Investigating the long-term stability and neurochemical substrates of TMS and MRS

La stimulation magnétique transcrânienne (SMT) et la spectroscopie par résonance magnétique (SRM) sont des techniques non-invasives permettant de quantifier l’activité GABAergique et glutamatergique du cerveau. La SMT et la SRM ont plusieurs applications en clinique et en recherche. En effet, ces outils peuvent être utilisés afin de déterminer l’efficacité d’un traitement ou la progression d’un processus pathologique. Cependant, malgré leur utilisation croissante dans le domaine médical, une certaine incertitude demeure quant aux substrats neurochimiques de ces techniques et à la stabilité à long terme des données acquises par SMT et SRM. Donc, dans un premier temps, la stabilité à long terme de plusieurs mesures prises par SMT et par SRM a été étudiée. En second lieu, afin de mieux comprendre quelles composantes du système GABAergique sont ciblées par ces deux techniques, des mesures de SRM et de SMT ont été obtenues après l’administration d’une benzodiazépine, le lorazépam, selon un devis expérimental randomisé, croisé, à double-aveugle et contrôlé par placébo. Deux articles composent cette thèse. Le premier article fait état d’une étude longitudinale, auprès d’adultes en santé, ayant pour but de déterminer la stabilité à long terme des concentrations de GABA et de Glx (glutamate + glutamine) obtenues par SRM ainsi que la stabilité des mesures d’inhibition et de facilitation corticale obtenues par SMT (rMT : seuil moteur au repos, %MSO : pourcentage d’intensité maximale du stimulateur, SICI : inhibition intra-corticale courte, LICI : inhibition intra-corticale longue, ICF : facilitation intra-corticale). Il a été démontré que les niveaux de GABA et de Glx sont stables au cours d’une période de trois mois. Alors que les mesures SMT de seuil moteur au repos, d’excitabilité corticale et de période corticale silencieuse sont stables à travers le temps, l’inhibition corticale à court intervalle et à long intervalle ainsi que la facilitation corticale sont beaucoup plus variables. Le deuxième article vise à comprendre la dissociation dans la sensibilité des mesures de SMT et SRM à refléter différentes facettes de l’activité GABAergique du cortex moteur. L’article porte sur une étude dans laquelle du lorazépam a été administré à des participants adultes en santé selon un devis randomisé, croisé, à double-aveugle et contrôlé par placébo. Des données SRM (GABA et Glx; cortex sensorimoteur et occipital) ainsi que des mesures SMT (cortex moteur) ont été obtenues suivant l’administration de lorazépam (ou de placébo). Il a été démontré que la prise de lorazépam réduisait les niveaux de GABA occipitaux, augmentait l’inhibition corticale et réduisait l’excitabilité du cortex moteur. La prise de médicament n’avait pas d’effet sur les autres mesures obtenues. De plus, il a été trouvé que l’effet du traitement sur l’inhibition corticale dépendait des concentrations endogènes de GABA dans le cortex sensorimoteur; une plus grande concentration de GABA étant prédictive d’une plus grande inhibition corticale suivant la prise de lorazépam. Dans leur ensemble, les résultats provenant des deux articles présentés dans cette thèse permettent de conclure que les mesures SRM des divers neurométabolites sont stables à long terme dans le cortex moteur et pourraient potentiellement servir de marqueurs dans l’évaluation de l’efficacité d’un traitement ou de l’évolution de processus pathologiques. Par contre, bien que certaines mesures SMT soient stables à long terme (rMT, %MSO, CSP), d’autres sont beaucoup plus variables (SICI, LICI, ICF); ainsi, la prudence est conseillée dans l’interprétation de ces mesures lors d’études cliniques. De plus, les effets différents que produit la prise de lorazépam sur les mesures SRM et SMT supportent la théorie selon laquelle les deux techniques n’ont pas les mêmes substrats neurochimiques. En effet, alors que les mesures TMS d’inhibition corticale refléteraient l’activité phasique des récepteurs GABAA, le signal SRM de GABA serait majoritairement intracellulaire et ne représenterait pas la neurotransmission GABAergique.Transcranial magnetic stimulation (TMS) and