Noninvasive functional and structural exploration of human subcortical structures with high resolution

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada al Max Planck Institute for Human Cognitive and Brain Sciences, Alemanya, entre 2010 i 2012. El principal objectiu d’aquest projecte era estudiar en detall les estructures subcorticals, en concret, el rol dels ganglis basals en control cognitiu durant processament lingüístic i no-lingüístic. Per tal d’assolir una diferenciació minuciosa en els diferents nuclis dels ganglis basals s’utilitzà ressonància magnètica d’ultra-alt camp i alta resolució (7T-MRI). El còrtex prefrontal lateral i els ganglis basals treballant conjuntament per a mitjançar memòria de treball i la regulació “top-down” de la cognició. Aquest circuit regula l’equilibri entre respostes automàtiques i d’alt-ordre cognitiu. Es crearen tres condicions experimentals principals: frases/seqüències noambigües, no-gramatical i ambigües. Les frases/seqüències no-ambigües haurien de provocar una resposta automàtica, mentre les frases/seqüències ambigües i no-gramaticals produïren un conflicte amb la resposta automàtica, i per tant, requeririen una resposta de d’alt-ordre cognitiu. Dins del domini de la resposta de control, la ambigüitat i no-gramaticalitat representen dues dimensions diferents de la resolució de conflicte, mentre per una frase/seqüència temporalment ambigua existeix una interpretació correcte, aquest no és el cas per a les frases/seqüències no-gramaticals. A més, el disseny experimental incloïa una manipulació lingüística i nolingüística, la qual posà a prova la hipòtesi que els efectes són de domini-general; així com una manipulació semàntica i sintàctica que avaluà les diferències entre el processament d’ambigüitat/error “intrínseca” vs. “estructural”. Els resultats del primer experiment (sintax-lingüístic) mostraren un gradient rostroventralcaudodorsal de control cognitiu dins del nucli caudat, això és, les regions més rostrals sostenint els nivells més alts de processament cognitiu

High-dose intravenous immunoglobulin treatment and cerebral vasospasm : a possible mechanism of ischemic encephalopathy?

A 46-year-old woman with a severe polyradiculoneuropathy treated with high-dose intravenous immunoglobulin (IVIg) presented an encephalopathy with increased blood flow velocities of the middle cerebral arteries (MCAs) detected by transcranial Doppler (TCD) studies. The similitude between this observation and another case recently reported of a patient suffering from Guillain-Barré syndrome (GBS) and cerebral blood flow abnormalities after IVIg treatment prompted us to investigate the responsibility of the IVIg therapy in the genesis of these blood flow alterations. We studied therefore by TCD 10 consecutive patients who underwent this treatment for different reasons. In 1 case we observed an asymptomatic, spontaneously reversible increase in the blood flow velocities of the MCAs consistent with a vasospasm and occurring 3-10 days after completion of the therapy. Stroke and ischemic encephalopathy have been reported as possible complications of IVIg treatment. In the case under discussion, clinical events appeared shortly after the administration of the IVIg therapy and responded favorably to a treatment with nimodipine. Other etiopathogenic mechanisms, in particular a CNS vasculopathic process related to the GBS itself, have to be considered as well. Further studies, with a larger number of patients, are therefore needed to evaluate the underlying mechanisms of blood flow abnormalities occurring sometimes in GBS patients after IVIg treatment.

Effect of Dexamethasone on cytolkine secretion in CD4+T cells in steroid refractori uveitis

