Procedural pain and brain development in premature newborns

Objective: Preterm infants are exposed to multiple painful procedures in the neonatal intensive care unit (NICU) during a period of rapid brain development. Our aim was to examine relationships between procedural pain in the NICU and early brain development in very preterm infants.

Methods: Infants born very preterm (N ¼ 86; 24–32 weeks gestational age) were followed prospectively from birth, and studied with magnetic resonance imaging, 3-dimensional magnetic resonance spectroscopic imaging, and diffusion tensor imaging: scan 1 early in life (median, 32.1 weeks) and scan 2 at term-equivalent age (median, 40 weeks). We calculated N-acetylaspartate to choline ratios (NAA/choline), lactate to choline ratios, average diffusivity, and white matter fractional anisotropy (FA) from up to 7 white and 4 subcortical gray matter regions of interest. Procedural pain was quantified as the number of skin-breaking events from birth to term or scan 2. Data were
analyzed using generalized estimating equation modeling adjusting for clinical confounders such as illness severity, morphine exposure, brain injury, and surgery.

Results: After comprehensively adjusting for multiple clinical factors, greater neonatal procedural pain was associated with reduced white matter FA (b ¼ 0.0002, p ¼ 0.028) and reduced subcortical gray matter NAA/choline (b ¼ 0.0006, p ¼ 0.004). Reduced FA was predicted by early pain (before scan 1), whereas lower NAA/choline was predicted by pain exposure throughout the neonatal course, suggesting a primary and early effect on subcortical structures with secondary white matter changes.

Interpretation: Early procedural pain in very preterm infants may contribute to impaired brain development.

Utilidade dos exames de ressonância magnética no diagnóstico da doença de Parkinson : revisão sistemática e meta análise

Tese de mestrado, Neurociências, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2014

The 16p11.2 locus modulates brain structures common to autism, schizophrenia and obesity

Anatomical structures and mechanisms linking genes to neuropsychiatric disorders are not deciphered. Reciprocal copy number variants at the 16p11.2 BP4-BP5 locus offer a unique opportunity to study the intermediate phenotypes in carriers at high risk for autism spectrum disorder (ASD) or schizophrenia (SZ). We investigated the variation in brain anatomy in 16p11.2 deletion and duplication carriers. Beyond gene dosage effects on global brain metrics, we show that the number of genomic copies negatively correlated to the gray matter volume and white matter tissue properties in cortico-subcortical regions implicated in reward, language and social cognition. Despite the near absence of ASD or SZ diagnoses in our 16p11.2 cohort, the pattern of brain anatomy changes in carriers spatially overlaps with the well-established structural abnormalities in ASD and SZ. Using measures of peripheral mRNA levels, we confirm our genomic copy number findings. This combined molecular, neuroimaging and clinical approach, applied to larger datasets, will help interpret the relative contributions of genes to neuropsychiatric conditions by measuring their effect on local brain anatomy.Molecular Psychiatry advance online publication, 25 November 2014; doi:10.1038/mp.2014.145.

Identifying the neural correlates of executive functions in early cerebral microangiopathy: a combined VBM and DTI study.

Cerebral microangiopathy (CMA) has been associated with executive dysfunction and fronto-parietal neural network disruption. Advances in magnetic resonance imaging allow more detailed analyses of gray (e.g., voxel-based morphometry-VBM) and white matter (e.g., diffusion tensor imaging-DTI) than traditional visual rating scales. The current study investigated patients with early CMA and healthy control subjects with all three approaches. Neuropsychological assessment focused on executive functions, the cognitive domain most discussed in CMA. The DTI and age-related white matter changes rating scales revealed convergent results showing widespread white matter changes in early CMA. Correlations were found in frontal and parietal areas exclusively with speeded, but not with speed-corrected executive measures. The VBM analyses showed reduced gray matter in frontal areas. All three approaches confirmed the hypothesized fronto-parietal network disruption in early CMA. Innovative methods (DTI) converged with results from conventional methods (visual rating) while allowing greater spatial and tissue accuracy. They are thus valid additions to the analysis of neural correlates of cognitive dysfunction. We found a clear distinction between speeded and nonspeeded executive measures in relationship to imaging parameters. Cognitive slowing is related to disease severity in early CMA and therefore important for early diagnostics.

