Delirium in early-stage Alzheimer's disease : enhancing cognitive reserve as a possible preventive measure

Delirium is a disorder of acute onset with fluctuating symptoms and is characterized by inattention, disorganized thinking, and altered levels of consciousness. The risk for delirium is greatest in individuals with dementia, and the incidence of both is increasing worldwide because of the aging of our population. Although several clinical trials have tested interventions for delirium prevention in individuals without dementia, little is known about the mechanisms for the prevention of delirium in early-stage Alzheimer’s disease (AD). The purpose of this article is to explore ways of preventing delirium and slowing the rate of cognitive decline in early-stage AD by enhancing cognitive reserve. An agenda for future research on interventions to prevent delirium in individuals with early-stage AD is also presented.

Cognitive reserve benefits brain efficiency in healthy aging

The concept of cognitive reserve (CR) describes the mind’s resistance to the progressive damage of the brain and probably this can be reflected as the ability to recruit brain networks in an effective way. It is as- sociated with the abilityto copewith the deleterious effects of brain damage,brain degeneration, or age-related changes on cognitive performance.

Cognitive reserve is associated with the functional organization of brain networks in healthy aging: a MEG study

The proportion of elderly people in the population has increased rapidly in the last century and consequently "healthy aging" is expected to become a critical area of research in neuroscience. Evidence reveals how healthy aging depends on three main behavioral factors: social lifestyle, cognitive activity and physical activity. In this study, we focused on the role of cognitive activity, concentrating specifically on educational and occupational attainment factors, which were considered two of the main pillars of cognitive reserve. 21 subjects with similar rates of social lifestyle, physical and cognitive activity were selected from a sample of 55 healthy adults. These subjects were divided into two groups according to their level of cognitive reserve; one group comprised subjects with high cognitive reserve (9 members) and the other contained those with low cognitive reserve (12 members). To evaluate the cortical brain connectivity network, all participants were recorded by Magnetoencephalography (MEG) while they performed a memory task (modified version of the Sternberg¿s Task). We then applied two algorithms (Phase Locking Value & Phase-Lag Index) to study the dynamics of functional connectivity. In response to the same task, the subjects with lower cognitive reserve presented higher functional connectivity than those with higher cognitive reserve. These results may indicate that participants with low cognitive reserve needed a greater 'effort' than those with high cognitive reserve to achieve the same level of cognitive performance. Therefore, we conclude that cognitive reserve contributes to the modulation of the functional connectivity patterns of the aging brain.

Cerebral correlates of cognitive reserve

Crown Copyright © 2015. Published by Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved. Acknowledgements The Aberdeen birth Cohort Studies were established with grants to Lawrence Whalley by the Henry Smith Charity, the UK Biotechnology and Biological Sciences Research Council and a Professorial Clinical Fellowship Award from the Wellcome Trust. The imaging studies reported here were supported by grants to all three authors by the Chief Scientist Organisation of the Scottish Health Department and Alzheimer Research UK. We are grateful to the volunteers in the Aberdeen 1921 and 1936 Birth Cohort Studies and to our research colleagues in the Aberdeen biomedical Imaging Centre (Drs. Ahearn, Waiter, and Mustafa) and our long-term collaborators in the University of Edinburgh (Professors Deary and Starr at www.ccace.ed.ac.uk).

Dynamique cérébrale et réserve cognitive en situation d’attention sélective dans le vieillissement normal et les troubles de la cognition : approche neurofonctionnelle

Réalisée en cotutelle avec l'Unité de Formation à la Recherche Lettres Arts et Sciences Humaines - Université Nice-Sophia Antipolis.

