Characterizing functional and structural brain alterations driven by chronic alcohol drinking: a resting-state fMRI connectivity and voxel-based morphometry analysis

Abstract

El balance del cerebro se altera a nivel estructural y funcional por el consumo de alcohol y puede causar trastornos por consumo de alcohol (TCA). El objetivo de esta Tesis Doctoral fue investigar los efectos del consumo crónico y excesivo de alcohol en el cerebro desde una perspectiva funcional y estructural, mediante análisis de imágenes multimodales de resonancia magnética (RM). Realizamos tres estudios con objetivos específicos: i) Para entender cómo las neuroadaptaciones desencadenadas por el consumo de alcohol se ven reflejadas en la conectividad cerebral funcional entre redes cerebrales, así como en la actividad cerebral, realizamos estudios en ratas msP en condiciones de control y tras un mes con acceso a alcohol. Para cada sujeto se obtuvieron las señales específicas de sus redes cerebrales tras aplicar análisis probabilístico de componentes independientes y regresión espacial a las imágenes funcionales de RM en estado de reposo (RMf-er). Después, estimamos la conectividad cerebral en estado de reposo mediante correlación parcial regularizada. Para una lectura de la actividad neuronal realizamos un experimento con imágenes de RM realzadas con manganeso. En la condición de alcohol encontramos hipoconectividades entre la red visual y las redes estriatal y sensorial; todas con incrementos en actividad. Por el contrario, hubo hiperconectividades entre tres pares de redes cerebrales: 1) red prefrontal cingulada media y red estriatal, 2) red sensorial y red parietal de asociación y 3) red motora-retroesplenial y red sensorial, siendo la red parietal de asociación la única red sin incremento de actividad. Estos resultados indican que las redes cerebrales ya se alteran desde una fase temprana de consumo continuo y prolongado de alcohol, disminuyendo el control ejecutivo y la flexibilidad comportamental. ii) Para comparar el volumen de materia gris (MG) cortical entre 34 controles sanos y 35 pacientes con dependencia al alcohol, desintoxicados y en abstinencia de 1 a 5 semanas, realizamos un análisis de morfometría basado en vóxel. Las principales estructuras cuyo volumen de MG disminuyó en los sujetos en abstinencia fueron el giro precentral (GPreC), el giro postcentral (GPostC), la corteza motora suplementaria (CMS), el giro frontal medio (GFM), el precúneo (PCUN) y el lóbulo parietal superior (LPS). Disminuciones de MG en el volumen de esas áreas pueden dar lugar a cambios en el control de los movimientos (GPreC y CMS), en el procesamiento de información táctil y propioceptiva (GPostC), personalidad, previsión (GFM), reconocimiento sensorial, entendimiento del lenguaje, orientación (PCUN) y reconocimiento de objetos a través de su forma (LPS). iii) Caracterizar estados cerebrales dinámicos en señales de RMf mediante una metodología basada en un modelo oculto de Markov (HMM en inglés)-Gaussiano en un paradigma con diseño de bloques, junto con distintas señales temporales de múltiples redes: componentes independientes y modos funcionales probabilísticos (PFMs en inglés) en 14 sujetos sanos. Cuatro condiciones experimentales formaron el paradigma de bloques: reposo, visual, motora y visual-motora. Mediante la aplicación de HMM-Gaussiano a los PFMs pudimos caracterizar cuatro estados cerebrales a partir de la actividad media de cada PFM. Los cuatro mapas espaciales obtenidos fueron llamados HMM-reposo, HMM-visual, HMM-motor y HMM-RND (red neuronal por defecto). HMM-RND apareció una vez el estado de tarea se había estabilizado. En un futuro cercano se espera obtener estados cerebrales en nuestros datos de RMf-er en ratas, para comparar dinámicamente el comportamiento de las redes cerebrales como un biomarcador de TCA. En conclusión, las técnicas de neuroimagen aplicadas en imagen de RM multimodal para estimar la conectividad cerebral en estado de reposo, la actividad cerebral y el volumen de materia gris han permitido avanzar en el entendimiento de los mecanismos homeostático