Les mécanismes endogènes de modulation de la douleur et leur dysfonction dans le syndrome de l'intestin irritable

La douleur est une expérience subjective multidimensionnelle accompagnée de réponses physiologiques. Ces dernières sont régulées par des processus cérébraux qui jouent un rôle important dans la modulation spinale et cérébrale de la douleur. Cependant, les mécanismes de cette régulation sont encore mal définis et il est essentiel de bien les comprendre pour mieux traiter la douleur. Les quatre études de cette thèse avaient donc comme objectif de préciser les mécanismes endogènes de modulation de la douleur par la contreirritation (inhibition de la douleur par une autre douleur) et d’investiguer la dysfonction de ces mécanismes chez des femmes souffrant du syndrome de l’intestin irritable (Sii). Dans un premier temps, un modèle expérimental a été développé pour mesurer l’activité cérébrale en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle concurremment à l’enregistrement du réflexe nociceptif de flexion (RIII : index de nociception spinale) et des réponses de conductance électrodermale (SCR : index d’activation sympathique) évoqués par des stimulations électriques douloureuses. La première étude indique que les différences individuelles d’activité cérébrale évoquée par les stimulations électriques dans les cortex orbitofrontal (OFC) et cingulaire sont associées aux différences individuelles de sensibilité à la douleur, de réactivité motrice (RIII) et de réactivité autonomique (SCR) chez des sujets sains. La deuxième étude montre que l’analgésie par contreirritation produite chez des sujets sains est accompagnée de l’inhibition de l’amygdale par OFC et d’une modulation du réflexe RIII par la substance grise périaqueducale (PAG) et le cortex somesthésique primaire (SI). Dans les troisième et quatrième études, il est montré que la contreirritation ne produit pas d’inhibition significative de la douleur et du réflexe RIII chez les patientes Sii en comparaison aux contrôles. De plus, les résultats indiquent que la sévérité des symptômes psychologiques est associée au déficit de modulation de la douleur et à une hypersensibilité diffuse chez les patientes Sii. Dans l’ensemble, cette thèse précise le rôle de certaines structures cérébrales dans les multiples composantes de la douleur et dans l’analgésie par contreirritation et montre que les patientes Sii présentent une dysfonction des mécanismes spinaux et cérébraux impliqués dans la perception et la modulation de la douleur.

Évaluation objective de la douleur chronique secondaire à l’arthrose chez le chat