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la facultat de Medical Sciences de la Universitat de Bristol, Alemanya, entre 2011 i 2012. Aquest treball s'ha realitzat a la facultat de Medical Sciences de la Universitat de Bristol, al laboratori del Prof. Andrew Di cks,o ta la seva supe1visi6. Ei treball s'ha realitzat amb els seus col.laboradors, el Dr Richard Lee i Lauren Schew:tz. Objectiu: Els glucocorticoids (GCs) tenen diversos efectes sobre les cèl.lules T CD4+ per modular la resposta immune principalment mitjançant els seus efectes anti-proliferatius. Tot i això la dexametasona (Dex, glucocorticoid sintètic) també indueix la secreció de la citocina immunosupressora IL-10 . L'objectiu d'aquest treball ha estat comparar la capacitat dels glucocorticoids en modular la producció de citocines en cèl.lules T CD4+ en pacients uveítics sensibles (SS), i resistents (SR) a esteroids. Metodologia: Es van aïllar cèl• lules T CD4+ de pacients uveítics SS i SR. Es va induir la producció de cèl.lules T regulatories (Tregs) i mitjançant I'estimulació amb anti- CD3/CD28 en presència d'lL-2 i Després del cultiu es van analitzar els nivells d’expressió intracel•lular de les citocines IL-10, IL-4, IL-9, IL-17 i IFN-y per citometria de flux. D'altra banda, també es van separar cèl.lules T CD4t de pacients uveïtis segons I'expressió de CCR6 i es van polaritzar per obtenir els fenotips ThO i Th17 per estudiar I'efecte de Dex i ciclosporina (CsA) en aquests subtipus cel.lulars. Resultats: Les cèl.lules T CD4+ de pacients SR no van ser capaces de produir IL-10 en resposta al tractament amb Dex. Dex no va afectar els nivells d'expressió d'11-17, però va reduir els nivells de IL-4 i IFN-V. Els nivells d'lL-9 (marcador d'un subtipus cel.lular recentment descrit, Th9) v ise r sempre inferiors a 11%. En canvi, el traclament a amb CsA va reduir significativament els nivells d'lL-17 i IFN-y en cèl.lules Th17 i ThO. Conclusions: La Dex no és capaç d'induir cèl.lules Treg funcionalment supresores en pacients veiticsS R. Aquest fenòmen és Independent dels efectes en I'expressió d'altres citocines. Aquests resultats suggereixen que I'efecte de la Dex sobre la funció de cél.lules Treg és clau en el desenvolupament del fenotip SR en la uveïtis . D'altra banda, al llarg d'aquest temps he iniciat un nou projecte que ha donat lloc a un futur projecte de col elaboració. Resumidament, degut a que els nivells elevats de proteïna C-reactiva (CRP) són un factor de risc en la degeneració macular, malaltia inflamatòria crònica principal causa de ceguera en països industrialitzats, I'objectiu d'aquest altre treball ha estat iniciar un projecte per avaluar els efectes de les diferents isoformes de la CRP sobre la resposta inflamatòria d’epiteli pigmentari retinià.

Hypoxia and vasculature in models of lung cancer: implications for targeted therapeutics

Estudi realitzat a partir d’una estada a la Stanford University School of Medicine. Division of Radiation Oncology, Estats Units, entre 2010 i 2012. Durant els dos anys de beca postdoctoral he estat treballant en dos projectes diferents. En primer lloc, i com a continuació d'estudis previs del grup, volíem estudiar la causa de les diferències en nivells d'hipòxia que havíem observat en models de càncer de pulmó. La nostra hipòtesi es basava en el fet que aquestes diferències es devien a la funcionalitat de la vasculatura. Vam utilitzar dos models preclínics: un en què els tumors es formaven espontàniament als pulmons i l'altre on nosaltres injectàvem les cèl•lules de manera subcutània. Vam utilitzar tècniques com la ressonància magnètica dinàmica amb agent de contrast (DCE-MRI) i l'assaig de perfusió amb el Hoeschst 33342 i ambdues van demostrar que la funcionalitat de la vasculatura dels tumors espontanis era molt més elevada comparada amb la dels tumors subcutanis. D'aquest estudi, en podem concloure que les diferències en els nivells d'hipòxia en els diferents models tumorals de càncer de pulmó podrien ser deguts a la variació en la formació i funcionalitat de la vasculatura. Per tant, la selecció de models preclínics és essencial, tant pels estudi d'hipòxia i angiogènesi, com per a teràpies adreçades a aquests fenòmens. L'altre projecte que he estat desenvolupant es basa en l'estudi de la radioteràpia i els seus possibles efectes a l’hora de potenciar l'autoregeneració del tumor a partir de les cèl•lules tumorals circulants (CTC). Aquest efecte s'ha descrit en alguns models tumorals preclínics. Per tal de dur a terme els nostres estudis, vam utilitzar una línia tumoral de càncer de mama de ratolí, marcada permanentment amb el gen de Photinus pyralis o sense marcar i vam fer estudis in vitro i in vivo. Ambdós estudis han demostrat que la radiació tumoral promou la invasió cel•lular i l'autoregeneració del tumor per CTC. Aquest descobriment s'ha de considerar dins d'un context de radioteràpia clínica per tal d'aconseguir el millor tractament en pacients amb nivells de CTC elevats.