La ingesta d'alcohol altera el balanç del cervell a nivell estructural i funcional i pot causar trastorns per consum d' alcohol (TCA). L'objectiu d'aquesta Tesi Doctoral fou estudiar els efectes en el cervell del consum crònic i excessiu d'alcohol, des d'un punt de vista funcional i estructural i per mitjà d'anàlisi d'imatges de ressonància magnètica (RM). Vam realitzar tres anàlisis amb objectius específics: i) Per a entendre com les neuroadaptacions desencadenades pel consum d'alcohol es veuen reflectides en la connectivitat cerebral funcional entre xarxes cerebrals, així com en l'activitat cerebral, vam realitzar estudis en rates msP en les condicions de control i després d'un mes amb accés a alcohol. Per a cada subjecte vam obtindre els senyals de les xarxes cerebrals tras aplicar a les imatges funcionals de RM en estat de repòs una anàlisi probabilística de components independents i regressió espacial. Després, estimàrem la connectivitat cerebral en estat de repòs per mitjà de correlació parcial regularitzada. Per a una lectura de l'activitat cerebral vam adquirir imatges de RM realçades amb manganés. En la condició d'alcohol vam trobar hipoconnectivitats entre la xarxa visual i les xarxes estriatal i sensorial, totes amb increments en activitat. Al contrari, va haver-hi hiperconnectivitats entre tres parells de xarxes cerebrals: 1) xarxa prefrontal cingulada mitja i xarxa estriatal, 2) xarxa sensorial i xarxa parietal d'associació i 3) xarxa motora-retroesplenial i xarxa sensorial, sent la xarxa parietal d'associació l'única xarxa sense increment d'activitat. Aquests resultats indiquen que les xarxes cerebrals ja s'alteren des d'una fase primerenca caracteritzada per consum continu i prolongat d'alcohol, disminuint el control executiu i la flexibilitat comportamental. ii) Per a comparar el volum de MG cortical entre 34 controls sans i 35 pacients amb dependència a l'alcohol, desintoxicats i en abstinència de 1 a 5 setmanes vam emprar anàlisi de morfometria basada en vòxel. Les principals estructures on el volum de MG va disminuir en els subjectes en abstinència van ser el gir precentral (GPreC), el gir postcentral (GPostC), la corteça motora suplementària (CMS), el gir frontal mig (GFM), el precuni (PCUN) i el lòbul parietal superior (LPS). Les disminucions de MG en eixes àrees poden donar lloc a canvis en el control dels moviments (GPreC i CMS), en el processament d'informació tàctil i propioceptiva (GPostC), personalitat, previsió (GFM), reconeixement sensorial, enteniment del llenguatge, orientació (PCUN) i reconeixement d'objectes a través de la seua forma (LPS). iii) Caracterització de les dinàmiques temporals del cervell com a diferents estats cerebrals, en senyals de RMf mitjançant una metodologia basada en un model ocult de Markov (HMM en anglès)-Gaussià en imatges de RMf, junt amb dos tipus de senyals temporals de múltiples xarxes cerebrals: components independents i modes funcionals probabilístics (PFMs en anglès) en 14 subjectes sans. Quatre condicions experimentals van formar el paradigma de blocs: repòs, visual, motora i visual-motora. HMM-Gaussià aplicat als PFMs (senyals de RM funcional de xarxes cerebrals) va permetre la millor caracterització dels quatre estats cerebrals a partir de l'activitat mitjana de cada PFM. Els quatre mapes espacials obtinguts van ser anomenats HMM-repòs, HMM-visual, HMM-motor i HMM-XND (xarxa neuronal per defecte). HMM-XND va aparèixer una vegada una tasca estava estabilitzada. En un futur pròxim s'espera obtindre estats cerebrals en les nostres dades de RMf-er en rates, per a comparar dinàmicament el comportament de les xarxes cerebrals com a biomarcador de TCA. En conclusió, s'han aplicat tècniques de neuroimatge per a estimar la connectivitat cerebral en estat de repòs, l'activitat cerebral i el volum de MG, aplicades a imatges multimodals de RM i s'han obtés resultats que han permés avançar en l'enteniment dels m