Non-pharmacological interventions on cognitive functions in older people with mild cognitive impairment (MCI)

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Apports de l’imagerie optique à l’étude de l’impact du niveau de scolarité sur la contribution des lobes frontaux à la production de mots

Le vieillissement normal est associé à une réorganisation cérébrale qui peut être influencée par plusieurs facteurs. Des théories comme la réserve cognitive de Stern (2002) tentent d’expliquer les effets de ces différents facteurs. Certains, le niveau de scolarité par exemple, sont encore mal connus. Pourtant, le niveau de scolarité est connu pour avoir un impact sur les performances cognitives tout au long de la vie. Le but de ce mémoire est d’étudier les effets du niveau de scolarité sur l’oxygénation cérébrale de personnes âgées en santé lors d’une tâche d’évocation lexicale orthographique et sémantique. Chaque tâche est divisée selon un critère « plus productive » et « moins productive ». Les âgés faiblement scolarisés produisent moins de mots que les âgés fortement scolarisés. De plus, la différence de mots produits entre le critère plus productif et moins productif est plus grande pour la tâche sémantique que pour la tâche orthographique. Du point de vue hémodynamique, les deux groupes ont des activations semblables, contredisant le phénomène HAROLD. De plus, les participants peu scolarisés tendent à activer de façon plus importante l’hémisphère gauche, peu importe la tâche ou la condition. Par contre, les activations varient selon la tâche et la condition dans le cas du groupe fortement scolarisé.

La plasticité cérébrale dans le vieillissement normal : effet de l’éducation formelle et de l’entraînement cognitif sur les mesures de potentiels évoqués

Le vieillissement normal est souvent associé à des changements cognitifs négatifs, notamment sur les performances cognitives. Cependant, des changements comportementaux et cérébraux positifs ont aussi été observés. Ces modifications indiquent l’existence d’une plasticité cérébrale dans le vieillissement normal. Ainsi, plusieurs facteurs ont été étudiés afin de mieux connaitre les modulateurs de cette plasticité dite positive. La plupart des études évaluant ce phénomène ont utilisé la technique d’imagerie par résonance magnétique alors que la technique des potentiels évoqués a été beaucoup moins utilisée. Cette technique est basée sur les enregistrements de l’activité électrique cérébrale très sensible aux changements anatomiques associés au vieillissement et permet donc d’observer de manière précise les variations du décours temporel des ondes éléctrophysiologiques lors du traitement des informations. Les travaux de cette thèse visent à étudier les modifications de plasticité cérébrale induites par des facteurs protecteurs/préventifs du vieillissement normal et notamment lors de la réalisation de tâches impliquant le contrôle attentionnel, grâce à l’analyse de signaux électroencéphalographiques en potentiels évoqués. Dans un premier temps, une description de l’analyse des données EEG en potentiels évoqués sera fournie, suivie d’une revue de littérature sur le contrôle attentionnel et les facteurs de plasticité dans le vieillissement normal (Chapitre 1). Cette revue de littérature mettra en avant, d’une part la diminution des capacités de contrôle de l’attention dans le vieillissement et d’autre part, les facteurs protecteurs du vieillissement ainsi que la plasticité cérébrale qui leur est associée. Ces facteurs sont connus pour avoir un effet positif sur le déficit lié à l’âge. La première étude de ce projet (Chapitre 2) vise à définir l’effet d’un facteur de réserve cognitive, le niveau d’éducation, sur les composantes des potentiels évoqués chez les personnes âgées. Cette étude mettra en avant une composante des potentiels évoqués, la P200, comme indice de plasticité lorsqu’elle est liée au niveau d’éducation. Cet effet sera observé sur deux tâches expérimentales faisant intervenir des processus de contrôle attentionnel. De plus, une différence d’épaisseur corticale sera observée : les personnes âgées ayant un plus haut niveau d’éducation ont un cortex cingulaire antérieur plus épais. La deuxième étude (Chapitre 3) cherche à déterminer, chez les personnes âgées, les modifications comportementales et en potentiels évoqués induites par trois entraînements cognitifs, entrainements visant l’amélioration de processus attentionnels différents : l’attention focalisée, l’attention divisée, ainsi que la modulation de l’attention. Au niveau comportemental, les entraînements induisent tous une amélioration des performances. Cependant, l’entraînement en modulation de l’attention est le seul à induire une amélioration du contrôle attentionnel. Les résultats éléctrophysiologiques indiquent la N200 comme composante sensible à la plasticité cérébrale à la suite d’entraînements cognitifs. L’entraînement en modulation de l’attention est le seul à induire une modification de cette composante dans toutes les conditions des tests. Les résultats de ces études suggèrent que les facteurs protecteurs du vieillissement permettent des changements positifs observés en potentiels évoqués. En effet, nous mettons en évidence des phénomènes de plasticité cérébrale des personnes âgées qui diffèrent selon leurs origines. L’impact de ces résultats ainsi que les limites et perspectives futures seront présentés en fin de thèse (Chapitre 4).