New Radicals and new applications of Dynamic Nuclear Polarization of biological systems

Dynamic Nuclear Polarization (DNP) is an emerging technique that could revolutionize the NMR study of small molecules at very low concentrations by the increase in sensitivity that results from transfer of polarization between electronic and nuclear spins. Although the underlying physics has been known for a long time, in the last few years there has been a lot of excitement on the chemistry and biology NMR community caused by the demonstration that the highly polarized nuclei that are prepared in solid state at very low temperatures (1-2 K) could be rapidly transferred to liquid samples at room temperature and studied in solution by conventional NMR techniques. In favorable cases several order of magnitude increases in sensitivity have been achieved. The technique is now mature enough that a commercial instrument is available. The efficiency of DNP depends on two crucial aspects: i) the efficiency of the nuclear polarization process and ii) the efficiency of the transfer from the initial solid state to the fluid state in which NMR is measured. The preferred areas of application (iii) will be dictated by situations in which the low concentration of the sample or its intrinsic low receptivity are the limiting factors .

Mapeo cerebral en el paciente despierto en las resecciones de tumoraciones cerebrales supratentoriales. Metodología, eficacia y seguridad de la técnica.

Estudio prospectivo sobre la realización de cirugía cerebral con el paciente despierto para la exéresis de lesiones cerebrales que afectan o se encuentran cerca de áreas elocuentes (área motora, sensitiva, del lenguaje y visual). El trabajo se centra en los grados de resección que se consiguen en esta clase de cirugía, metodología a seguir, tolerancia de los pacientes, evolución de la sintomatología tras la cirugía y complicaciones intra y postoperatorios.

Auditory-visual multisensory interactions in humans: timing, topography, directionality, and sources.

Current models of brain organization include multisensory interactions at early processing stages and within low-level, including primary, cortices. Embracing this model with regard to auditory-visual (AV) interactions in humans remains problematic. Controversy surrounds the application of an additive model to the analysis of event-related potentials (ERPs), and conventional ERP analysis methods have yielded discordant latencies of effects and permitted limited neurophysiologic interpretability. While hemodynamic imaging and transcranial magnetic stimulation studies provide general support for the above model, the precise timing, superadditive/subadditive directionality, topographic stability, and sources remain unresolved. We recorded ERPs in humans to attended, but task-irrelevant stimuli that did not require an overt motor response, thereby circumventing paradigmatic caveats. We applied novel ERP signal analysis methods to provide details concerning the likely bases of AV interactions. First, nonlinear interactions occur at 60-95 ms after stimulus and are the consequence of topographic, rather than pure strength, modulations in the ERP. AV stimuli engage distinct configurations of intracranial generators, rather than simply modulating the amplitude of unisensory responses. Second, source estimations (and statistical analyses thereof) identified primary visual, primary auditory, and posterior superior temporal regions as mediating these effects. Finally, scalar values of current densities in all of these regions exhibited functionally coupled, subadditive nonlinear effects, a pattern increasingly consistent with the mounting evidence in nonhuman primates. In these ways, we demonstrate how neurophysiologic bases of multisensory interactions can be noninvasively identified in humans, allowing for a synthesis across imaging methods on the one hand and species on the other.

Characterization of myocardial deformation in patients with different etiologies of left ventricular hypertrophy by using strain distribution from Magnetic Resonance Imaging

Introducción y objetivos. Se ha señalado que, en la miocardiopatía hipertrófica (MCH), la desorganización de las fibras regionales da lugar a segmentos en los que la deformación es nula o está gravemente reducida, y que estos segmentos tienen una distribución no uniforme en el ventrículo izquierdo (VI). Esto contrasta con lo observado en otros tipos de hipertrofia como en el corazón de atleta o la hipertrofia ventricular izquierda hipertensiva (HVI-HT), en los que puede haber una deformación cardiaca anormal, pero nunca tan reducida como para que se observe ausencia de deformación. Así pues, proponemos el empleo de la distribución de los valores de strain para estudiar la deformación en la MCH. Métodos. Con el empleo de resonancia magnética marcada (tagged), reconstruimos la deformación sistólica del VI de 12 sujetos de control, 10 atletas, 12 pacientes con MCH y 10 pacientes con HVI-HT. La deformación se cuantificó con un algoritmo de registro no rígido y determinando los valores de strain sistólico máximo radial y circunferencial en 16 segmentos del VI. Resultados. Los pacientes con MCH presentaron unos valores medios de strain significativamente inferiores a los de los demás grupos. Sin embargo, aunque la deformación observada en los individuos sanos y en los pacientes con HVI-HT se concentraba alrededor del valor medio, en la MCH coexistían segmentos con contracción normal y segmentos con una deformación nula o significativamente reducida, con lo que se producía una mayor heterogeneidad de los valores de strain. Se observaron también algunos segmentos sin deformación incluso en ausencia de fibrosis o hipertrofia. Conclusiones. La distribución de strain caracteriza los patrones específicos de deformación miocárdica en pacientes con diferentes etiologías de la HVI. Los pacientes con MCH presentaron un valor medio de strain significativamente inferior, así como una mayor heterogeneidad de strain (en comparación con los controles, los atletas y los pacientes con HVI-HT), y tenían regiones sin deformación.

