 5 healthy control; MCI 5 mildly cognitively impaired |
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| In CI patients, increased connectivity, reflected by higher z scores, was observed between the FPN and the rest of the brain compared to CP patients and HCs. This indicates that connections between the FPN and all other regions became stronger than the average strength of all connections together of the functional network. Differences are indicated (*pcorr , 0.05), and error bars reflect SEM. CI 5 cognitively impaired; CP 5 cognitively preserved; FPN 5 frontoparietal network; HC 5 healthy control; MCI 5 mildly cognitively impaired |
ESPAÑOL
Comprender cómo los procesos de la enfermedad afectan las interacciones funcionales en el SNC es un desafío central de la investigación en neurociencia. La conectividad fMRI se ha convertido en una herramienta importante para revelar las interacciones de red a gran escala mediante el análisis de las correlaciones en las fluctuaciones intrínsecas de la señal BOLD. Este método es sensible a los cambios plasmáticos, así como del desarrollo en la arquitectura funcional y ha ligado con éxito síndromes cognoscitivos específicos a la patología de sistemas funcionales distintos.
La disfunción cognitiva está presente en 40% -70% de los pacientes con esclerosis múltiple (MS) (Amato et al., Neurol Sci. 2010) que afectan predominantemente a la atención y funciones ejecutivas, velocidad de procesamiento de la información y memoria episódica. La atención y las funciones ejecutivas son dominios cognitivos críticos para llevar a cabo con éxito las actividades de la vida diaria y el funcionamiento social. Los déficits de atención y ejecutivos son síntomas incapacitantes en la esclerosis múltiple (EM) que se han relacionado con mecanismos de desconexión relacionados con lesiones focales y daño microestructural difuso en tractos de materia blanca estratégica involucrados en el desempeño cognitivo, además de materia gris, Además, las modificaciones funcionales cerebrales en los estudios basados en tareas parecen conducir mecanismos compensatorios en las primeras etapas de la enfermedad, cuando el daño estructural es bajo, con el aumento del reclutamiento cortical probablemente contribuyendo al mantenimiento de un nivel normal de rendimiento cognitivo. En fases posteriores, esos cambios se pierden o se agotan conduciendo a disfunción cognitiva.
A través de los trastornos neurológicos, los cambios en la conectividad, especialmente de la red neuronal por defecto (DMN) y la red frontoparietal (FPN) se han vinculado a déficits cognitivos. Esta relación preferencial podría explicarse por el hecho de que estas redes contienen las regiones más conectadas, comúnmente descritas como centros funcionales.
La información de estudios anteriores ha informado datos contradictorios sobre los niveles de conectividad, tanto con el aumento y la disminución de los niveles de conectividad general de DMN y FPN en relación con la disfunción cognitiva en la EM.
El estudio a continuación investiga (DMN) y disfunción (FPN) en pacientes con discapacidad cognitiva (CI) con EM con diferentes gravedades de deterioro cognitivo mediante la investigación específica dentro y entre la conectividad de la red, así como la conectividad con el resto del cerebro.
Mult Scler. 2017 Mar 1:1352458517699875. doi: 10.1177/1352458517699875. [Epub ahead of print]
Anomalías funcionales de la conectividad de red en la esclerosis múltiple: Correlaciones con discapacidad y deterioro cognitivo.
Rocca MA, Valsasina P, Leavitt VM, Rodegher M, Radaelli M, Riccitelli GC, Martinelli V, Martinelli-Boneschi F, Falini A, Comi G, Filippi M.
Abstract
OBJECTIVE:
Investigar las anomalías de la conectividad funcional (FC) del estado de reposo en las principales redes cerebrales de una gran cohorte de pacientes con esclerosis múltiple (EM), para definir la trayectoria de los cambios FC durante las etapas de la enfermedad y su relación con la resonancia magnética clínica y estructural (MRI).
METHODS:
La resonancia magnética funcional (IRMf), la evaluación clínica y la evaluación neuropsicológica se obtuvieron de 215 pacientes con EM y 98 controles sanos. Se analizaron anomalías de conectividad y correlaciones con medidas clínicas / neuropsicológicas / de imagen. Se analizó -voxel FC con siete centros principales, la producción de uno visual / sensorial, uno motor, dos cognitivos, un cerebelar, y dos redes subcortical.
RESULTS:
Los pacientes con EM mostraron una reducción del RS FC medio frente a los controles en la red de modo predeterminado. A nivel regional, se encontró un patrón complejo de RS FC disminuido y aumentado. El RS FC reducido implicó principalmente redes sensoriomotoras, cognitivas, talámicas y cerebelosas, mientras que el aumento de RS FC involucró redes visuales / sensoriales y subcorticales. Reducción de RS FC correlacionada con T2 lesiones. Reducción de FC talámico reducido correlacionado con un mejor rendimiento neuropsicológico, mientras que para todas las restantes redes reducido FC correlacionado con más grave de deterioro clínico / cognitivo.
CONCLUSION:
El aumento y disminución de RS FC ocurre en la EM y contribuye a un amplio espectro de manifestaciones clínicas. La reducción de RS FC está relacionada con las lesiones T2. Este paradigma se invierte para la red talámica.
De los 332 pacientes, el 46% fueron definidos como MCI o CI, involucrando múltiples dominios cognitivos, siendo la función ejecutiva y la velocidad de procesamiento de la información la más gravemente afectada.
- Los resultados mostraron que estas dos redes (DMN y FPN) se mantuvo internamente sin cambios en términos de dentro y entre la red de conectividad, pero mostró una mayor conectividad con el resto del cerebro en pacientes con deterioro cognitivo más grave.
- Sus hallazgos nos muestran que el aumento de la conectividad se asoció más a menudo con un peor desempeño cognitivo en la EM, posiblemente indicando un proceso de maladaptación.
- No se encontraron cambios en la conectividad dentro de la red.
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| Los pacientes con CI mostraron una mayor conectividad entre el DMN y el resto del cerebro en comparación con los pacientes con CP y HC, reflejados por puntuaciones z más altas (es decir, menos negativas). Se indican las diferencias (* pcorr, 0,05), y las barras de error reflejan SEM. IC 5 con deterioro cognitivo; CP 5 conservado cognoscitivamente; DMN 5 red de modo predeterminado; HC 5 control sano; MCI 5 suavemente deteriorado cognitivamente |
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| En los pacientes con IC, se observó un aumento de la conectividad, reflejado por mayores puntuaciones z, entre el FPN y el resto del cerebro en comparación con los pacientes con CP y HC. Esto indica que las conexiones entre el FPN y todas las demás regiones se hicieron más fuertes que la resistencia media de todas las conexiones juntas de la red funcional. Se indican las diferencias (* pcorr, 0,05), y las barras de error reflejan SEM. IC 5 con deterioro cognitivo; CP 5 conservado cognoscitivamente; Red frontoparietal FPN 5; HC 5 control sano; MCI 5 suavemente deteriorado cognitivamente |
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