Advances of high-order interactions in the human brain: Applications in aging and neurodegeneration.

82 p.The human brain generates a large repertoire of spatio-temporal patterns, which supporta wide variety of motor, cognitive, and behavioral functions. The most acceptedhypothesis in modern neuroscience is that each of these representations is encoded indifferent brain networks. From MRI, networks can be defined anatomically (¿structuralconnectivity¿-SC) or functionally (¿functional connectivity¿-FC). Interestingly, while SCis by definition pairwise (white matter fibers project from one region to another), FC isnot. In this thesis we have focused on the study of high-order interactions (HOI) that occur in functional networks, beyond the existing statistical relationships in pairs of regions.When evaluating the interacting n-plets, from triplets to order n, a novel type of statistical interdependencies appear, namely the synergistic and redundant interactions,which are inaccessible when evaluating interacting pairs. The study of these HOI inthe human brain in aging and neurodegeneration is the purpose of this thesis.Biocruces Bizkai

Dynamical and individualised approach of transcranial ultrasound neuromodulation effects in non-human primates

Low-frequency transcranial ultrasound stimulation (TUS) allows to alter brain functioning with a high spatial resolution and to reach deep targets. However, the time-course of TUS effects remains largely unknown. We applied TUS on three brain targets for three different monkeys: the anterior medial prefrontal cortex, the supplementary motor area and the perigenual anterior cingulate cortex. For each, one resting-state fMRI was acquired between 30 and 150 min after TUS as well as one without stimulation (control). We captured seed-based brain connectivity changes dynamically and on an individual basis. We also assessed between individuals and between targets homogeneity and brain features that predicted TUS changes. We found that TUS prompts heterogenous functional connectivity alterations yet retain certain consistent changes; we identified 6 time-courses of changes including transient and long duration alterations; with a notable degree of accuracy we found that brain alterations could partially be predicted. Altogether, our results highlight that TUS induces heterogeneous functional connectivity alterations. On a more technical point, we also emphasize the need to consider brain changes over-time rather than just observed during a snapshot; to consider inter-individual variability since changes could be highly different from one individual to another

Descripcion del desplazamiento del centro de presion en un individuo ataxico al realizar el lanzamiento de un balon en posicion bipeda sobre una plataforma posturografica estatica

78 p.Los trastornos el equilibrio han sido poco estudiados en la literatura, en niños con ataxia los estudios son más escasos. La posturografía es una herramienta de mucha utilidad para medir el equilibrio en dichos niños. El presente estudio tiene como objetivo describir el desplazamiento del COP en un individuo atáxico al lanzar un balón sobre una plataforma posturográfica estática. El individuo fue una niña de 9 años. Una primera fase de evaluación consistió en posturografías estáticas manteniendo la posición bípeda tranquila; durante la segunda, el individuo lanzaba hacia delante un balón de dos kilos, en la etapa de vista al frente. Los datos fueron analizados y extraídos de la plataforma por un computador independiente a través de un software (IGOR PRO versión 5.0) obteniéndose los desplazamientos en los ejes antero – posterior y medio – lateral, valores de áreas y velocidades medias. El análisis de datos se realizó a través de un programa estadístico, validado, denominado SPSS (Statistical package for the social sciences). Se compararon las etapas de vista al frente y ojos cerrados. Estadísticos descriptivos fueron calculados para los valores de velocidad y área media. Las diferencias significativas se estimaron con un 95% de confianza, a través de una prueba t de diferencia de medias. Los desplazamientos fueron analizados gracias a medidas de dispersión. Los resultados arrojaron que los valores de velocidad en vista al frente fueron significativamente mayores que en ojos cerrados al lanzar el balón, el área en vista al frente fue mayor al lanzar el balón. Los peak de desplazamiento en ambas etapas al lanzar el balón fueron hacia posterior, en el eje medio – lateral predominaron a la izquierda. En conclusión, las características de los desplazamientos del COP, en un individuo con ataxia, son similares a los individuos sanos, dado que, dependen de los sistemas sensoriales para mantener la postura; cuando se les priva de la información visual, los parámetros de velocidad media aumentan y es el sistema vestibular el que permite esta función. Los estudios de caso son una herramienta útil en la investigación de ataxia

High-order functional redundancy in ageing explained via alterations in the connectome in a whole-brain model.