La prévalence de l’arthrose féline augmente fortement avec l’âge atteignant plus de 80% des chats de plus de 11 ans. L'arthrose induit une douleur chronique s’exprimant par des changements de comportements et une diminution de la mobilité. Il n'existe aucun outil validé pour évaluer la douleur chronique associée à l’arthrose chez le chat. Conséquemment, aucun traitement ciblant cette douleur n’a pu être validé. Notre hypothèse de recherche est que la douleur arthrosique chez le chat induit des handicaps fonctionnels, des changements neurophysiologiques et un état d'hypersensibilité qu'il faut évaluer pour quantifier de manière fiable cette douleur et ses répercussions sur la qualité de vie de l'animal. Nos objectifs étaient 1) de développer des outils adaptés aux chats mesurant les handicaps fonctionnels grâce à des outils cinématiques, cinétiques et de suivi de l'activité motrice ; 2) de caractériser les changements fonctionnels et neurophysiologiques secondaires à la douleur arthrosique et de tester avec ces outils un traitement analgésique à base d'anti-inflammatoire non stéroïdien ; 3) de développer une technique adaptée aux chats pouvant caractériser la présence du phénomène de sensibilisation centrale à l'aide d'une évaluation de la sommation temporelle mécanique ; 4) de tester la possibilité de mesurer le métabolisme glucidique cérébral par tomographie d’émission par positrons comme marqueur des changements supraspinaux secondaires à la chronicisation de la douleur. Grâce au développement d’outils de mesure de douleur chronique objectifs, sensibles et répétables nous avons caractérisé la douleur chez les chats arthrosiques. Ils présentent des signes de boiterie quantifiée par une diminution de l’amplitude de l’articulation ou par une diminution de la force verticale d’appui au sol et une diminution de l’activité motrice quotidienne. Ces deux derniers outils ont permis de démontrer qu’un anti-inflammatoire non stéroïdien (le méloxicam) administré pendant quatre semaines réduit la douleur arthrosique. De plus, grâce au développement de tests sensoriels quantitatifs et à l'utilisation d'imagerie cérébrale fonctionnelle, nous avons démontré pour la première fois que la douleur arthrosique conduisait à des modifications du système nerveux central chez le chat. Particulièrement, les chats arthrosiques développent le phénomène de sensibilisation centrale mis en évidence par un seuil de retrait aux filament de von Frey diminué (mesure réflexe) mais aussi par une facilitation de la sommation temporelle mécanique (mesure tenant compte de la composante cognitive et émotionnelle de la douleur). L'augmentation du métabolisme cérébral dans le cortex somatosensoriel secondaire, le thalamus et la substance grise périaqueducale, souligne aussi l'importance des changements liés à la chronicisation de la douleur. Un traitement analgésique adapté à l’arthrose permettra d’améliorer la qualité de vie des chats atteints, offrira une option thérapeutique valide aux praticiens vétérinaires, et profitera aux propriétaires qui retrouveront un chat actif et sociable. La découverte de l'implication du phénomène de sensibilisation central combiné à l'investigation des changements cérébraux secondaires à la douleur chronique associée à l'arthrose par imagerie fonctionnelle ouvre de nouvelles avenues de recherche chez le chat (développement et/ou validation de traitements adaptés à l'état d'hypersensibilité) et les humains (potentiel modèle naturel de douleur chronique associée à l'arthrose).

Longitudinal assessment of neural activity in Parkinson’s disease with mild cognitive impairment using task based fMRI

La maladie de Parkinson (PD) a été uniquement considérée pour ses endommagements sur les circuits moteurs dans le cerveau. Il est maintenant considéré comme un trouble multisystèmique, avec aspects multiples non moteurs y compris les dommages intérêts pour les circuits cognitifs. La présence d’un trouble léger de la cognition (TCL) de PD a été liée avec des changements structurels de la matière grise, matière blanche ainsi que des changements fonctionnels du cerveau. En particulier, une activité significativement réduite a été observée dans la boucle corticostriatale ‘cognitive’ chez des patients atteints de PD-TCL vs. PD non-TCL en utilisant IRMf. On sait peu de cours de ces modèles fonctionnels au fil du temps. Dans cette étude, nous présentons un suivi longitudinal de 24 patients de PD non démente qui a subi une enquête neuropsychologique, et ont été séparés en deux groupes - avec et sans TCL (TCL n = 11, non-TCL n = 13) en fonction du niveau 2 des recommandations de la Movement Disrders Society pour le diagnostic de PD-TCL. Ensuite, chaque participant a subi une IRMf en effectuant la tâche de Wisconsin pendant deux sessions, 19 mois d'intervalle. Nos résultats longitudinaux montrent qu'au cours de la planification de période de la tâche, les patients PD non-TCL engageant les ressources normales du cortex mais ils ont activé en plus les zones corticales qui sont liés à la prise de décision tel que cortex médial préfrontal (PFC), lobe pariétal et le PFC supérieure, tandis que les PD-TCL ont échoué pour engager ces zones en temps 2. Le striatum n'était pas engagé pour les deux groupes en temps 1 et pour le groupe TCL en temps 2. En outre, les structures médiales du lobe temporal étaient au fil du temps sous recrutés pour TCL et Non-TCL et étaient positivement corrélés avec les scores de MoCA. Le cortex pariétal, PFC antérieur, PFC supérieure et putamen postérieur étaient négativement corrélés avec les scores de MoCA en fil du temps. Ces résultats révèlent une altération fonctionnelle pour l’axe ganglial-thalamo-corticale au début de PD, ainsi que des niveaux différents de participation corticale pendant une déficience cognitive. Cette différence de recrutement corticale des ressources pourrait refléter longitudinalement des circuits déficients distincts de trouble cognitive légère dans PD.