Mutism and Amnesia following High-Voltage Electrical Injury: Psychogenic Symptomatology Triggered by Organic Dysfunction?

Background: Mutism and dense retrograde amnesia are found both in organic and dissociative contexts. Moreover, dissociative symptoms may be modulated by right prefrontal activity. A single case, M.R., developed left hemiparesis, mutism and retrograde amnesia after a high-voltage electric shock without evidence of lasting brain lesions. M.R. suddenly recovered from his mutism following a mild brain trauma 2 years later. Methods: M.R.'s neuropsychological pattern and anatomoclinical correlations were studied through (i) language and memory assessment to characterize his deficits, (ii) functional neuroimaging during a standard language paradigm, and (iii) assessment of frontal and left insular connectivity through diffusion tractography imaging and transcranial magnetic stimulation. A control evaluation was repeated after recovery. Findings: M.R. recovered from the left hemiparesis within 90 days of the accident, which indicated a transient right brain impairment. One year later, neurobehavioral, language and memory evaluations strongly suggested a dissociative component in the mutism and retrograde amnesia. Investigations (including MRI, fMRI, diffusion tensor imaging, EEG and r-TMS) were normal. Twenty-seven months after the electrical injury, M.R. had a very mild head injury which was followed by a rapid recovery of speech. However, the retrograde amnesia persisted. Discussion: This case indicates an interaction of both organic and dissociative mechanisms in order to explain the patient's symptoms. The study also illustrates dissociation in the time course of the two different dissociative symptoms in the same patient.

Extracción de características para la clasificación de estados cognitivos a partir de imágenes FMRI

L’estudi de les funcions cerebrals humanes s’ha incrementat enormement durant els últims anys donada l’aparició de les imatges funcionals de ressonància magnètica (FMRI). Mentre que la tècnica s’ha emprat principalment en la localització de diferents funcions cerebrals, el problema de classificació d’estats cognitius ha estat poc explorat. L’estudi d’aquest problemaés important perquè pot servir com a eina per a detectar i seguir processoscognitius (seqüències d’estats cognitius) amb la finalitat de diagnosticarproblemes en el moment d’executar una tasca complexa.En aquest treball s’investiguen diferents aproximacions per a detectar l’estat cognitiu d’una persona prenent com a base la seva imatge de ressonància magnètica. En particular, s’han investigat varis mecanismes de sel·lecció de característiques així com mètodes d’aprenentatge automàtic pelproblema de la discriminació d’estats cognitius procedents d’estimuls auditius.Es presenten els resultats d’un estudi sobre estímuls musicals.

Effect of age on intraoperative cerebrovascular autoregulation and near-infrared spectroscopy-derived cerebral oxygenation.

Background. Age is an important risk factor for perioperative cerebral complications such as stroke, postoperative cognitive dysfunction, and delirium. We explored the hypothesis that intraoperative cerebrovascular autoregulation is less efficient and brain tissue oxygenation lower in elderly patients, thus, increasing the vulnerability of elderly brains to systemic insults such as hypotension.Methods. We monitored intraoperative cerebral perfusion in 50 patients aged 18-40 and 77 patients >65 yr at two Swiss university hospitals. Mean arterial pressure (MAP) was measured continuously using a plethysmographic method. An index of cerebrovascular autoregulation (Mx) was calculated based on changes in transcranial Doppler flow velocity due to changes in MAP. Cerebral oxygenation was assessed by the tissue oxygenation index (TOI) using near-infrared spectroscopy. End-tidal CO(2), O(2), and sevoflurane concentrations and peripheral oxygen saturation were recorded continuously. Standardized anaesthesia was administered in all patients (thiopental, sevoflurane, fentanyl, atracurium).Results. Autoregulation was less efficient in patients aged >65 yr [by 0.10 (SE 0.04; P=0.020)] in a multivariable linear regression analysis. This difference was not attributable to differences in MAP, end-tidal CO2, or higher doses of sevoflurane. TOI was not significantly associated with age, sevoflurane dose, or Mx but increased with increasing flow velocity [by 0.09 (SE 0.04; P=0.028)] and increasing MAP [by 0.11 (SE 0.05; P=0.043)].Conclusions. Our results do not support the hypothesis that older patients' brains are more vulnerable to systemic insults. The difference of autoregulation between the two groups was small and most likely clinically insignificant.