magnetic resonance spectroscopy (MRS) are non-invasive techniques that allow the measurement of GABAergic and glutamatergic activity in the brain. TMS and MRS can be used to assess inhibitory and excitatory mechanisms, treatment response or disease presence and progression in vivo. However, despite their growing use in research and medical settings, ambiguity remains regarding their neurochemical substrates and long-term reproducibility. The goal of the present thesis is twofold. First, the long-term stability and reliability of various MRS and TMS measurements, obtained in the motor cortex, was investigated. Second, to better understand which aspects of the GABAergic network are targeted by the two techniques, TMS and MRS measures reflecting cortical inhibition and excitation were obtained following lorazepam administration using a placebo-controlled, double-blind, randomized, crossover design. Two articles comprise this thesis. The first article is a longitudinal assessment of the stability and reliability of MRS-GABA and Glx (glutamate + glutamine) and TMS measures of cortical inhibition and facilitation in the sensorimotor (SMC) cortex of healthy adults. It was determined that MRS-GABA and MRS-Glx are stable over a three-month interval. TMS measures of resting motor threshold (rMT), cortical excitability (% maximum stimulator output; MSO) and cortical silent period (CSP) were also found to be stable and reliable. However, paired-pulse TMS measures such as short-interval cortical inhibition (SICI), long-interval cortical inhibition (LICI) and intracortical facilitation (ICF) had greater variability. The second article aims to understand the differential sensitivity of TMS and MRS with respect to GABAergic activity in the primary motor cortex. It is based on the results and conclusions of a placebo-controlled, double-blind, randomized, crossover study, where benzodiazepine lorazepam was given to healthy adult volunteers. Magnetic resonance spectroscopy (GABA and Glx) was performed in the sensorimotor cortex and occipital cortex (OC). TMS measurements were acquired in the motor cortex only. MRS and TMS measures of cortical inhibition and excitability (rMT, input/output (I/O) curve, SICI, LICI, ICF, CSP) were obtained following lorazepam or placebo administration. Lorazepam was found to decrease occipital GABA concentration, increase motor cortical inhibition and decrease cortical excitability. Lorazepam administration had no effect on other neurometabolites or TMS measurements. The effect of Lorazepam on short-interval cortical inhibition was found to depend on endogenous GABA levels in the SMC; higher GABA concentrations predicted a greater increase in SICI following drug intake. Taken together, the studies presented in this thesis indicate that MRS neurometabolite levels are stable over time and may thus potentially serve as markers for the monitoring of disease progression and treatment response. However, while some TMS measures have good long-term stability (rMT, %MSO, CSP), others are not as reliable nor stable (SICI, LICI, ICF); care must be taken in clinical settings. Furthermore, the differential effects of lorazepam on MRS and TMS measures support the idea that the two techniques probe different aspects of the GABAergic system. Whereas TMS measures of cortical inhibition reflect phasic GABAA receptor activity, MRS-GABA primarily reflects intracellular, non-neurotransmitter metabolic GABA

tDCS induced GABA change is associated with the simulated electric field in M1, an effect mediated by grey matter volume in the MRS voxel

