Studium kognitivních a řečových funkcí u neurodegenerativních onemocnění mozku pomocí funkční magnetické rezonance

Mgr. Nela Němcová Elfmarková, Ph.D.

Doctoral thesis

Cognitive and speech functions in neurodegenerative diseases, functional magnetic resonance study

Abstract:

Práce se zabývá studiem řečových a kognitivních funkcí u Alzheimerovy (AD) a Parkinsonovy nemoci (PD) pomocí funkční magnetické rezonance (fMRI). V první studii jsme hodnotili u 19 pacientů s PD a 15 zdravých kontrol (HC) efekt dopaminergní terapie na hypokinetickou dysartrii pomocí metody parciálních nejmenších čtverců (PLSC). Ve skupině PD jsme provedli korelační analýzu k posouzení vztahů mezi akustickým měřením a sílou konektivity (a jejích změn v důsledku podání levodopy). Záměrem druhé studie bylo odlišit pomocí zrakové úlohy dvě skupiny pacientů: 1) PD x PD-MCI a 2) pacienty s mírnou kognitivní poruchou (MCI) při AD a PD. Hodnotili jsme účinky aktivace/deaktivace s ohledem na ne/konvenční podmínku a posuzovali rozdíly mezi skupinami. Cílem třetí studie bylo analyzovat specifické změny v konektivitě zadního cingula/precunea (PCC/P) „default mode“ sítě spojené se zpracováním zrakových informací u 17 MCI a 15 AD pacientů pomocí analýzy psychofyziologických interakcí. PLSC analýza odhalila významný vliv PD, ale ne medikace, na sílu konektivity v primární orofaciální kůře pro mluvidla (OF_SM1), předním cingulu (ACC) a caudatu (CN). V PD skupině změna CN a OF_SM1 konektivity v důsledku podání L-dopy souvisela se změnou akustického parametru hodnotícího prozodii. Ve druhé studii jsme zjistili, že obě MCI skupiny vykazovaly zhoršený výkon v kognitivním úkolu a sníženou aktivaci pravého ACC a pravého gyrus parietalis superior (SPL) (PD-MCI) a pravého gyrus frontalis medius/inferior (AD-MCI). fMRI kontrast v pravém SPL rozlišil PD-MCI od PD s vysokou senzitivitou a specificitou. Ve třetí studii jsme ve skupině HC pozorovali změny v PCC konektivitě v oblastech ventrální vizuální dráhy a PCC/P během úlohy, což odráží úspěšné zapojení těchto oblastí do vizuálního zpracování. Ve skupině MCI jsme zaznamenali změnu konektivity pouze s předním precuneum. V první studii jsme prokázali negativní efekt L-dopy na hypokinetickou dysartrii u pacientů s PD. Existuje však část pacientů, u kterých dopaminergní medikace zlepšila prozódii prostřednictvím zvýšené konektivity v rámci asociativních striato-prefrontálních a řečových motorických sítí. Druhá studie odhalila, že zhoršený výkon v obou MCI skupinách souvisel se sníženým zapojením frontoparietálních sítí. Aberantní aktivace v SPL může sloužit jako časný zobrazovací biomarker počáteční PD-MCI. Změna konektivity ve třetí studii může odrážet neefektivní „kompenzační“ mechanismus přítomný u MCI nebo abnormální modulaci mozkové konektivity v důsledku patologie nemoci. S rozvojem onemocnění se tyto změny stávají zřetelnější, ale z hlediska kompenzace méně účinné.

Abstract:

The purpose of the study is to investigate speech and cognitive function in Alzheimer's disease (AD) and Parkinson's disease (PD) using functional magnetic resonance imaging (fMRI). We studied 19 PD patients in the OFF and ON dopaminergic conditions and 15 age-matched healthy controls (HC) using seed partial least squares correlation (PLSC) analysis. In PD, we correlated levodopa-induced resting-state functional connectivity (rs-FC) changes with the results of acoustic analysis. The second study determined whether the task discriminated between PD and PD-MCI and between AD-MCI and PD-MCI. We evaluated the activation/deactivation patterns during the cognitive task. The third study analyzed specific changes in connectivity of the posterior DMN node associated with visual processing in 17 MCI and 15 AD patients using psychophysiological interaction analysis. The PLCS analysis revealed a significant impact of PD but not of medication on the rs-FC strength in the anterior cingulate cortex (ACC), the orofacial primary sensorimotor cortex (OF_SM1) and the caudate head (CN). In PD, levodopa-induced changes in the CN and OF_SM1 connectivity strengths were related to changes in speech prosody. In the second study both MCI groups performed worse than HC in the unconventional task and showed reduced activation of right ACC and right superior parietal lobule (SPL) (PD-MCI), and right middle/inferior frontal gyri (AD-MCI). fMRI contrast in SPL distinguished PD-MCI from PD with high sensitivity and specificity. In the last article, we observed in HC physiological changes in PCC connectivity in ventral visual stream areas and with PCC/P during the visual task. In MCI, the connectivity changes were remained significant only with the anterior precuneus. We demonstrated the negative effect of L-dopa on hypokinetic dysarthria in PD. The association between treatment-induced changes in speech prosody and changes in rs-FC within the associative striato-prefrontal and motor speech networks was found in PD. In the second article, impaired task performance in PD-MCI and AD-MCI was associated with decreased activation of frontoparietal regions. Aberrant activation of SPL may serve as an early imaging biomarker of incipient PD-MCI. Connectivity change in third study may reflect ineffective ‘‘compensatory’’ mechanism present in the early pre-dementia stages of AD or abnormal modulation of brain connectivity due to the disease pathology. With the disease progression, these changes become more evident but less efficient in terms of compensation.

Keywords

Parkinsonova nemoc, Alzheimerova nemoc, mírná kognitivní porucha, funkční magnetická rezonance (fMRI), funkční konektivita, klidové mozkové sítě, hypokinetická dysartrie, ventrální a dorzální zraková dráha, kontrolní frontoparietální sítě, „default mode“ síť, Parkinson's disease, Alzheimer's disease, mild cognitive impairment, functional magnetic resonance imaging (fMRI), functional connectivity, resting state networks, hypokinetic dysarthria, ventral and dorsal visual pathway, domain-general frontoparietal networks, default mode network.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 12. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 5. 3. 2019
• Supervisor: prof. MUDr. Irena Rektorová, Ph.D.
• Reader: prof. PhDr. Tomáš Urbánek, Ph.D., Mgr. et Mgr. Tomáš Nikolai, Ph.D., doc. MUDr. Stanislav Šutovský, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Medicine

Doctoral programme / field:
Neuroscience (4-years) / Neuroscience