Early-onset and late-onset Alzheimer’s disease are associated with distinct patterns of memory impairment

The goal of this study was to investigate the specific patterns of memory breakdown in patients suffering from early-onset Alzheimer’s disease (EOAD) and late-onset Alzheimer’s disease (LOAD). Twenty EOAD patients, twenty LOAD patients, twenty matched younger controls, and twenty matched older controls participated in this study. All participants underwent a detailed neuropsychological assessment, an MRI scan, an FDG-PET scan, and AD patients had biomarkers as supporting evidence of both amyloïdopathy and neuronal injury. Results of the neuropsychological assessment showed that both EOAD and LOAD groups were impaired in the domains of memory, executive functions, language, praxis, and visuoconstructional abilities, when compared to their respective control groups. EOAD and LOAD groups, however, showed distinct patterns of memory impairment. Even though both groups were similarly affected on measures of episodic, short term and working memory, in contrast semantic memory was significantly more impaired in LOAD than in EOAD patients. The EOAD group was not more affected than the LOAD group in any memory domain. EOAD patients, however, showed significantly poorer performance in other cognitive domains including executive functions and visuoconstructional abilities. A more detailed analysis of the pattern of semantic memory performance among patient groups revealed that the LOAD was more profoundly impaired, in tasks of both spontaneous recall and semantic recognition. Voxel-Based Morphometry (VBM) analyses showed that impaired semantic performance in patients was associated with reduced gray matter volume in the anterior temporal lobe region, while PET-FDG analyses revealed that poorer semantic performance was associated with greater hypometabolism in the left temporoparietal region, both areas reflecting key regions of the semantic network. Results of this study indicate that EOAD and LOAD patients present with distinct patterns of memory impairment, and that a genuine semantic impairment may represent one of the clinical hallmarks of LOAD.

Parámetros cuantitativos de la resonancia magnética cerebral en esclerosis múltiple y su correlación con la discapacidad

A pesar del amplio uso de la resonancia magnética en la esclerosis múltiple no se ha logrado una adecuada correlación clínico-imagenológica en esta enfermedad. Objetivo: Determinar la correlación del volumen normalizado de sustancia gris y del volumen de lesiones hipointensas en T1 obtenidos a partir de la resonancia magnética cerebral con la escala de discapacidad extendida en pacientes con diagnóstico de esclerosis múltiple. Materiales y métodos: Estudio retrospectivo en pacientes con diagnóstico de esclerosis múltiple de la Fundación Cardioinfantil. Se obtuvieron los resultados de la escala de discapacidad expandida así como análisis cuantitativo de las imágenes correspondientes de resonancia magnética por medio de la herramienta SIENA. Se cuantificaron el volumen del parénquima cerebral, sustancia gris, sustancia blanca y volumen de lesiones hipointensas en T1. Posteriormente, se relacionaron estos resultados con la escala de discapacidad extendida de Kurtzke previamente obtenida. Para el análisis estadístico se emplearon el test correlación de Spearman y t de Student y Hotelling. Resultados: Se incluyeron 58 pacientes, encontrándose correlaciones estadísticamente significativas entre la escala de discapacidad extendida y volumen de parénquima cerebral, volumen de sustancia gris y volumen de lesiones hipointensas en T1; de 0.384, 0.386 y 0.39. No se encontró una relación entre el volumen de sustancia blanca y la escala de discapacidad. Conclusiones: Existe una correlación clínico-imagenológica moderada en la esclerosis múltiple. La cuantificación de los parámetros propuestos en este estudio podría ser utilizada como herramienta en el seguimiento de la enfermedad y monitorización de nuevos tratamientos.