Background and objective Transcranial direct current stimulation (tDCS) has wide ranging applications in neuro-behavioural and physiological research, and in neurological rehabilitation. However, it is currently limited by substantial inter-subject variability in responses, which may be explained, at least in part, by anatomical differences that lead to variability in the electric field (E-field) induced in the cortex. Here, we tested whether the variability in the E-field in the stimulated cortex during anodal tDCS, estimated using computational simulations, explains the variability in tDCS induced changes in GABA, a neurophysiological marker of stimulation effect. Methods Data from five previously conducted MRS studies were combined. The anode was placed over the left primary motor cortex (M1, 3 studies, N = 24) or right temporal cortex (2 studies, N = 32), with the cathode over the contralateral supraorbital ridge. Single voxel spectroscopy was performed in a 2x2x2cm voxel under the anode in all cases. MRS data were acquired before and either during or after 1 mA tDCS using either a sLASER sequence (7T) or a MEGA-PRESS sequence (3T). sLASER MRS data were analysed using LCModel, and MEGA-PRESS using FID-A and Gannet. E-fields were simulated in a finite element model of the head, based on individual structural MR images, using SimNIBS. Separate linear mixed effects models were run for each E-field variable (mean and 95th percentile; magnitude, and components normal and tangential to grey matter surface, within the MRS voxel). The model included effects of time (pre or post tDCS), E-field, grey matter volume in the MRS voxel, and a 3-way interaction between time, E-field and grey matter volume. Additionally, we ran a permutation analysis using PALM to determine whether E-field anywhere in the brain, not just in the MRS voxel, correlated with GABA change. Results In M1, higher mean E-field magnitude was associated with greater anodal tDCS-induced decreases in GABA (t(24) = 3.24, p = 0.003). Further, the association between mean E-field magnitude and GABA change was moderated by the grey matter volume in the MRS voxel (t(24) = −3.55, p = 0.002). These relationships were consistent across all E-field variables except the mean of the normal component. No significant relationship was found between tDCS-induced GABA decrease and E-field in the temporal voxel. No significant clusters were found in the whole brain analysis. Conclusions Our data suggest that the electric field induced by tDCS within the brain is variable, and is significantly related to anodal tDCS-induced decrease in GABA, a key neurophysiological marker of stimulation. These findings strongly support individualised dosing of tDCS, at least in M1. Further studies examining E-fields in relation to other outcome measures, including behaviour, will help determine the optimal E-fields required for any desired effects

Impact of transcranial direct current stimulation (tDCS) on neuronal functions

Transcranial direct current stimulation (tDCS), a non-invasive brain stimulation technique, modulates neuronal excitability by the application of a small electrical current. The low cost and ease of the technique has driven interest in potential clinical applications. However, outcomes are highly sensitive to stimulation parameters, leading to difficulty maximizing the technique's effectiveness. Although reversing the polarity of stimulation often causes opposite effects, this is not always the case. Effective clinical application will require an understanding of how tDCS works; how it modulates a neuron; how it affects the local network; and how it alters inter-network signaling. We have summarized what is known regarding the mechanisms of tDCS from sub-cellular processing to circuit level communication with a particular focus on what can be learned from the polarity specificity of the effects

CA1-projecting subiculum neurons facilitate object-place learning.

Recent anatomical evidence suggests a functionally significant back-projection pathway from the subiculum to the CA1. Here we show that the afferent circuitry of CA1-projecting subicular neurons is biased by inputs from CA1 inhibitory neurons and the visual cortex, but lacks input from the entorhinal cortex. Efferents of the CA1-projecting subiculum neurons also target the perirhinal cortex, an area strongly implicated in object-place learning. We identify a critical role for CA1-projecting subicular neurons in object-location learning and memory, and show that this projection modulates place-specific activity of CA1 neurons and their responses to displaced objects. Together, these experiments reveal a novel pathway by which cortical inputs, particularly those from the visual cortex, reach the hippocampal output region CA1. Our findings also implicate this circuitry in the formation of complex spatial representations and learning of object-place associations