Alcohol intake alters brain balance, affecting its structure and function, and it may cause Alcohol Use Disorders (AUDs). We aimed to study the effects of chronic, excessive alcohol consumption on the brain from a functional and structural point of view, via analysis of multimodal magnetic resonance (MR) images. We conducted three studies with specific aims: i) To understand how the neuroadaptations triggered by alcohol intake are reflected in between-network resting-state functional connectivity (rs-FC) and brain activity in the onset of alcohol dependence, we performed studies in msP rats in control and alcohol conditions. Group probabilistic independent component analysis (group-PICA) and spatial regression were applied to resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) images to obtain subject-specific time courses of seven resting-state networks (RSNs). Then, we estimated rs-FC via L2-regularized partial correlation. We performed a manganese-enhanced (MEMRI) experiment as a readout of neuronal activity. In alcohol condition, we found hypoconnectivities between the visual network (VN), and striatal (StrN) and sensory-cortex (SCN) networks, all with increased brain activity. On the contrary, hyperconnectivities were found between three pairs of RSNs: 1) medial prefrontal-cingulate (mPRN) and StrN, 2) SCN and parietal association (PAN) and 3) motor-retrosplenial (MRN) and SCN networks, being PAN the only network without brain activity rise. Interestingly, the hypoconnectivities could be explained as control to alcohol transitions from direct to indirect connectivity, whereas the hyperconnectivities reflected an indirect to an even more indirect connection. These findings indicate that RSNs are early altered by prolonged and moderate alcohol exposure, diminishing the executive control and behavioral flexibility. ii) To compare cortical gray matter (GM) volume between 34 healthy controls and 35 alcohol-dependent patients who were detoxified and remained abstinent for 1-5 weeks before MRI acquisition, we performed a voxel-based morphometry analysis. The main structures whose GM volume decreased in abstinent subjects compared to controls were precentral gyrus (PreCG), postcentral gyrus (PostCG), supplementary motor cortex (SMC), middle frontal gyrus (MFG), precuneus (PCUN) and superior parietal lobule (SPL). Decreases in GM volume in these areas may lead to changes in control of movement (PreCG and SMC), in processing tactile and proprioceptive information (PostCG), personality, insight, prevision (MFG), sensory appreciation, language understanding, orientation (PCUN) and the recognition of objects by touch and shapes (SPL). iii) To characterize dynamic brain states in functional MRI (fMRI) signals by means of an approach based on the Hidden Markov model (HMM). Several parameter configurations of HMM-Gaussian in a block-design paradigm were considered, together with different time series: independent components (ICs) and probabilistic functional modes (PFMs) on 14 healthy subjects. The block-design fMRI paradigm consisted of four experimental conditions: rest, visual, motor and visual-motor. Characterizing brain states' dynamics in fMRI data was possible applying the HMM-Gaussian approach to PFMs, with mean activity driving the states. The four spatial maps obtained were named HMM-rest, HMM-visual, HMM-motor and HMM-DMN (default mode network). HMM-DMN appeared once a task state had stabilized. The ultimate goal will be to obtain brain states in our rs-fMRI rat data, to dynamically compare the behavior of brain RSNs as a biomarker of AUD. In conclusion, neuroimaging techniques to estimate rs-FC, brain activity and GM volume can be successfully applied to multimodal MRI in the advance of the understanding of brain homeostasis in AUDs. These functional and structural alterations are a biomarker of chronic alcoholism to explain impairments in executive control, reward evaluation and visuospatial processing.