Type 2 diabetes; elderly; cognitive deficit; cognitive flexibility; executive functions Resumen

Through meditation, people become aware of what happens in the body and mind, accepting the present experiences as they are and getting a better understanding of the true nature of things. Meditation practices and its inclusion as an intervention technique, have generated great interest in identifying the brain mechanisms through which these practices operate. Different studies suggest that the practice of meditation is associated with the use of different neural networks as well as changes in brain structure and function, represented in higher concentration of gray matter structures at the hippocampus, the right anterior insula, orbital frontal cortex (OFC) and greater involvement of the anterior cingulate cortex (ACC). These and other unrelated studies, shows the multiple implications of the regular practice of mindfulness in the structures and functions of the brain and its relation to certain observable and subjective states in people who practice it. Such evidence enabling the inclusion of mindfulness in psychological therapy where multiple applications have been developed to prove its effectiveness in treating affective and emotional problems, crisis management, social skills, verbal creativity, addiction and craving management, family and caregivers stress of dementia patients and others. However, neuropsychological rehabilitation has no formal proposals for intervention from these findings. The aim of this paper is to propose use of Mindfulness in neuropsychological rehabilitation process, taking the positions and theory of A.R. Luria.

Eficacia y seguridad de la melatonina para el manejo de los trastornos del sueño en el autismo: meta-análisis

INTRODUCCIÓN: El 80% de los niños y adolescentes con trastornos del espectro autista (TEA) presenta algún trastorno del sueño, en cuya génesis al parecer intervienen alteraciones en la regulación de la melatonina. El objetivo de este metaanálisis fue determinar la eficacia y seguridad de la melatonina para el manejo de ciertos trastornos del sueño en niños con TEA. MÉTODOS: Tres revisores extrajeron los datos relevantes de los ensayos clínicos aleatorizados doble ciego de alta calidad publicados en bases de datos primarias, de ensayos clínicos, de revisiones sistemáticas y de literatura gris; además se realizó búsqueda en bola de nieve. Se analizaron los datos con RevMan 5.3. Se realizó un análisis del inverso de la varianza por un modelo de efectos aleatorios para las diferencias de medias de los desenlaces propuestos: duración del tiempo total, latencia de sueño y número de despertares nocturnos. Se evaluó la heterogeneidad interestudios con el parámetro I2 RESULTADOS: La búsqueda inicial arrojó 355 resultados, de los cuales tres cumplieron los criterios de selección. La melatonina resultó ser un medicamento seguro y eficaz para aumentar la duración total del sueño y disminuir la latencia de sueño en niños y adolescentes con TEA; hasta el momento la evidencia sobre el número de despertares nocturnos no es estadísticamente significativa. DISCUSIÓN: A la luz de la evidencia disponible, la melatonina es una elección segura y eficaz para el manejo de ciertos problemas del sueño en niños y adolescentes con TEA. Es necesario realizar estudios con mayores tamaños muestrales y comparados con otros medicamentos disponibles en el mercado.

Individual differences in the effects of perceived controllability on pain perception: critical role of the prefrontal cortex

The degree to which perceived controllability alters the way a stressor is experienced varies greatly among individuals. We used functional magnetic resonance imaging to examine the neural activation associated with individual differences in the impact of perceived controllability on self-reported pain perception. Subjects with greater activation in response to uncontrollable (UC) rather than controllable (C) pain in the pregenual anterior cingulate cortex (pACC), periaqueductal gray (PAG), and posterior insula/SII reported higher levels of pain during the UC versus C conditions. Conversely, subjects with greater activation in the ventral lateral prefrontal cortex (VLPFC) in anticipation of pain in the UC versus C conditions reported less pain in response to UC versus C pain. Activation in the VLPFC was significantly correlated with the acceptance and denial subscales of the COPE inventory [Carver, C. S., Scheier, M. F., & Weintraub, J. K. Assessing coping strategies: A theoretically based approach. Journal of Personality and Social Psychology, 56, 267–283, 1989], supporting the interpretation that this anticipatory activation was associated with an attempt to cope with the emotional impact of uncontrollable pain. A regression model containing the two prefrontal clusters (VLPFC and pACC) predicted 64% of the variance in pain rating difference, with activation in the two additional regions (PAG and insula/SII) predicting almost no additional variance. In addition to supporting the conclusion that the impact of perceived controllability on pain perception varies highly between individuals, these findings suggest that these effects are primarily top-down, driven by processes in regions of the prefrontal cortex previously associated with cognitive modulation of pain and emotion regulation.

