Tracing functional brain architecture: a combined FMRI-DTI approach

Abstract

Current views in cognitive neuroscience assume that many high level cognitive functions, such as learning, language, or memory are anatomically widely distributed across the whole brain, interacting and overlapping with different large-scale functional systems. These functional specific brain networks are believed to be implemented in the brain by the segregation of different brain regions, that is, groups of neurons or cortical columns with common functional properties. It is the integration of these distal segregated regions, which might define the different cognitive processes. Moreover, these regions are also connected by the presence of specific neural pathways, which permits the information flow between areas. The lack of an anatomical support of these networks makes a direct functional connection biologically impossible. Indeed, unique afferent and efferent connections might define the connectivity patterns used to convey information to other cortical and subcortical regions. In this framework, it is the integration of the distributed neural network, linked anatomically and functionally in a precise way, which largely may define the brain's function. <br/><br/> More concretely, by combining functional MRI and diffusion tensor imaging (DTI) information, this dissertation aims to examine possible functional and micro-structural interactions in the human brain in order to reach a better understanding of the organization and dynamics of the distributed neural systems that subserve neural functions and human behaviour.<br/><br/>This dissertation should not be considered as a treatise on functional and structural integration but rather as a launching point in order to begin to understand human functional and structural brain connectivity.<br/><br/>KEY WORDS: Diffusion Tensor imaging (DTI); functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI); functional connectivity; micro-structure; neuroimaging; reward processing

<I>Les tendències actuals en ciència cognitiva donen suport a la idea que la majoria de les funcions cognitives d'alt nivell, com ara l'aprenentatge, el llenguatge o la memòria estan sostingudes per circuits funcionals que estan distribuïts i interactuen entre si en el cervell humà. Es creu que aquestes xarxes cerebrals podrien estar segregades en unitats funcionals caracteritzables tant per la seva localització com per les seves interaccions amb diferents poblacions neuronals. La integració d' aquestes unitats funcionals a través de feixos específics de substància blanca modularien el flux d'informació dins la xarxa neuronal, donant lloc al processament de les diferents funcions cognitives. En aquest marc, la dinàmica i l'arquitectura cerebral funcional són essencials per l'estudi dels processos cognitius. <br/><br/>L'objectiu d'aquesta tesi és explorar possibles interaccions entre funció i micro-estructura fent ús de la tècnica de ressonància magnètica, concretament, combinant imatges de ressonància magnètica funcional i del tensor de difusió. Així, es pretén aprofundir en la comprensió de l'organització i la dinàmica dels diferents sistemes neurals que suporten les funcions cognitives i per tant el comportament humà.<br/>Aquesta tesi no s'ha d'entendre com un tractat d'integració funcional i estructural sinó com un punt de partida en l'estudi de la connectivitat funcional i estructural a partir de tècniques de ressonància magnètica.</I>

RESUMEN:<br/><br/>Las tendencias actuales en ciencia cognitiva dan soporte a la idea que la mayoría de las funciones cognitivas de alto nivel, como por ejemplo el aprendizaje, el lenguaje o la memoria, se sostienen a través de circuitos funcionales que están distribuidos e interactúan en el cerebro humano. Se cree que estas redes neuronales podrían estar segregadas en unidades funcionales que se caracterizarían tanto por su localización como por sus interacciones con diferentes poblaciones neuronales. La integración de estas unidades funcionales a través de haces específicos de sustancia blanca modularían el flujo de información en la red neuronal, dando lugar al procesamiento de diferentes funciones cognitivas. Es en este marco donde la arquitectura cerebral y su dinámica son claves en el estudio de los procesos cognitivos.<br/><br/>El objetivo de esta tesis doctoral es investigar posibles interacciones entre función y microstructura utilizando la técnica de resonancia magnética, concretamente combinando imágenes de resonancia magnética funcional así como del tensor de difusión. Se pretende profundizar en la compresión y la organización de la dinámica de los diferentes sistemas neuronales que soportan diferentes funciones cognitivas y por tanto el cerebro humano.<br/><br/>Esta tesis no se ha de considerar como un tratado de integración funcional y estructural sino como el punto de partida en el estudio de la conectividad funcional y estructural a partir del uso de técnicas de resonancia magnética.<br/><br/>PALABRAS CLAVE: Tensor de difusión, Resonancia Magnética funcional (RMf), conectividad funcional, microestructura, neuroimagen, procesamiento de la recompensa.