Coordinated Activity of Ventral Tegmental Neurons Adapts to Appetitive and Aversive Learning

Our understanding of how value-related information is encoded in the ventral tegmental area (VTA) is based mainly on the responses of individual putative dopamine neurons. In contrast to cortical areas, the nature of coordinated interactions between groups of VTA neurons during motivated behavior is largely unknown. These interactions can strongly affect information processing, highlighting the importance of investigating network level activity. We recorded the activity of multiple single units and local field potentials (LFP) in the VTA during a task in which rats learned to associate novel stimuli with different outcomes. We found that coordinated activity of VTA units with either putative dopamine or GABA waveforms was influenced differently by rewarding versus aversive outcomes. Specifically, after learning, stimuli paired with a rewarding outcome increased the correlation in activity levels between unit pairs whereas stimuli paired with an aversive outcome decreased the correlation. Paired single unit responses also became more redundant after learning. These response patterns flexibly tracked the reversal of contingencies, suggesting that learning is associated with changing correlations and enhanced functional connectivity between VTA neurons. Analysis of LFP recorded simultaneously with unit activity showed an increase in the power of theta oscillations when stimuli predicted reward but not an aversive outcome. With learning, a higher proportion of putative GABA units were phase locked to the theta oscillations than putative dopamine units. These patterns also adapted when task contingencies were changed. Taken together, these data demonstrate that VTA neurons organize flexibly as functional networks to support appetitive and aversive learning

EFFECTS OF NEUROMODULATION ON NEUROVASCULAR COUPLING

The communication between neurons within neural circuits relies on neurotransmitters (glutamate, γ-aminobutyric acid (GABA)) and neuromodulators (acetylcholine, dopamine, serotonin, etc.). However, despite sharing similar molecular elements, neurotransmitters and neuromodulators are distinct classes of molecules and mediate different aspects of neural activity and metabolism. Neurotransmitters on one hand are responsible for synaptic signal transmission (classical transmission) while neuromodulators exert their functions by mediating different postsynaptic events that result in changes to the balance between excitation and inhibition. Neuromodulation, while essential to nervous system function, has been significantly more difficult to study than neurotransmission. This is principally due to the fact that effects elicited by neuromodulators are usually of slow onset, long lasting, and are not simply excitation or inhibition. In contrast to the effects of neurotransmitters, neuromodulators enable neurons to be more flexible in their ability to encode different sorts of information (e.g. sensory information) on a variety of time scales. However, it is important to appreciate that one of the challenges in the study of neuromodulation is to understand the extent to which neuromodulators’ actions are coordinated at all levels of brain function. That is, from the cellular and metabolic level to network and cognitive control. Therefore, understanding the molecules that mediate brain networks interactions is essential to understanding the brain dynamic, and also helps to put the cellular and molecular processes in perspective. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is a technique that allows access to various cellular and metabolic aspects of network communication that are difficult to access when studying one neuron at the time. Its non-invasiveness nature allows the comparison of data and hypotheses of the primate brain to that of the human brain. Hence, understanding the effects of neuromodulation on local microcircuits is needed. Furthermore, given the massive projections of the neuromodulatory diffuse ascending systems, fMRI combined with pharmacological and neurophysiological methods may provide true insight into their organization and dynamics. However, little is known about how to interpret the effects of neuromodulation in fMRI and neurophysiological data, for instance, how to disentangle blood oxygenation level dependent (BOLD) signal changes relating to cognitive changes (presumably neuromodulatory influences) from stimulus-driven or perceptual effects. The purpose of this dissertation is to understand the causal relationship between neural activity and hemodynamic responses under the influence of neuromodulation. To this end we present the results of six studies. In the first study, we aimed to establish a mass-spectrometry-based technique to uncover the distribution of different metabolites, neurotransmitters and neuromodulators in the macaque brain. We simultaneously measured the concentrations of these biomolecules in brain and in blood. In a second study, we developed a multimodal approach consisting of fMRI (BOLD and cerebral blood flow or CBF), electrophysiological recording with a laminar probe and pharmacology to assess the effects of neuromodulation on neurovascular coupling. We developed a pharmacological injection delivery system using pressure-operated pumps to reliably apply drugs either systemically or intracortically in the NMR scanner. In our third study, we systemically injected lactate and pyruvate to explore whether the plasma concentration of either of these metabolites affects the BOLD responses. This is important given that both metabolites are in a metabolic equilibrium; if this equilibrium is disrupted, changes in the NAD and NADH concentrations would elicit changes in the CBF. In a fourth study, we explored the influence of dopaminergic (DAergic) neuromodulation in the BOLD, CBF and neurophysiological activity. Here we found that DAergic neuromodulation dissociated the BOLD responses from the underlying neural activity. Interestingly, the changes in the neural activity were tightly coupled to the effects seen in the CBF responses. In a subsequent study, we explored whether the effects of dopamine (DA) on the electrophysiological responses are cortical layer dependent and whether specific patterns of neural activity can be used to infer the effects of neuromodulation on the neural activity. This is important, given that different types of neural activity provide independent information about the amplitude and dynamics from BOLD responses, and studies have shown that these bands originate from different cortical layers. What this study revealed, is that local field potentials (LFPs) in the midrange frequencies can indeed provide indications about the sustained effects of neuromodulation on cortical sensory processing. Given the results from the previous study, in our sixth study, we aimed at understanding how different cortical layers may process incoming and outgoing information in the different LFP bands. These findings provide evidence that neuromodulation has profound effects on neurovascular coupling. By changing the excitation-inhibition balance of neural circuits, neuromodulators not only mediate the neural activity, but also adjust the metabolic demands. Therefore, understanding how the different types of neuromodulators affect the BOLD response is essential for an effective interpretation of fMRI-data, not only in tasks involving attentional and reward-related processes, but also for future diagnostic use of fMRI, since many psychiatric disorders are the result of alterations in neuromodulatory systems.Die Kommunikation zwischen den Neuronen innerhalb neuronalen Schaltkreise beruht auf Neurotransmitter (Glutamat, γ-Aminobuttersäure (GABA)) und Neuromodulatoren (Acetylcholin, Dopamin, Serotonin, etc.). Neurotransmitter und Neuromodulatoren sind jedoch unterschiedliche Klassen von Molekülen und verschiedenen Aspekte der neuronalen Aktivität und den Stoffwechsel vermitteln. Neurotransmitters sind einerseits verantwortlich für die synaptische Signalübertragung (klassische Übertragung), während ihre Funktionen ausüben, Neuromodulatoren durch verschiedene postsynaptischen Ereignisse zu vermitteln, die in Änderungen an der Balance zwischen Erregung und Hemmung