Individual differences in brain structure underpin empathizing–systemizing cognitive styles in male adults

Individual differences in cognitive style can be characterized along two dimensions: ‘systemizing’ (S, the drive to analyze or build ‘rule-based’ systems) and ‘empathizing’ (E, the drive to identify another's mental state and respond to this with an appropriate emotion). Discrepancies between these two dimensions in one direction (S > E) or the other (E > S) are associated with sex differences in cognition: on average more males show an S > E cognitive style, while on average more females show an E > S profile. The neurobiological basis of these different profiles remains unknown. Since individuals may be typical or atypical for their sex, it is important to move away from the study of sex differences and towards the study of differences in cognitive style. Using structural magnetic resonance imaging we examined how neuroanatomy varies as a function of the discrepancy between E and S in 88 adult males from the general population. Selecting just males allows us to study discrepant E-S profiles in a pure way, unconfounded by other factors related to sex and gender. An increasing S > E profile was associated with increased gray matter volume in cingulate and dorsal medial prefrontal areas which have been implicated in processes related to cognitive control, monitoring, error detection, and probabilistic inference. An increasing E > S profile was associated with larger hypothalamic and ventral basal ganglia regions which have been implicated in neuroendocrine control, motivation and reward. These results suggest an underlying neuroanatomical basis linked to the discrepancy between these two important dimensions of individual differences in cognitive style.

Mind wandering away from pain dynamically engages antinociceptive and default mode brain networks

Human minds often wander away from their immediate sensory environment. It remains unknown whether such mind wandering is unsystematic or whether it lawfully relates to an individual’s tendency to attend to salient stimuli such as pain and their associated brain structure/function. Studies of pain–cognition interactions typically examine explicit manipulation of attention rather than spontaneous mind wandering. Here we sought to better represent natural fluctuations in pain in daily life, so we assessed behavioral and neural aspects of spontaneous disengagement of attention from pain. We found that an individual’s tendency to attend to pain related to the disruptive effect of pain on his or her cognitive task performance. Next, we linked behavioral findings to neural networks with strikingly convergent evidence from functional magnetic resonance imaging during pain coupled with thought probes of mind wandering, dynamic resting state activity fluctuations, and diffusion MRI. We found that (i) pain-induced default mode network (DMN) deactivations were attenuated during mind wandering away from pain; (ii) functional connectivity fluctuations between the DMN and periaqueductal gray (PAG) dynamically tracked spontaneous attention away from pain; and (iii) across individuals, stronger PAG–DMN structural connectivity and more dynamic resting state PAG–DMN functional connectivity were associated with the tendency to mind wander away from pain. These data demonstrate that individual tendencies to mind wander away from pain, in the absence of explicit manipulation, are subserved by functional and structural connectivity within and between default mode and antinociceptive descending modulation networks.

Neuroanatomy of individual differences in language in adult males with autism

One potential source of heterogeneity within autism spectrum conditions (ASC) is language development and ability. In 80 high-functioning male adults with ASC, we tested if variations in developmental and current structural language are associated with current neuroanatomy. Groups with and without language delay differed behaviorally in early social reciprocity, current language, but not current autistic features. Language delay was associated with larger total gray matter (GM) volume, smaller relative volume at bilateral insula, ventral basal ganglia, and right superior, middle, and polar temporal structures, and larger relative volume at pons and medulla oblongata in adulthood. Despite this heterogeneity, those with and without language delay showed significant commonality in morphometric features when contrasted with matched neurotypical individuals (n = 57). In ASC, better current language was associated with increased GM volume in bilateral temporal pole, superior temporal regions, dorsolateral fronto-parietal and cerebellar structures, and increased white matter volume in distributed frontal and insular regions. Furthermore, current language–neuroanatomy correlation patterns were similar across subgroups with or without language delay. High-functioning adult males with ASC show neuroanatomical variations associated with both developmental and current language characteristics. This underscores the importance of including both developmental and current language as specifiers for ASC, to help clarify heterogeneity.