Brain connectivity and cognitive impairment in Parkinson’s disease

Abstract

Parkinson’s disease is a neurodegenerative process with several motor and non-motor manifestations. Among non-motor symptoms, cognitive decline is a major cause of disability, and its neural bases are poorly understood. In recent years, multimodal neuroimaging techniques have proven to be useful tools in the investigation of the bases of cognitive impairment related to neurological diseases. The objective of this thesis was to evaluate the neuroimaging substrates of Parkinson’s disease-related cognitive and neuropsychiatric manifestations through a network approach, using state-of-the art magnetic resonance imaging techniques to assess associated connectivity and structural changes.

In this work, two samples of Parkinson’s disease patients and healthy controls underwent neuropsychological evaluation as well as structural and functional magnetic resonance imaging. One of these samples included 121 Parkinson’s disease patients and 49 healthy controls. The data obtained were used in 2 studies addressing the resting-state functional connectivity changes associated with mild cognitive impairment in Parkinson’s disease; one using a graph-theory approach, and the second assessing large-scale intrinsic connectivity networks through an independent-component analysis/dual regression approach. A third was performed to assess connectivity disruptions in frontostriatal circuits associated with the presence of apathy in Parkinson’s disease. And a fourth study was made assessing cortical thickness changes associated with the presence of mild cognitive impairment in Parkinson’s disease. The second sample included the longitudinal evaluation of 17 Parkinson’s disease patients and 15 healthy controls, and the data obtained resulted in two studies regarding progressive cortical thickness and subcortical volumes in early-stage Parkinson’s disease patients. A seventh study, using subjects from both samples, was performed to evaluate microstructural white matter changes (using diffusion tensor imaging) and gray matter changes (through voxel-based morphometry) related to the presence of facial emotion recognition deficits in Parkinson’s disease.

We have found that a high percentage of Parkinson’s disease patients had mild cognitive impairment. These patients showed altered patterns of resting-state functional connectivity characterized by the loss of long range connections and strengthening of local connectivity. From a graph-theory perspective, these changes translated as increased small-world coefficients, modularity and clustering coefficients, which correlated with visuospatial/visuoperceptual and memory performance. The study of large-scale networks showed that patients with mild cognitive impairment had reduced connectivity between the dorsal attention network and the right frontoinsular region, and that this reduction was associated with attention/executive deficits. Additionally, parieto-occipital regions that belong to the dorsal attention network showed reduced connectivity with anterior task­positive regions and loss of the normal anticorrelated pattern with the default mode network; furthermore, these posterior regions showed structural degeneration. Finally, these posterior structural and functional changes were associated with the presence of visuospatial/visuoperceptual deficits. The analysis of Parkinson’s disease patients with mild cognitive impairment revealed a pattern of cortical thinning predominating in parieto­occipito-temporal regions.

The longitudinal analysis of progressive structural changes in early Parkinson’s disease revealed that these patients had more marked cortical thinning in frontotemporal regions, even before the onset of clinically evident cognitive manifestations. The functional analysis of a recognition memory network likewise showed signs of progressive connectivity changes without overt clinical deterioration. We conclude that different types of cognitive decline in Parkinson’s disease are associated with different patterns of resting-state functional connectivity, structural connectivity and GM structural changes involving distinct neural systems. Different techniques and different conceptual frameworks can provide useful information in the characterization of the neural bases of cognitive deficits associated with Parkinson’s disease.

La malaltia de Parkinson és un procés neurodegeneratiu que té diverses manifestacions motores i no motores. Entre les manifestacions no motores, el deteriorament cognitiu és una causa important i comú de discapacitat; al cap de 20 anys des de l’inici de la malaltia, més de 80% dels pacients desenvolupen demència. Tot i tenir una alta prevalença i representar un factor de pèrdua de qualitat de vida tant pels pacients com per als seus cuidadors, les bases neurals d’aquestes alteracions són poc conegudes. En els últims anys, les tècniques d’imatge multimodals han demostrat ser útils en la investigació de les bases dels dèficits cognitius associats a les malalties neurològiques, i alguns estudis previs han trobat alteracions cerebrals tant estructurals com funcionals en subjectes amb la malaltia de Parkinson. D’altra banda, el concepte de deteriorament cognitiu lleu (DCL), utilitzat per definir la presència d’un rendiment cognitiu inferior al esperat segons l’edat i el nivell educatiu – i un major risc de desenvolupament de demència – s’ha començat a aplicar en el context de la malaltia de Parkinson. A més, en estudis epidemiològics s’ha vist que la presència d’alguns tipus d’alteració cognitiva – concretament, aquells que tenen substrats neurals predominants en regions corticals posteriors, com són dèficits visuoespacials i visuoperceptius – indiquen una major probabilitat de desenvolupar demència. Al contrari, en els dèficits relacionats amb els desequilibris en la neurotransmissió dopaminèrgica (com són els dèficits d’atenció i executius), no s’ha trobat que siguin marcadors de pitjor pronòstic cognitiu.