Funder: Ad Astra Chandaria FoundationFunder: IkerbasqueFunder: Ministerio Economia, Industria y CompetitividadThe human brain generates a rich repertoire of spatio-temporal activity patterns, which support a wide variety of motor and cognitive functions. These patterns of activity change with age in a multi-factorial manner. One of these factors is the variations in the brain's connectomics that occurs along the lifespan. However, the precise relationship between high-order functional interactions and connnectomics, as well as their variations with age are largely unknown, in part due to the absence of mechanistic models that can efficiently map brain connnectomics to functional connectivity in aging. To investigate this issue, we have built a neurobiologically-realistic whole-brain computational model using both anatomical and functional MRI data from 161 participants ranging from 10 to 80 years old. We show that the differences in high-order functional interactions between age groups can be largely explained by variations in the connectome. Based on this finding, we propose a simple neurodegeneration model that is representative of normal physiological aging. As such, when applied to connectomes of young participant it reproduces the age-variations that occur in the high-order structure of the functional data. Overall, these results begin to disentangle the mechanisms by which structural changes in the connectome lead to functional differences in the ageing brain. Our model can also serve as a starting point for modeling more complex forms of pathological ageing or cognitive deficits

A taxonomy of neuroscientific strategies based on interaction orders

In recent decades, neuroscience has advanced with increasingly sophisticated strategies for recording and analyzing brain activity, enabling detailed investigations into the roles of functional units, such as individual neurons, brain regions, and their interactions. Recently, new strategies for the investigation of cognitive functions regard the study of higher-order interactionsthat is, the interactions involving more than two brain regions or neurons. While methods focusing on individual units and their interactions at various levels offer valuable and often complementary insights, each approach comes with its own set of limitations. In this context, a conceptual map to categorize and locate diverse strategies could be crucial to orient researchers and guide future research directions. To this end, we define the spectrum of orders of interaction, namely a framework that categorizes the interactions among neurons or brain regions based on the number of elements involved in these interactions. We use a simulation of a toy model and a few case studies to demonstrate the utility and the challenges of the exploration of the spectrum. We conclude by proposing future research directions aimed at enhancing our understanding of brain function and cognition through a more nuanced methodological framework

High-order interdependencies in the aging brain

Background: Brain interdependencies can be studied from either a structural/anatomical perspective ("structural connectivity") or by considering statistical interdependencies ("functional connectivity" [FC]). Interestingly, while structural connectivity is by definition pairwise (white-matter fibers project from one region to another), FC is not. However, most FC analyses only focus on pairwise statistics and they neglect higher order interactions. A promising tool to study high-order interdependencies is the recently proposed O-Information, which can quantify the intrinsic statistical synergy and the redundancy in groups of three or more interacting variables. Methods: We analyzed functional magnetic resonance imaging (fMRI) data obtained at rest from 164 healthy subjects with ages ranging in 10 to 80 years and used O-Information to investigate how high-order statistical interdependencies are affected by age. Results: Older participants (from 60 to 80 years old) exhibited a higher predominance of redundant dependencies compared with younger participants, an effect that seems to be pervasive as it is evident for all orders of interaction. In addition, while there is strong heterogeneity across brain regions, we found a "redundancy core" constituted by the prefrontal and motor cortices in which redundancy was evident at all the interaction orders studied. Discussion: High-order interdependencies in fMRI data reveal a dominant redundancy in functions such as working memory, executive, and motor functions. Our methodology can be used for a broad range of applications, and the corresponding code is freely available. Impact statement Past research has showcased multiple changes to the brain's structural and functional properties caused by aging. Here we expand prior work through recent advancements in multivariate information theory, which provide richer and more theoretically principled analyses than existing alternatives. We show that the brains of older participants contain more redundant information at multiple spatial scales-that is, activation in different brain regions is less diverse, compared with younger participants-and identify a "redundancy core" constituted by prefrontal and motor cortices, which might explained impaired performance in the old population in functions such as working memory and executive control

