Neuroimaging correlates of cognitive functioning in cerebrovascular disease

Abstract

Cerebrovascular diseases (CD) are the third most common cause of death and the leading cause of disability in adults in developed countries (Carmichael, 2012; World Health Organization, 2004). Specifically, ischemic stroke and white matter lesions (WML) often result in multiple neurological, cognitive impairment and behavioral and emotional disorders (Gorelick et al., 2011; Troncoso et al., 2008). Strokes are responsible for damage in the core of the ischemic lesion but may also cause alterations in remote areas from the primary ischemic lesion. The thalamus is a key structure in the cortico-subcortical circuits (Alexander et al., 1986; Byne et al., 2009) and is involved in multiple cognitive functions (Herrero et al., 2002; Sherman, 2005) especially in functions executive, one of the most affected cognitive domains after suffering a stroke. Although it is known that the cortico- subcortical circuits are involved in cognitive functions, to date their neuroimage correlates are unknown. The overall objective of this thesis was to study the effects of a disruption in the cortico-subcortical circuits, due to a direct or remote damage, in executive functions. For the study of remote thalamic abnormalities we use the technique of diffusion tensor image (DTI) for both ischemic stroke and WML. Moreover, due to attention and cognitive inhibition are one of the most important functions of executive domain, we studied the relationship between a specific white matter (WM) tract -called Front aslant Tract (FAT)- and these functions. The study results showed that remote thalamic microstructural abnormalities secondary to a cerebrovascular lesion can occur in both ipsilateral and contralateral thalamus, in healthy subjects with WML and in patients with cerebral ischemic stroke. These thalamic abnormalities may be related to a disruption in the cortico-subcortical circuits associated with executive dysfunction. In addition, the right FAT is involved in attention and response inhibition functions in community-dwelling subjects and participants with ischemic stroke. In conclusion, the results obtained in this thesis suggest that stroke can affect the cortico-subcortical circuits through thalamic microstructural abnormalities and these could be related to cognitive dysfunction. Finally, the novel technique of DTI can play an important role in understanding the cognitive functioning in both ischemic stroke and WML.

Los accidentes cerebrovasculares (ACV) son la tercera causa más común de muerte y la causa principal de discapacidad en adultos en los países desarrollados (Carmichael, 2012; Organización Mundial de la Salud, 2004). Concretamente, el ictus isquémico y las lesiones de sustancia blanca (LSB) frecuentemente dan lugar a múltiples secuelas neurológicas, deterioro cognitivo y alteraciones conductuales y emocionales (Gorelick et al., 2011; Troncoso et al., 2008). Los ACV son responsables de daño en la zona primaria de la lesión isquémica pero también pueden producir alteraciones en áreas remotas a ésta. El tálamo es una estructura clave en los circuitos cortico-subcorticales (Alexander et al., 1986; Byne et al., 2009) y está involucrado en múltiples funciones cognitivas (Herrero et al., 2002; Sherman, 2005) especialmente en las funciones ejecutivas, uno de los dominios cognitivos más afectados después de sufrir un ACV. Aunque se sabe que los circuitos cortico-subcorticales están implicados en las funciones cognitivas, hasta la fecha sus correlatos de neuroimagen se desconocen. El objetivo general de esta tesis ha sido estudiar los efectos de una interrupción en los circuitos cortico-subcorticales debido a una lesión directa o remota en las funciones ejecutivas. Para el estudio de las anomalías talámicas remotas usamos la técnica de la Imagen por Tensor de Difusión (ITD), tanto para el ictus isquémico como para las LSB. Además, dado que la atención y la inhibición cognitiva son una de las funciones más importantes de las funciones ejecutivas, estudiamos la relación entre un tracto de sustancia blanca (SB) -llamado Frontal Aslant Tract (FAT)- y estas funciones. Los resultados de los estudios mostraron que anomalías secundarias microestructurales talámicas remotas a la lesión cerebrovascular pueden ocurrir tanto en el tálamo ipsilateral como en el tálamo contralateral, en sujetos sanos con LSB y en pacientes con un ictus cerebral isquémico. Estas anomalías talámicas pueden estar relacionadas con una disrupción en los circuitos cortico-subcorticales asociado con disfunción ejecutiva. Además, en sujetos de la comunidad y con un ictus isquémico, el FAT derecho está implicado en atención e inhibición de respuesta. En conclusión, los resultados obtenidos en la presente tesis doctoral sugieren que los ACV puede afectar los circuitos cortico-subcortical a través de anomalías microstructurales talámicas y éstas podrían estar relacionadas con la disfunción cognitiva. Finalmente, la novedosa técnica de la ITD puede tener un papel relevante en el conocimiento del funcionamiento cognitivo tanto en el ictus isquémico como en las LSB.