L’objectiu d’aquesta tesi va ser avaluar els substrats neuroanatòmics i neurofuncionals de les diferents alteracions cognitives i neuropsiquiàtriques relacionades amb la malaltia de Parkinson mitjançant un abordatge de xarxes, tot utilitzant tècniques avançades de ressonància magnètica per estudiar les disfuncions de la connectivitat cerebral.

En aquesta tesi, es van utilitzar dues mostres de pacients amb malaltia de Parkinson i subjectes sans que es van sotmetre a avaluació neuropsicològica i de ressonància magnètica funcional i estructural. La primera d’aquestes mostres va incloure 121 malalts de Parkinson i 49 controls sans. Les dades obtingudes amb aquesta mostra han sigut utilitzades en cinc estudis (estudis 1, 2, 3, 4 i 5), tres dels quals van abordar la connectivitat funcional cerebral en repòs i les alteracions estructurals associats a la presència de DCL. Per definir la presència de DCL, en dos estudis (estudis 1 i 2) s’han avaluat els déficits en tres dominis cognitius (atenció/funcions executives, memòria i funcions visuoespacials/visuoperceptives); en l’altre estudi (estudi 3), s’ha utilitzat un mqtode de classificació d’acord amb les recents directrius proposades per la Movement Disorder Society Task Force, que consideren el rendiment en cinc dominis (atenció/memòria de treball, funcions executives, memòria, llenguatge i funcions visuoespacials/visuoperceptives).

En els estudis 1 i 2, es van avaluar 66 pacients i 36 controls utilitzant tècniques d’avaluació de la connectivitat cerebral en repòs i les alteracions corresponents associats a la presència de DCL. Trenta cinc per cent dels pacients amb malaltia de Parkinson van complir criteris de DCL.

Estudi 1: En aquest estudi, s’ha aplicat un abordatge de teoria de grafs per avaluar les alteracions globals de connectivitat. Per tal de reconstruir les xarxes cerebrals, la substància grisa cortical i subcortical s’ha dividit en 90 regions definides amb l’atles Automated Anatomical Labelling. Posteriorment, s’ha calculat la correlació temporal de l’activitat entre cada parell de regions, obtenint-se així una matriu representativa de la connectivitat funcional de tot el cervell. En un primer pas, s’han comparat directament aquestes matrius de correlació per tal d’avaluar el patró de reducció o augment de connectivitat en els diferents subgrups de pacients. Aquest anàlisi va revelar que els pacients amb DCL tenien reduccions de connectivitat, sobretot afectant les connexions interlobulars de llarga distància, així com alguns augments de connectivitat, sobretot en connexions mps curtes. Posteriorment, s’han utilitzat les matrius de correlació per calcular mesures globals i regionals de teoria de grafs.

Concretament, s’han avaluat paràmetres que mesuren la integració (l’eficiència d’intercanvi d’informació entre distintes àrees cerebrals): el characteristic path length i l’eficiència global;i paràmetres de segregació, que mesuren la interconnectivitat local: el clustering coefficient i l’eficiència local. També s’ha avaluat el grau de modularitat de les xarxes cerebrals, és a dir, quant de bé aquestes xarxes es podien dividir en mòduls o comunitats de nodes densament interconnectats, amb poques connexions entre diferents mòduls. S’ha observat que els pacients amb DCL presentaven augments en les mesures de segregació i de modularitat. Les anàlisis de correlació han revelat que aquestes mesures es correlacionaven amb el rendiment en funcions visuoespacials/visuoperceptives i de memòria. En l’anàlisi de les mesures de centralitat dels nodes – és a dir, la importància que tenen en el tràfic d’informació dins de la xarxa –, s’ha observat que els nodes que solen ser més centrals en subjectes sans (els anomenats hubs cerebrals) perden centralitat en els pacients amb malaltia de Parkinson.