Equidad en salud

•Acceso a diagnóstico y tratamiento para depresión según posición social en países seleccionados de Latinoamérica •Análisis narrativo de experiencias de chilenos exiliados políticos con discapacidad física en Malmö, Suecia •Caracterización y comparación de puérperas peruanas y chilenas atendidas en el Hospital San José •Conocimientos y prácticas de estudiantes de 7º y 8º básico, de ambos sexos, de Curacaví •Desarrollo económico y mortalidad prematura, Chile, 1994-2003 •Determinación nacional del Índice Significante de Caries (SIC) en adolescentes de 12 años, Chile 2010 •Diagnóstico de salud bucal en niños 2 y 4 años asistentes a la educación preescolar, zonas norte y centro •El GES promueve la equidad en el tratamiento del gran quemado de la tercera edad •Evaluación del nivel de conocimiento en salud bucal de la comunidad educativa preescolar •Factores psicosociales y culturales que inciden en embarazo adolescente en niñas menores de 15 años •Índice Significante de Caries en niños de 6 años, Chile 2010 •La mortalidad por cáncer del cuello uterino en Río de Janeiro: Estudio ecológico •Nivel de desarrollo psicomotor y su relación con el score de riesgo DSM •Perfil en interconsultas dermatológicas del consultorio Padre Esteban Gumucio Vives de Santiago de Chile, 2010 •Prevalencia caries, pérdida de dientes, necesidad de tratamiento en adultos mapuche - huilliches de Isla Huapi •Recursos humanos odontológicos para tratamiento de caries en adolescentes de 12 años, Chile 2010 •Retraso del diagnóstico de tuberculosis en la percepción de los representantes de ONG en Río de Janeiro •Rol de la escuela en promoción de salud y reducción de vulnerabilidad social en salud •Tendencia de las tasas de mortalidad fetal e infantil y sus componentes, Chile 1996- 2006 •Implementación de un mamógrafo móvil para la Región de los Río

Equidad en salud

•Acceso a diagnóstico y tratamiento para depresión según posición social en países seleccionados de Latinoamérica •Análisis narrativo de experiencias de chilenos exiliados políticos con discapacidad física en Malmö, Suecia •Caracterización y comparación de puérperas peruanas y chilenas atendidas en el Hospital San José •Conocimientos y prácticas de estudiantes de 7º y 8º básico, de ambos sexos, de Curacaví •Desarrollo económico y mortalidad prematura, Chile, 1994-2003 •Determinación nacional del Índice Significante de Caries (SIC) en adolescentes de 12 años, Chile 2010 •Diagnóstico de salud bucal en niños 2 y 4 años asistentes a la educación preescolar, zonas norte y centro •El GES promueve la equidad en el tratamiento del gran quemado de la tercera edad •Evaluación del nivel de conocimiento en salud bucal de la comunidad educativa preescolar •Factores psicosociales y culturales que inciden en embarazo adolescente en niñas menores de 15 años •Índice Significante de Caries en niños de 6 años, Chile 2010 •La mortalidad por cáncer del cuello uterino en Río de Janeiro: Estudio ecológico •Nivel de desarrollo psicomotor y su relación con el score de riesgo DSM •Perfil en interconsultas dermatológicas del consultorio Padre Esteban Gumucio Vives de Santiago de Chile, 2010 •Prevalencia caries, pérdida de dientes, necesidad de tratamiento en adultos mapuche - huilliches de Isla Huapi •Recursos humanos odontológicos para tratamiento de caries en adolescentes de 12 años, Chile 2010 •Retraso del diagnóstico de tuberculosis en la percepción de los representantes de ONG en Río de Janeiro •Rol de la escuela en promoción de salud y reducción de vulnerabilidad social en salud •Tendencia de las tasas de mortalidad fetal e infantil y sus componentes, Chile 1996- 2006 •Implementación de un mamógrafo móvil para la Región de los Río