Réorganisation neurofonctionnelle permettant le maintien des habiletés d’évocation lexicale lors du vieillissement

Le maintien de performances cognitives optimales au cours du vieillissement a été associé à des changements adaptatifs au niveau de l’activité cérébrale relative à diverses habiletés qui tendent à décliner avec l’âge. Peu d’études ont toutefois évalué cette réorganisation neurofonctionnelle dans le cadre des habiletés de communication, notamment en ce qui concerne le langage expressif. Or, considérant que plusieurs composantes langagières demeurent généralement intègres chez les aînés, il s’avère nécessaire d’explorer davantage les mécanismes cérébraux sous-jacents afin de mieux cerner les déterminants du vieillissement cognitif réussi. L’objectif de la présente thèse est d’examiner en détail les effets de l’âge sur les patrons d’activations et les interactions fonctionnelles entre les substrats neuraux contribuant aux habiletés de communication expressive. Deux études en neuroimagerie fonctionnelle, ayant recours à des approches méthodologiques distinctes, ont ainsi été menées à l’aide d’un paradigme mixte novateur et d’une tâche auto-rythmée d’évocation lexicale sémantique et orthographique, effectuée par des participants jeunes et âgés présentant plusieurs années de scolarisation. S’intéressant spécifiquement aux patrons d’activations associés à un rendement élevé à cette tâche, la première étude révèle que le maintien des habiletés d’évocation lexicale lors du vieillissement s’accompagne de changements neurofonctionnels superficiels chez les adultes âgés performants. Par contre, la seconde étude indique que les interactions fonctionnelles entre les régions corticales contribuant aux productions lexicales déclinent considérablement avec l’âge, sans qu’il y ait toutefois d’impact au plan comportemental. Cet effet du vieillissement sur l’intégration fonctionnelle du réseau de l’évocation sémantique et orthographique est aussi exacerbé par la difficulté de la tâche, ce qui s’exprime par des perturbations locales de la connectivité fonctionnelle. Somme toute, cette thèse démontre qu’une réorganisation neurofonctionnelle afin de maintenir les habiletés d’évocation lexicale au cours du vieillissement s’avère superflue chez les adultes âgés instruits et performants, et ce, malgré une diminution des interactions fonctionnelles au sein des réseaux corticaux sous-jacents. Ces résultats reflètent possiblement une perte d’efficience neurale avec l’âge, toutefois insuffisante pour avoir un impact comportemental chez des individus bénéficiant de facteurs de protection susceptibles de favoriser le vieillissement réussi, ce qui est discuté à la lumière du concept de réserve cognitive.

Changes in cortical and sub-cortical patterns of activity associated with aging during the performance of a lexical set-shifting task