führen. Neuromodulation , während wesentlich Funktion des Nervensystems hat sich als Neurotransmission wesentlich schwieriger gewesen, zu studieren. Dies ist hauptsächlich auf die Tatsache zurückzuführen, die durch Neuromodulatoren sind in der Regel von langsamen Beginn, langlebig, und sind nicht einfach Anregung oder Hemmung ausgelöst beeinflusst. Im Gegensatz zu den Wirkungen von Neurotransmittern, Neuromodulatoren ermöglichen Neuronen flexibler zu sein in ihrer Fähigkeit, verschiedene Arten von Informationen (beispielsweise sensorische Informationen) auf einer Vielzahl von Zeitskalen zu kodieren. Im Gegensatz zu den Wirkungen von Neurotransmittern, Neuromodulatoren ermöglichen Neuronen flexibler zu sein in ihrer Fähigkeit, verschiedene Arten von Informationen (beispielsweise sensorische Informationen) auf einer Vielzahl von Zeitskalen zu kodieren. Im Gegensatz zu den Wirkungen von Neurotransmittern, Neuromodulatoren ermöglichen Neuronen flexibler zu sein in ihrer Fähigkeit, verschiedene Arten von Informationen (beispielsweise sensorische Informationen) auf einer Vielzahl von Zeitskalen zu kodieren. Jedoch ist es wichtig, dass eine der Herausforderungen bei der Untersuchung von Neuromodulations zu schätzen ist, das Ausmaß, in dem Neuromodulatoren Aktionen koordiniert sind auf allen Ebenen der Gehirnfunktion zu verstehen. Das heißt, von der zellulären und metabolischen Ebene zu vernetzen und kognitive Kontrolle. Daher die Moleküle zu verstehen, die Gehirn Netzwerke Interaktionen vermitteln ist wesentlich für das Verständnis des Gehirns dynamisch, und hilft auch, die zellulären und molekularen Prozesse in Perspektive zu setzen. Funktionellen Kernspintomographie (fMRI) ist eine Technik, die Zugang zu verschiedenen zellulären und metabolischen Aspekte der Netzwerk-Kommunikation ermöglicht, die schwer zugänglich sind, wenn zu der Zeit eines Neurons zu studieren. Seine nicht-Invasivität Natur ermöglicht den Vergleich von Daten und Hypothesen des Primatengehirn zu der des menschlichen Gehirns. Somit wurde das Verständnis der Auswirkungen der Neuromodulation auf lokale Mikro benötigt. Darüber hinaus sind die massiven Projektionen der neuromodulatorischen diffuse Aufstiegsanlagen gegeben, kombiniert fMRI mit pharmakologischen und neurophysiologischen Methoden wahren Einblick in ihre Organisation und Dynamik liefern. Allerdings ist nur wenig darüber bekannt, wie die Auswirkungen der Neuromodulations in fMRI und neurophysiologische Daten zu interpretieren, zum Beispiel, wie Blutoxydation pegelabhängig (BOLD) Signaländerungen in Bezug auf kognitive Veränderungen (vermutlich neuromodulatorischen Einflüsse) von Stimulus-driven oder Wahrnehmungseffekte zu entwirren. Der Zweck dieser Arbeit ist es, die kausale Beziehung zwischen neuronaler Aktivität und hämodynamischen Reaktionen unter dem Einfluss der Neuromodulations zu verstehen. Zu diesem Zweck stellen wir die Ergebnisse von sechs Studien. In der ersten Studie wollten wir eine auf Massenspektrometrie basierende Technik einzurichten, um die Verteilung von verschiedenen Metaboliten, Neurotransmittern und Neuromodulatoren in Makakengehirn aufzudeckenWir maßen gleichzeitig die Konzentrationen dieser Biomoleküle im Gehirn und im Blut. In einer zweiten Studie entwickelten wir einen multimodalen Ansatz, bestehend aus fMRI (BOLD und zerebralen Blutflusses oder CBF), elektrophysiologische Aufzeichnung mit einer laminaren Sonde und Pharmakologie, die Auswirkungen der Neuromodulation auf neurovaskulären Kopplung zu beurteilen. Wir entwickelten eine pharmakologische Injektionsverabreichungssystem druckbetriebenen Pumpen mit zuverlässiger Medikamente gelten entweder systemisch oder intrakortikale im NMR-Scanner. In unserer dritten Studie injizierten wir systemisch Laktat und Pyruvat zu untersuchen, ob die Plasmakonzentration von entweder dieser Metaboliten die BOLD-Antworten beeinflusst. Dies ist wichtig, dass beide gegeben Metaboliten in einem Stoffwechselgleichgewicht sind; wenn dieses Gleichgewicht gestört ist, Veränderungen in den NAD und NADH-Konzentrationen würden Veränderungen in der CBF entlocken. In einer vierten Studie untersuchten wir den Einfluss von dopaminergen (DA-erge) -Neuromodulation im BOLD, CBF und neurophysiologische