Aquest resultat indica una reorganització d’aquestes xarxes caracteritzat per un augment del flux d’informació neural a travès de nodes que en subjectes sans són menys rellevants.

Aquest estudi es va publicar a la revista Human Brain Mapping a l’any 2014 (Cognitive impairment and resting-state network connectivity in Parkinson’s disease).

Estudi 2: s’ha utilitzat la mateixa mostra que en l’estudi 1. S’ha utilitzat, però, un altre tipus d’anàlisi amb l’objectiu d’estudiar els patrons de connectivitat dins d’un conjunt de xarxes cerebrals que, segons estudis previs, tenen un paper rellevant en els processos cognitius: la default mode network, la xarxa dorsal de l’atenció i la xarxa frontoparietal. Inicialment, s’ha realitzat un anàlisi de components independents amb les dades de ressonància magnètica funcional en repòs per tal d’identificar les xarxes d’interès a nivell grupal. Posteriorment, s’ha utilitzat la tècnica de dual regression per identificar les mateixes xarxes a nivell individual, i que permet comparacions entre els grups. En aquesta anàlisi, s’ha observat que els pacients amb DCL presentaven reduccions de connectivitat entre la xarxa dorsal de l’atenció i l’ínsula anterior i regions adjacents del lòbul frontal dret. En el grup de pacients, el nivell de connectivitat en aquestes regions es correlacionava amb el rendiment en el domini d’atenció/executiu. A més, s’ha vist que els pacients amb DCL presentaven un augment de connectivitat entre extenses àrees parieto-occipitals i la default mode network; aquestes disfuncions de connectivitat també estaven associats a pitjor rendiment cognitiu, però en aquest cas en el domini visuoespacial/visuoperceptiu. Com anàlisi addicional per definir les alteracions locals de connectivitat, es va realitzar una avaluació de les connexions entre els nodes individuals de les xarxes d’interès; per definir aquests nodes, s’han seleccionat a priori les coordenades disponibles en un estudi de referència. Aquesta anàlisi ha demostrat que els augments de connectivitat de regions corticals posteriors amb la default mode network en realitat estaven caracteritzats per una pèrdua del patró normal d’anticorrelació amb aquesta xarxa observat en controls sans. A més, s’ha vist que aquestes mateixes regions tenien menys connectivitat amb les altres xarxes avaluades. Finalment, s’han realitzat anàlisis complementaris per avaluar la presència de degeneració estructural de la substància grisa que pogués estar associada a les alteracions funcionals observades. L’anàlisi del gruix cortical va revelar la presència de reduccions en els pacients amb DCL en regions parieto-occipitals; aquestes reduccions estaven associades a les alteracions de connectivitat de la default mode network i amb el rendiment visuoespacial/visuoperceptiu.

Aquest estudi es va publicar a la revista Human Brain Mapping a l’any 2014 (Functional brain networks and cognitive deficits in Parkinson's disease).

Estudi 5: En el tercer estudi en que es va avaluar la connectivitat funcional en repòs, l’objectiu va ser investigar les alteracions en els circuits fronto-estriats en la malaltia de Parkinson amb apatia – un trastorn neuropsiquiàtric molt freqüent en pacients amb aquesta malaltia. Amb aquesta finalitat, es va utilitzar la mateixa mostra que en els dos primers estudis. Es van classificat els subjectes en apàtics o no-apâtics segons la puntuació en l’escala d’apatia de Starkstein. A més, es va tenir en compte la presència de trastorns depressius, que, a més de tenir una alta prevalença en la malaltia de Parkinson, freqüentment coexisteixen amb l’apatia i tenen manifestacions que s’hi solapen. Així doncs, també es va aplicar l’escala de depressió de Beck; la puntuació en els 11 ítems d’aquesta escala que representen els símptomes disfòrics, més específics de la depressió, es va utilitzar com a covariable en totes les anàlisis. Per a realitzar l’anàlisi de connectivitat funcional, es va parcel·lar l’estriat en 3 regions – límbica, executiva i sensorimotora. Així mateix, es va parcel·lar l’escorça frontal en 4 regions – límbica, executiva, rostral motora i caudal motora. Vint pacients (41%) es van classificar com apâtics (puntuació > 13 en l’escala d’apatia). L’anàlisi de connectivitat va revelar que la presència d’apatia estava acompanyada de reduccions, que principalment afectaven les regions límbiques tant del estriat com de l’escoroa prefrontal. Per tal d’avaluar si aquestes alteracions s’acompanyaven de degeneració de les estructures avaluades, es van realitzar anàlisis addicionals amb voxel-based morphometry de les estructures corticals i subcorticals, a més de volumetria i shape analysis dels nuclis del estriat. No s’han obtingut resultats significatius amb cap d’aquests abordatges. Aquest estudi està actualment en revisió en una revista indexada.