Bien que le passage du temps altère le cerveau, la cognition ne suit pas nécessairement le même destin. En effet, il existe des mécanismes compensatoires qui permettent de préserver la cognition (réserve cognitive) malgré le vieillissement. Les personnes âgées peuvent utiliser de nouveaux circuits neuronaux (compensation neuronale) ou des circuits existants moins susceptibles aux effets du vieillissement (réserve neuronale) pour maintenir un haut niveau de performance cognitive. Toutefois, la façon dont ces mécanismes affectent l’activité corticale et striatale lors de tâches impliquant des changements de règles (set-shifting) et durant le traitement sémantique et phonologique n’a pas été extensivement explorée. Le but de cette thèse est d’explorer comment le vieillissement affecte les patrons d’activité cérébrale dans les processus exécutifs d’une part et dans l’utilisation de règles lexicales d’autre part. Pour cela nous avons utilisé l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) lors de la performance d’une tâche lexicale analogue à celle du Wisconsin. Cette tâche a été fortement liée à de l’activité fronto-stritale lors des changements de règles, ainsi qu’à la mobilisation de régions associées au traitement sémantique et phonologique lors de décisions sémantiques et phonologiques, respectivement. Par conséquent, nous avons comparé l’activité cérébrale de jeunes individus (18 à 35 ans) à celle d’individus âgés (55 à 75 ans) lors de l’exécution de cette tâche. Les deux groupes ont montré l’implication de boucles fronto-striatales associées à la planification et à l’exécution de changements de règle. Toutefois, alors que les jeunes semblaient activer une « boucle cognitive » (cortex préfrontal ventrolatéral, noyau caudé et thalamus) lorsqu’ils se voyaient indiquer qu’un changement de règle était requis, et une « boucle motrice » (cortex postérieur préfrontal et putamen) lorsqu’ils devaient effectuer le changement, les participants âgés montraient une activation des deux boucles lors de l’exécution des changements de règle seulement. Les jeunes adultes tendaient à présenter une augmentation de l’activité du cortex préfrontal ventrolatéral, du gyrus fusiforme, du lobe ventral temporale et du noyau caudé lors des décisions sémantiques, ainsi que de l’activité au niveau de l’aire de Broca postérieur, de la junction temporopariétale et du cortex moteur lors de décisions phonologiques. Les participants âgés ont montré de l’activité au niveau du cortex préfrontal latéral et moteur durant les deux types de décisions lexicales. De plus, lorsque les décisions sémantiques et phonologiques ont été comparées entre elles, les jeunes ont montré des différences significatives au niveau de plusieurs régions cérébrales, mais pas les âgés. En conclusion, notre première étude a montré, lors du set-shifting, un délai de l’activité cérébrale chez les personnes âgées. Cela nous a permis de conceptualiser l’Hypothèse Temporelle de Compensation (troisième manuscrit) qui consiste en l’existence d’un mécanisme compensatoire caractérisé par un délai d’activité cérébrale lié au vieillissement permettant de préserver la cognition au détriment de la vitesse d’exécution. En ce qui concerne les processus langagiers (deuxième étude), les circuits sémantiques et phonologiques semblent se fusionner dans un seul circuit chez les individus âgés, cela représente vraisemblablement des mécanismes de réserve et de compensation neuronales qui permettent de préserver les habilités langagières.

Rehabilitation of executive functions: Implications and strategies

Executive Functions (EF) concern a range of abilitiesincluding problem-solving, planning, initiation, selfmonitoring,conscious attention, cope with new situationsand the ability to modify plans if necessary. It’s ahigh cognitive function that is crucial for a person to getengaged and maintain daily activities whilst keeping agood quality of life. Problems in the EF were formerlyknown as Dysexecutive Syndrome (DS). There are manymodels concerning DS, although the literature on thesubject still remains unclear. Several works appoint theeffects brought by elderly life, as well as abuse of drugsand some psychopathologies. These factors are knownto increase the distress of the frontal circuits and thatcould be associated to executive deficits. The effects ofDS would compromise individuals in day-to-day routine,academic, social and labor fields. There is a growingbody of studies trying to determine the causes, implications,associations and the best way to take care of theseeffects. This work intends to review DS, focusing on themost important fields related to this area, such as psychopathologyassociations, cognitive reserve, assessmentand cognitive rehabilitation programs.