Aktivität. Hier fanden wir, dass DAerge -Neuromodulation die BOLD-Antworten von der zugrunde liegenden neuronalen Aktivität distanzierte. Interessanterweise waren verbunden, um die Veränderungen in der neuronalen Aktivität eng auf die in den CBF Reaktionen gesehen Wirkungen. In einer nachfolgenden Studie untersuchten wir, ob die Wirkungen von Dopamin (DA) auf die elektrophysiologischen Reaktionen sind Rindenschicht abhängig, und ob bestimmte Muster der neuronalen Aktivität verwendet werden kann, die Wirkungen von Neuromodulations auf die neurale Aktivität zu schließen. Dies ist wichtig, da verschiedene Arten von neuralen Aktivität liefern unabhängige Informationen über die Amplitude und die Dynamik von BOLD-Antworten, und Studien haben gezeigt, dass diese Bands aus verschiedenen kortikalen Schichten stammen. Was diese Studie ergab, dass lokale Feldpotentiale (LFP) in den mittleren Frequenzen in der Tat Hinweise über die nachhaltige Wirkung der Neuromodulation auf die kortikale sensorische Verarbeitung zur Verfügung stellen kann. In Anbetracht der Ergebnisse der früheren Studie, in unserer sechsten Studie wollten wir auf das Verständnis, wie die verschiedenen kortikalen Schichten verarbeiten kann ein- und ausgehenden Informationen in den verschiedenen LFP-Bands. Diese Ergebnisse belegen, dass -Neuromodulation profunde Auswirkungen auf die neurovaskulären Kopplung hat. Durch die Veränderung der Erregungs Hemmung Gleichgewicht neuronaler Schaltkreise vermitteln Neuromodulatoren nicht nur die neurale Aktivität, sondern auch die metabolischen Anforderungen anzupassen. Daher verstehen, wie die verschiedenen Arten von Neuromodulatoren beeinflussen die BOLD-Antwort für eine effektive Interpretation von fMRI-Daten notwendig ist, nicht nur in Aufgaben attentional und Belohnung bezogenen Prozessen mit, sondern auch für zukünftige diagnostische Verwendung von fMRI, da viele psychiatrische Störungen sind das Ergebnis von Veränderungen in neuromodulatorischen Systemen.La comunicación de las neuronas en los circuitos neuronales depende de los neurotransmisores (glutamato, acido γ-amino-butírico o GABA) y los neuromoduladores (acetilcolina, dopamina, serotonina, etc.). Sin embargo, tanto neurotransmisores como neuromoduladores son diferentes clases de moléculas y median diferentes aspectos de la actividad neuronal y del metabolismo, a pesar de compartir elementos moleculares muy similares. Los neurotransmisores, por una lado, son responsables de la transmisión sináptica de la información mientras que los neuromoduladores median diferentes eventos pos-sinápticos que resultan en cambios en el balance de la excitación e inhibición. La influencia de la neuromodulación es esencial para la función del sistema nerviosos, sin embargo es más difícil de estudiar que neurotransmisión. Esto se debe a que los efectos de los neuromoduladores suelen ser de un inicio lento, de larga duración, y no reflejan excitación o inhibición. En contraste a los efectos de los neurotransmisores, los neuromoduladores permiten que las neuronas sean más flexibles en su habilidad de codificar diferentes tipos de información (por ejemplo, información sensorial) en varias escalas temporales. Sin embargo, es importante darse cuenta que uno de objetivos primordiales en el estudio de neuromodulación es el de entender el grado en que la acción de los neuromoduladores está coordinada a todos los niveles de la función cerebral. Es decir, desde los aspectos celulares y metabólicos hasta los niveles de redes neuronales y control cognitivo. Por lo tanto, comprender los forma en la que diferentes moléculas median la interacción entre redes neuronal es esencial para el entendimiento de la dinámica cerebral, y también nos ayudara a comprender los procesos celulares y moleculares asociados a la percepción. La resonancia magnética funcional (fMRI, por sus siglas en inglés) es una técnica que permite acceder a varios aspectos celulares y metabólicos de la comunicación entre redes neuronales que suele ser de difícil acceso. Al mismo tiempo y debido que la fMRI es de naturaleza no invasiva, también permite comparar resultados e hipótesis entre humanos y primates. Por lo tanto, entender los efectos de la