Estudi 3: En aquest estudi, 90 pacients i 32 controls van ser estudiats mitjançant tècniques d’avaluació del gruix cortical. Trenta dos (52%) pacients van complir criteris de DCL. S’ha observat que el grup de pacients amb DCL presentava reduccions del gruix cortical en regions parieto-temporals, així com augment en mesures d’atròfia global tals com reducció del gruix cortical global i del volum de substància grisa, així com augment del volum ventricular. Les anàlisis de correlació van revelar que el rendiment en totes les proves neuropsicològiques estava associat a la pèrdua de gruix cortical posterior.

Aquest estudi es va publicar a la revista Movement Disorders a l’any 2014 (Cortical thinning associated with mild cognitive impairment in Parkinson's disease).

Per a la segona mostra de subjectes, es van reclutar 24 pacients amb malaltia de Parkinson inicial i 24 controls sans, els quals es van estudiar mitjançant ressonància magnètica estructural i funcional així com mitjançant exploració neuropsicològica. Disset pacients i 15 controls van ser avaluats longitudinalment, amb una segona avaluació després d’un seguiment mitjà de 35,5 mesos.

Estudi 6: En el primer estudi fet amb aquesta mostra, es van incloure 17 pacients i 13 controls, i l’objectiu va ser estudiar la xarxa de memòria de reconeixement. Per això es va utilitzar una seqüència de ressonància magnètica funcional amb un paradigma de memòria de reconeixement que consistia en intentar reconèixer les 35 paraules prèviament apreses entre una llista de 70 paraules. Les dades obtingudes van ser avaluades a través de abordatges convencionals o model-based, així com a través de tècniques model-free (anàlisi de components independents). En la primera anàlisi, es va identificar el patró d’activació associat a la tasca. En l’anàlisi de components independents, també es van identificar els components associats a la tasca; les principals regions activades en la component més associada a la tasca es van utilitzar com a regions d’interès en un anàlisi subsegüent de canvis progressius de connectivitat. Es va trobar una correlació entre la activació de la component independent més associada a la tasca i el rendiment de memòria de reconeixement dels pacients. A més, l’avaluació longitudinal va revelar canvis progressius en la connectivitat entre els principals nodes d’aquesta xarxa, caracteritzats per la pèrdua de connectivitat entre regions frontoparietals i la preservació de la connectivitat frontofrontal (que en els controls sans s’havia reduït).

Aquest estudi es va publicar a la revista Journal of Neurology, Neurosurgery and Psychiatry a l’any 2013 (Progressive changes in a recognition memory network in Parkinson's disease).

Estudi 7: En aquest segon estudi fet amb la segona mostra, s’ha volgut analitzar el patró d’atròfia progressiva de la substància grisa en la malaltia de Parkinson inicial i la seva relació amb canvis neuropsicològics. Amb aquesta finalitat, les dades de setze pacients i 15 controls van ser avaluades amb tècniques de gruix cortical, volum de substància grisa a través de voxel-based morphometry i volumetria cortical i subcortical. Es van trobar reduccions progressives del gruix cortical en regions frontotemporals bilaterals. L’avaluació neuropsicològica va revelar que els pacients tenien pitjor rendiment en proves d’atenció i de velocitat psicomotora, però aquestes variables no es correlacionaven amb els canvis corticals.

