Caracterización de la conectividad estructural cerebral basada en la teoría de redes complejas

Abstract

[ES] El cerebro es el órgano encargado de controlar y regular de forma centralizada las funciones del resto de órganos del cuerpo. Éste consta de regiones diferenciadas asociadas a determinadas facultades mentales, comportamientos u operaciones cognitivas, que trabajan de forma síncrona integrando su actividad para controlar el organismo. Por ello, se trata de un órgano de gran importancia y cuya relevancia ha dado lugar a numerosos estudios para entender su funcionamiento, tanto en condiciones normales como en condiciones patológicas. La teoría de redes complejas es una herramienta muy potente que permite estudiar el cerebro desde el punto de vista de una red compleja, de forma que los nodos representan neuronas individuales o grupos neuronales y los enlaces entre éstos pueden representar tractos neuronales (conectividad estructural), relaciones de dependencia estadística (conectividad funcional) o efectos causales que una región ejerce sobre otra (conectividad efectiva). En el presente Trabajo Fin de Grado se ha realizado un análisis topológico de la conectividad estructural de una red cerebral de rata empleando los conceptos y herramientas que proporciona la teoría de redes complejas. Para ello, se ha utilizado el software MATLAB® y la toolbox Brain Connectivity Toolbox (BCT), desarrollada por expertos en el campo de la conectividad cerebral. Para realizar dicho análisis se han empleado métricas básicas, de segregación, de integración y de centralidad sobre la red con el objetivo de cuantificar distintas características de ésta. Así, en primer lugar, se ha estudiado la red original sin realizar ninguna modificación, aplicando las métricas descritas sobre los nodos de la red, así como sobre los enlaces. En segundo lugar, se han aplicado diferentes modificaciones de la red con el objetivo de simular lesiones en distintas zonas cerebrales. En particular, se han ido eliminando enlaces y nodos y estudiando el efecto de este cambio en la estructura global de la red cerebral.

[CA] El cervell es l’òrgan encarregat de controlar i regular de forma centralitzada les funcions de la resta d’òrgans del cos. Aquest consta de regions diferenciades associades a determinades facultats mentals, comportaments o operacions cognitives, que treballen de forma síncrona integrant la seua activitat per a controlar a l’organisme. Per això, es tracta d’un òrgan de gran importància, la rellevància del qual ha donat lloc a nombrosos estudis per a entendre el seu funcionament, tant en condicions normals com en condicions patològiques. La teoria de xarxes complexes es una eina molt potent que permet estudiar el cervell des del punt de vista d’una xarxa complexa, de forma que els nodes representen neurones individuals o grups neuronals i els enllaços entre aquests poden representar tractes neuronals (connectivitat estructural), relacions de dependència estadística (connectivitat funcional) o efectes causals que una regió exerceix sobre una altra (connectivitat efectiva). En el present Treball Fi de Grau s’ha realitzat un anàlisi topològic de la connectivitat estructural d’una xarxa cerebral de rata emprant els conceptes i eines que proporciona la teoria de xarxes complexes. Per a això, s’ha utilitzat el software MATLAB® i la toolbox Brain Connectivity Toolbox (BCT), desenvolupada per experts en el camp de la connectivitat cerebral. Per a realitzar dit anàlisi s’han emprat mètriques bàsiques, de segregació, d’integració i de centralitat sobre la xarxa amb l’objectiu de quantificar les diferents característiques d’aquesta. Així, en primer lloc, s’ha estudiat la xarxa original sense realitzar cap modificaci, aplicant les mètriques descrites sobre els nodes de la xarxa, així com sobre els enllaço. En segon lloc, s’han aplicat diferents modificacions sobre la xarxa amb l’objectiu de simular lesions en distintes zones cerebrals. En particular, s’han anat eliminant enllaços i nodes i estudiant l’efecte d’aquest canvi en l’estructura global de la xarxa cerebral.

[EN] The brain is the organ that controls and regulates the functions of the rest of organs of the body. It is made up of differentiated regions associated with specific mental faculties, behaviours or cognitive operations that synchronously work integrating their activity to coordinate the organism. For this reason, numerous studies have been carried out with the aim of understanding its functioning, in both normal and pathological conditions. Complex network theory is a very powerful tool that allows the study of the brain from the point of view of a complex network, therefore nodes represent individual neurons or neuronal groups and edges between them may represent neuronal tracts (structural connectivity), relations of statistical dependency (functional connectivity) or causal effects that one neural system exerts over another (effective connectivity). In the present Final Degree Project, a topological analysis of the structural connectivity in the rat network has been performed, using concepts and tools that the complex network theory provides. To this end, the software MATLAB® and the Brain Connectivity Toolbox (BCT) has been used, toolbox developed by experts in brain connectivity. Different metrics have been employed to perform the analysis, such as basic metrics, as well as metrics of segregation, integration and centrality. In first place, the original network without any modification have been studied, applying the described measures to the network nodes, as well as to the edges connecting them. In second place, modifications have been applied on the network with the objective of simulating lesions in different brain areas. In particular, nodes and edges have been removed and the effect of these changes in the global structure of the brain network has been studied.