Prevalence of dementia in Latin America: a collaborative study of population-based cohorts

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

The Integration of the Glutamatergic and the White Matter Hypotheses of Schizophrenia's Etiology

Background: schizophrenia's endophenotipic profile is not only generally complex, but often varies from case to case. The perspective of trying to define specific anatomic correlates of the syndrome has led to disappointing results. In that context, neurophysiologic hypotheses (e. g. glutamatergic hypothesis) and connectivity hypotheses became prominent. Nevertheless, despite their commitment to the principle of denying 'localist' views and approaching the syndrome's endophenotype from a whole brain perspective, efforts to integrate both have not flourished at this moment in time. Objectives: This paper aims to introduce a new etiological model that integrates the glutamatergic and the WM (WM) hypotheses of schizophrenia's etiology. This model proposes to serve as a framework in order to relate to patterns of brain abnormalities from the onset of the syndrome to stages of advanced chronification. Highlights: Neurotransmitter abnormalities forego noticeable WM abnormalities. The former, chiefly represented by NMDAR hypo-function and associated molecular cascades, is related to the first signs of cell loss. This process is both directly and indirectly integrated to the underpinning of WM structural abnormalities; not only is the excess of glutamate toxic to the WM, but its disruption is associated to the expression of known genetic risk factors (e. g., NRG-1). A second level of the model develops the idea that abnormal neurotransmission within specific neural populations ('motifs') impair particular cognitive abilities, while subsequent WM structural abnormalities impair the integration of brain functions and multimodality. As a result of this two-stage dynamic, the affected individual progresses from experiencing specific cognitive and psychological deficits, to a condition of cognitive and existential fragmentation, linked to hardly reversible decreases in psychosocial functioning.

Clinical Efficacy of a New Automated Hemoencefalographic Neurofeedback Protocol

Among the ongoing attempts to enhance cognitive performance, an emergent and yet underrepresented venue is brought by hemoencefalographic neurofeedback (HEG). This paper presents three related advances in HEG neurofeedback for cognitive enhancement: a) a new HEG protocol for cognitive enhancement, as well as b) the results of independent measures of biological efficacy (EEG brain maps) extracted in three phases, during a one year follow up case study; c) the results of the first controlled clinical trial of HEG, designed to assess the efficacy of the technique for cognitive enhancement of an adult and neurologically intact population. The new protocol was developed in the environment of a software that organizes digital signal algorithms in a flowchart format. Brain maps were produced through 10 brain recordings. The clinical trial used a working memory test as its independent measure of achievement. The main conclusion of this study is that the technique appears to be clinically promising. Approaches to cognitive performance from a metabolic viewpoint should be explored further. However, it is particularly important to note that, to our knowledge, this is the world's first controlled clinical study on the matter and it is still early for an ultimate evaluation of the technique.

Database Independent Human Emotion Recognition with Meta-Cognitive Neuro-Fuzzy Inference System

Facial emotions are the most expressive way to display emotions. Many algorithms have been proposed which employ a particular set of people (usually a database) to both train and test their model. This paper focuses on the challenging task of database independent emotion recognition, which is a generalized case of subject-independent emotion recognition. The emotion recognition system employed in this work is a Meta-Cognitive Neuro-Fuzzy Inference System (McFIS). McFIS has two components, a neuro-fuzzy inference system, which is the cognitive component and a self-regulatory learning mechanism, which is the meta-cognitive component. The meta-cognitive component, monitors the knowledge in the neuro-fuzzy inference system and decides on what-to-learn, when-to-learn and how-to-learn the training samples, efficiently. For each sample, the McFIS decides whether to delete the sample without being learnt, use it to add/prune or update the network parameter or reserve it for future use. This helps the network avoid over-training and as a result improve its generalization performance over untrained databases. In this study, we extract pixel based emotion features from well-known (Japanese Female Facial Expression) JAFFE and (Taiwanese Female Expression Image) TFEID database. Two sets of experiment are conducted. First, we study the individual performance of both databases on McFIS based on 5-fold cross validation study. Next, in order to study the generalization performance, McFIS trained on JAFFE database is tested on TFEID and vice-versa. The performance The performance comparison in both experiments against SVNI classifier gives promising results.