neuromodulación en la actividad de los circuitos neuronales es de alta relevancia. Dado que las proyecciones anatómicas de los sistemas de neuromoduladores, el uso de fMRI en combinación con farmacología y neurofisiología puede incrementar nuestro conocimiento sobre la estructura y dinámica de los sistemas de neuromoduladores. Sin embargo, poco se sabe sobre cómo interpretar los efectos de neuromodulation usando fMRI y neurofisiología, por ejemplo, como diferenciar los cambios en la señal BOLD que están relacionados a diferentes estados cognitivos (presumiblemente reflejando la influencia de neuromodulation). El propósito de esta disertación es la de comprender la relación causal que existe entre la actividad neural y la respuesta hemodinámica bajo la influencia de neuromodulación. Para tal fin presentamos los resultados de seis estudios que fueron producto de esta disertacion. En el primer estudio, desarrollamos una técnica basada en espectrometría de masa para detectar y medir la concentración de diferente metabolitos, neurotransmisores y neuromoduladores en el cerebro de primates. Dicha cuantificación se desarrollo simultáneamente tanto in sangre y cerebro. En un segundo estudio, utilizamos varias técnicas de fMRI (BOLD y flujo cerebral sanguíneo, CBF por sus siglas en ingles), registros electrofisiológicos con electrodos laminares y farmacología para acceder a los efectos de neuromodulation en el acople neurovascular. Para este fin, desarrollamos un sistema de inyecciones, basada en cambios de presión, para aplicar substancias sistémicamente o intracorticalmente dentro de un escáner de resonancia magnética. En nuestro tercer estudio, comparamos los efectos de lactato y piruvato para explorar como el desequilibrio metabólico de estas dos substancias afecta la respuesta BOLD. Esto es de gran importancia ya que ambas substancias metabólicas usualmente están en equilibrio. Sin embargo, cuando dicho equilibrio es interrumpido, los procesos metabólicos que acontecen en la mitocondria afectan las concentraciones de NAD y NADH causado cambios en el CBF. En un cuarto estudio, exploramos los efectos de las modulación dopaminergica (DAergic) en las señales BOLD, CBF y en la actividad neuronal. Encontramos que la modulación DAergic disocia las respuesta BOLD de la respuesta neuronal. Interesalmente, los cambios que observamos en la actividad de las neuronas estaba altamente acoplados a los efectos que observamos en la señal de CBF. En un estudio subsecuente, exploramos si los efectos de dopamina en la actividad neuronal es diferentes en las distintas capas de la corteza cerebral. Al mismo tiempo y ya que los neuromoduladores afectan la actividad de circuitos neuronales, exploramos si dichos efectos pueden usados como marcadores de la influencia de la neuromodulación . Esto es importante, ya que diferentes tipos de actividad neuronal brinda información sobre la amplitud y dinámica de la repuesta BOLD, y estudies han demostrado que estas bandas se originan de diferentes capas cortical. Este estudio revelo, que los potenciales de capo (LFPs, por sus siglas en ingles) en frecuencias intermedias puede ser indicativos sobre los efectos de neuromodulation en el procesamiento cortical. Dado los resultados en el estudio previo, en un sexto estudio, nos enfocamos a entender que tan diferentes las capas de la corteza procesan información entrante y saliente en diferentes frecuencias de los LFPs. Estos descubrimientos demuestran que los efectos de los neuromoduladores tiene una fuerte influencia en el acople neurovascular. Los neuromoduladores cambian el balance de excitación e inhibición de los circuitos neuronal, pero también median las demandas metabólicas. De esta manera, entender cómo interpretar los efectos de los neuromoduladores en la respuesta BOLD es esencial para una interpretación veraz y efectiva de los datos generados con fMRI. Estos resultados, no solo nos permiten comprender los procesos que están relacionados a la atención o de varios procesos cognitivos, sino que a su vez, nos permite comprender la señal de fMRI para su futuro uso en la medicina diagnostica, ya que muchas enfermedades psiquiátricas están asociadas a trastornos en el sistemas neuromoduladores