Aquest estudi es va publicar a la revista Movement Disorders a l’any 2012 (Progression of cortical thinning in early Parkinson's disease). Un últim estudi (estudi 4) es va realitzar amb subjectes de la primera i de la segona mostra. Es va seleccionar una submostra de 39 pacients i 23 controls amb la finalitat d’avaluar les alteracions de les substàncies blanca i grisa associats als dèficits de reconeixement d’emocions facials en la malaltia de Parkinson. Es van utilitzar imatges potenciades en difusió per l’estudi d’alteracions microestructurals de la substància blanca en els tractes llargs que connecten les estructures cerebrals involucrades en el processament emocional, mitjançant tècniques de imatge per tensor de difusió. A més, les imatges estructurals es van avaluar a través de voxel­based morphometry per estudiar les alteracions de volum de la substància grisa en les estructures cerebrals prèviament descrites com rellevants pel processament d’emocions. El rendiment en el reconeixement d’emocions facials es va mesurar mitjançant la prova d’Ekman. Els pacients amb la malaltia de Parkinson van obtenir un rendiment inferior als controls en la identificació de les emocions negatives (tristesa, ràbia, por i fàstic). L’anàlisi de correlacions va revelar que els dèficits d’identificació de tristesa correlacionaven amb els valors d’anisotropia fraccional –un paràmetre de la microestructura de la substància blanca– sobretot en el fascicle fronto-occipital inferior dret. L’anàlisi de substància grisa, per contra, va revelar que la identificació de tristesa correlacionava amb el volum de l’escoroa orbitofrontal dreta, amígdala i gir postcentral; la identificació de ràbia correlacionava amb el volum de substància grisa de l’estriat ventral, escorça infragenual i gir fusiform occipital dret; i la identificació de fàstic correlacionava amb volum de substància grisa en el còrtex cingulat anterior.

Aquest estudi es va publicar a la revista Neuropsychologia a l’any 2012 (Structural correlates of facial emotion recognition deficits in Parkinson's disease patients).

Tots aquests estudis ens permeten concloure que un alt percentatge de pacients amb malaltia de Parkinson tenen alteracions cognitives i compleixen criteris de DCL. L’anàlisi de neuroimatge mitjançant diferents estratègies demostra que la presència de DCL en la malaltia de Parkinson s’acompanya d’alteracions estructurals i funcionals. A més, diferents tipus de dèficit cognitiu es relacionen amb diferents patrons d’alteració. A nivell de connectivitat funcional en repòs, els pacients amb malaltia de Parkinson amb DCL presenten un patró predominant de reducció de connectivitat de llarg abast i augment de la connectivitat local, que es tradueix en un augment del caràcter modular i de segregació de les xarxes cerebrals.

Així mateix, s’observa una reducció de connectivitat de components de xarxes de connectivitat intrínseca rellevants per al processament cognitiu, que es caracteritza per una reducció de connectivitat d’una xarxa involucrada en processos de l’atenció (xarxa dorsal de l’atenció) i la regió insular anterior dreta. Al mateix temps, s’observa una reducció de connectivitat de regions corticals posteriors amb regions cerebrals anteriors, que s’associa a atròfia cortical posterior i a la presència de dèficits en les funcions visuoespacials/visuoperceptives. L’anàlisi de la connectivitat funcional en repòs revela també que la presència d’apatia en la malaltia de Parkinson s’acompanya de reduccions en circuits fronto-estriats, que sobretot afecten els components del sistema de recompensa, és a dir, l’estriat ventral i l’escorça orbitofrontal. Els resultats de l’anàlisi d’alteracions microestructurals de la substància blanca associats al pitjor reconeixement d’emocions facials semblen indicar que els dèficits de connectivitat estructural també estan implicats en l’ocurrència dels dèficits cognitius en la malaltia de Parkinson. Finalment, en pacients amb malaltia de Parkinson inicial, s’han aportat evidències sobre el poder dels mètodes de neuroimatge per a detectar alteracions estructurals (pèrdua de gruix neocortical) i funcional fins i tot abans de l’inici de símptomes cognitius clínicament evidents. En conclusió, els resultats obtinguts en els diferents estudis d’aquesta tesi ens permeten concloure que distintes tècniques i diferents marcs conceptuals poden proporcionar informació útil per a la caracterització de les bases neurals dels dèficits cognitius i emocionals associats a la malaltia de Parkinson.