Repetition-induced plasticity of motor representations of action sounds.

Action-related sounds are known to increase the excitability of motoneurones within the primary motor cortex (M1), but the role of this auditory input remains unclear. We investigated repetition priming-induced plasticity, which is characteristic of semantic representations, in M1 by applying transcranial magnetic stimulation pulses to the hand area. Motor evoked potentials (MEPs) were larger while subjects were listening to sounds related versus unrelated to manual actions. Repeated exposure to the same manual-action-related sound yielded a significant decrease in MEPs when right, hand area was stimulated; no repetition effect was observed for manual-action-unrelated sounds. The shared repetition priming characteristics suggest that auditory input to the right primary motor cortex is part of auditory semantic representations.

Correlació entre resposta radiològica i resposta patològica en pacients amb càncer de mama tractades amb quimioteràpia neoadjuvant.

En pacients amb càncer de mama la ressonància magnètica és superior a altres exploracions per a monitoritzar la resposta a la quimioteràpia neoadjuvant. Analitzem la correlació entre resposta completa radiològica(RCr) valorada amb RM i resposta completa patològica (RCp), globalment i en funció dels diferents immunofenotips. Es tracta d´un estudi clínic, retrospectiu, on s´han inclòs 103 pacients tractades amb quimioteràpia neoadjuvant. Totes les pacients incloses disposaven de RM inicial i de RM post-quimioteràpia. La sensibilitat de la RM per a detectar RCp és d´un 82% i l´especificitat d´un 71%. El valor de sensibilitat més alt, del 100%, s´ha objectivat en els tumors triple negatius. La concordança global entre RCr i RCp és d´un 74%.

Preperceptual and stimulus-selective enhancement of low-level human visual cortex excitability by sounds.

Evidence of multisensory interactions within low-level cortices and at early post-stimulus latencies has prompted a paradigm shift in conceptualizations of sensory organization. However, the mechanisms of these interactions and their link to behavior remain largely unknown. One behaviorally salient stimulus is a rapidly approaching (looming) object, which can indicate potential threats. Based on findings from humans and nonhuman primates suggesting there to be selective multisensory (auditory-visual) integration of looming signals, we tested whether looming sounds would selectively modulate the excitability of visual cortex. We combined transcranial magnetic stimulation (TMS) over the occipital pole and psychophysics for "neurometric" and psychometric assays of changes in low-level visual cortex excitability (i.e., phosphene induction) and perception, respectively. Across three experiments we show that structured looming sounds considerably enhance visual cortex excitability relative to other sound categories and white-noise controls. The time course of this effect showed that modulation of visual cortex excitability started to differ between looming and stationary sounds for sound portions of very short duration (80 ms) that were significantly below (by 35 ms) perceptual discrimination threshold. Visual perceptions are thus rapidly and efficiently boosted by sounds through early, preperceptual and stimulus-selective modulation of neuronal excitability within low-level visual cortex.

Beyond intracranial pressure: optimization of cerebral blood flow, oxygen, and substrate delivery after traumatic brain injury.

Monitoring and management of intracranial pressure (ICP) and cerebral perfusion pressure (CPP) is a standard of care after traumatic brain injury (TBI). However, the pathophysiology of so-called secondary brain injury, i.e., the cascade of potentially deleterious events that occur in the early phase following initial cerebral insult-after TBI, is complex, involving a subtle interplay between cerebral blood flow (CBF), oxygen delivery and utilization, and supply of main cerebral energy substrates (glucose) to the injured brain. Regulation of this interplay depends on the type of injury and may vary individually and over time. In this setting, patient management can be a challenging task, where standard ICP/CPP monitoring may become insufficient to prevent secondary brain injury. Growing clinical evidence demonstrates that so-called multimodal brain monitoring, including brain tissue oxygen (PbtO2), cerebral microdialysis and transcranial Doppler among others, might help to optimize CBF and the delivery of oxygen/energy substrate at the bedside, thereby improving the management of secondary brain injury. Looking beyond ICP and CPP, and applying a multimodal therapeutic approach for the optimization of CBF, oxygen delivery, and brain energy supply may eventually improve overall care of patients with head injury. This review summarizes some of the important pathophysiological determinants of secondary cerebral damage after TBI and discusses novel approaches to optimize CBF and provide adequate oxygen and energy supply to the injured brain using multimodal brain monitoring.