Redes de conectividad funcional dinámica para el estudio del deterioro cognitivo asociado a la edad

Abstract

[spa] El estudio de la conectividad funcional mediante fMRI ha sido ampliamente estudiado tanto en el envejecimiento cognitivamente sano como en asociación con distintas condiciones patológicas. Aun así, el estudio de la conectividad funcional estática implica suponer que la red de conectividad se mantiene estable durante la longitud del período de registro. Es por ello, que en los últimos años se han desarrollado e implementado un conjunto de métodos destinados a estudiar los patrones de fluctuación dinámica de la red de conectividad funcional, con el objetivo de detectar nuevos indicadores de la actividad cerebral normal y patológica. Esta tesis tiene por objetivo el estudio del comportamiento de las redes de conectividad funcional dinámicas a partir de rs-fMRI, en el envejecimiento sano y en pacientes con deterioro cognitivo leve. En concreto, se pretende estudiar la utilidad de los patrones dinámicos de estas redes para caracterizar grupos de personas cognitivamente sanas en comparación con grupos de personas diagnosticadas de patologías que cursan con deterioro cognitivo. En el primer estudio de esta tesis se pretende caracterizar las fluctuaciones de las redes de conectividad funcional dinámica asociadas a la edad combinando el análisis de redes con el estudio de las correlaciones mediante ventanas móviles. En el segundo estudio, se ha aplicado el algoritmo NCPD, que combina la detección de puntos de cambio en series temporales multivariantes con la detección de comunidades de la red; evitando imponer restricciones a parámetros como la longitud de la ventana, con el objetivo de analizar si las dinámicas de las propiedades topológicas de las redes de conectividad funcional están asociadas a la edad y con las medidas de evaluación neuropsicológica. Finalmente, en el tercer estudio se implementa el algoritmo NCPD para caracterizar las diferencias en los patrones de conectividad funcional dinámica entre personas con envejecimiento sano y personas con deterioro cognitivo leve, así como el impacto de las medidas de evaluación neuropsicológica. En las personas sin afectación cognitiva, no se ha encontrado asociación entre la edad de los participantes y el número de puntos de cambio significativos detectados en las redes de conectividad funcional. Para estos participantes, no se han evidenciado efectos netos de la edad o el estado sobre el strength total de la red, la mediana del strength o la variabilidad intra-participante del strength. Pero se ha observado que el characteristic path length aumentaba con la edad y la progresión de los estados, mientras que la duración de los estados se asociaba a un decremento del transitivity coefficient; ambos efectos quedarían atenuados por el grado de preservación de las funciones cognitivas. En los participantes con diagnóstico de MCI, no se han detectado diferencias estadísticamente significativas en comparación con los participantes cognitivamente sanos en el número de puntos de cambio detectados en las redes de FC. Se ha evidenciado un efecto de interacción entre el grupo y el estado sobre la variabilidad intra-paciente del strength de la red; de modo que, para el grupo MCI, la progresión de estado estaba asociada a mayor variabilidad. Además, un mejor rendimiento en la escala de memoria prospectiva y retrospectiva se ha asociado a redes con una mediana de strength más alta.

[eng] This thesis aims to study the behavior of functional connectivity dynamics in rs-fMRI with healthy aging participants and patients diagnosed with mild cognitive impairment. More specifically, it aims to study the capacity of dynamic patterns in these networks to characterize individuals with cognitive decline compared to cognitively healthy controls. In the first study, the fluctuations of the dynamic functional connectivity networks associated to cognitively healthy aging process are characterized with the combination of sliding-window correlations analysis and network analysis. The Network Change Point Detection algorithm was applied in the second study to analyze the dynamics in the topological properties of the functional connectivity networks in healthy aging individuals, adjusting by the neuropsychological assessment. Finally, the third study implements the NCPD algorithm to characterize the differences in dynamic functional connectivity between healthy aging individuals and people with mild cognitive impairment, adjusted by the neuropsychological assessment scores. No statistically significant association was found between age and the number of significant change points in the functional connectivity networks among cognitively healthy aging participants. For this group, there was not a net effect of age or state on the total strength of the network, the median of the strength or the intra-participant variability of the network strength. However, it was found that the characteristic path length increased with age and the progression of states, while the duration of these states was associated to a decrease in the transitivity coefficient. Both effects were attenuated by the preservation degree of the cognitive functions. In relation to the third study, no statistically significant differences were found between participants with MCI and cognitively healthy individuals in the number of significant change points in the functional connectivity networks. However, an interaction effect of age and state was detected on the intra-participant variability of the network strength. More specifically, the progression of states was associated to higher variability in the MCI group. Additionally, higher performance in the prospective and retrospective memory scale was associated with higher median network strength.