890 resultados para cortical complexity


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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).

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Pyramidal neurones were injected with Lucifer Yellow in slices cut tangential to the surface of area 7m and the superior temporal polysensory area (STP) of the macaque monkey. Comparison of the basal dendritic arbors of supra- and infragranular pyramidal neurones (n=139) that were injected in the same putative modules in the different cortical areas revealed variation in their structure. Moreover, there were relative differences in dendritic morphology of supra- and infragranular pyramidal neurones in the two cortical areas. Shell analyses revealed that layer III pyramidal neurones in area STP had considerably higher peak complexity (maximum number of dendritic intersections per Shell circle) than those in layer V, whereas peak complexities were similar for supra- and infragranular pyramidal neurones in area 7m. In both cortical areas, the basal dendritic trees of layer m pyramidal neurones were characterized by a higher spine density than those in layer V. Calculations of the total number of dendritic spines in the average basal dendritic arbor revealed that layer V pyramidal neurones in area 7m had twice as many spines as cells in layer III. (4535 and 2294, respectively). A similar calculation for neurones in area STP revealed that layer III pyramidal neurones had approximately the same number of spines as cells in layer V (3585 and 3850 spines, respectively). Relative differences in the branching patterns of, and the number of spines in, the basal dendritic arbors of supra- and infragranular pyramidal neurones in the different cortical areas may allow for integration of different numbers of inputs, and different degrees of dendritic processing. These results support the thesis that intra-areal circuitry differs in different cortical areas.

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Innate immune responses play a central role in neuroprotection and neurotoxicity during inflammatory processes that are triggered by pathogen-associated molecular pattern-exhibiting agents such as bacterial lipopolysaccharide (LPS) and that are modulated by inflammatory cytokines such as interferon γ (IFNγ). Recent findings describing the unexpected complexity of mammalian genomes and transcriptomes have stimulated further identification of novel transcripts involved in specific physiological and pathological processes, such as the neural innate immune response that alters the expression of many genes. We developed a system for efficient subtractive cloning that employs both sense and antisense cRNA drivers, and coupled it with in-house cDNA microarray analysis. This system enabled effective direct cloning of differentially expressed transcripts, from a small amount (0.5 µg) of total RNA. We applied this system to isolation of genes activated by LPS and IFNγ in primary-cultured cortical cells that were derived from newborn mice, to investigate the mechanisms involved in neuroprotection and neurotoxicity in maternal/perinatal infections that cause various brain injuries including periventricular leukomalacia. A number of genes involved in the immune and inflammatory response were identified, showing that neonatal neuronal/glial cells are highly responsive to LPS and IFNγ. Subsequent RNA blot analysis revealed that the identified genes were activated by LPS and IFNγ in a cooperative or distinctive manner, thereby supporting the notion that these bacterial and cellular inflammatory mediators can affect the brain through direct but complicated pathways. We also identified several novel clones of apparently non-coding RNAs that potentially harbor various regulatory functions. Characterization of the presently identified genes will give insights into mechanisms and interventions not only for perinatal infection-induced brain damage, but also for many other innate immunity-related brain disorders.

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The high complexity of cortical convolutions in humans is very challenging both for engineers to measure and compare it, and for biologists and physicians to understand it. In this paper, we propose a surface-based method for the quantification of cortical gyrification. Our method uses accurate 3-D cortical reconstruction and computes local measurements of gyrification at thousands of points over the whole cortical surface. The potential of our method to identify and localize precisely gyral abnormalities is illustrated by a clinical study on a group of children affected by 22q11 Deletion Syndrome, compared to control individuals.

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A recent study from our laboratory has provided evidence for the generation of slow potentials occurring in anticipation to task-performance feedback stimuli, in multiple association cortical areas, consistently including two prefrontal areas. In the present study, we intended to determine whether these slow potentials would indicate some abnormality (topographic) in schizophrenic patients, and thus serve as an indication of abnormal association cortex activity. We recorded slow potentials while subjects performed a paired-associates memory task. A 123-channel EEG montage and common average reference were used for 20 unmedicated schizophrenic (mean duration of illness: 11.3 ± 9.2 years; mean number of previous hospitalizations: 1.2 ± 1.9) and 22 healthy control subjects during a visual paired-associates matching task. For the topographic analysis, we used a simple index of individual topographic deviation from normality, corrected for absolute potential intensities. Slow potentials were observed in all subjects. Control subjects showed a simple spatial pattern of voltage extrema (left central positive and right prefrontal negative), whereas schizophrenic patients presented a more complex, fragmented pattern. Topographic deviation was significantly different between groups (P < 0.001). The increased topographic complexity in schizophrenics could be visualized in grand averages computed across subjects. Increased topographic complexity could also be seen when grand averages were computed for subgroups of patients assembled either according to task-performance (high versus low) or by their scores on psychopathological scales. There was no significant correlation between topographic deviation and psychopathology scores. We conclude that the slow potential topographic abnormalities of schizophrenia indicate an abnormality in the configuration of large-scale electrical activity in association cortices.

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The bewildering complexity of cortical microcircuits at the single cell level gives rise to surprisingly robust emergent activity patterns at the level of laminar and columnar local field potentials (LFPs) in response to targeted local stimuli. Here we report the results of our multivariate data-analytic approach based on simultaneous multi-site recordings using micro-electrode-array chips for investigation of the microcircuitary of rat somatosensory (barrel) cortex. We find high repeatability of stimulus-induced responses, and typical spatial distributions of LFP responses to stimuli in supragranular, granular, and infragranular layers, where the last form a particularly distinct class. Population spikes appear to travel with about 33 cm/s from granular to infragranular layers. Responses within barrel related columns have different profiles than those in neighbouring columns to the left or interchangeably to the right. Variations between slices occur, but can be minimized by strictly obeying controlled experimental protocols. Cluster analysis on normalized recordings indicates specific spatial distributions of time series reflecting the location of sources and sinks independent of the stimulus layer. Although the precise correspondences between single cell activity and LFPs are still far from clear, a sophisticated neuroinformatics approach in combination with multi-site LFP recordings in the standardized slice preparation is suitable for comparing normal conditions to genetically or pharmacologically altered situations based on real cortical microcircuitry.

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Studies about cortical auditory evoked potentials using the speech stimuli in normal hearing individuals are important for understanding how the complexity of the stimulus influences the characteristics of the cortical potential generated. OBJECTIVE: To characterize the cortical auditory evoked potential and the P3 auditory cognitive potential with the vocalic and consonantal contrast stimuli in normally hearing individuals. METHOD: 31 individuals with no risk for hearing, neurologic and language alterations, in the age range between 7 and 30 years, participated in this study. The cortical auditory evoked potentials and the P3 auditory cognitive one were recorded in the Fz and Cz active channels using consonantal (/ba/-/da/) and vocalic (/i/-/a/) speech contrasts. Design: A crosssectional prospective cohort study. RESULTS: We found a statistically significant difference between the speech contrast used and the latencies of the N2 (p = 0.00) and P3 (p = 0.00) components, as well as between the active channel considered (Fz/Cz) and the P3 latency and amplitude values. These correlations did not occur for the exogenous components N1 and P2. CONCLUSION: The speech stimulus contrast, vocalic or consonantal, must be taken into account in the analysis of the cortical auditory evoked potential, N2 component, and auditory cognitive P3 potential.

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The tremendous expansion and the differentiation of the neocortex constitute two major events in the evolution of the mammalian brain. The increase in size and complexity of our brains opened the way to a spectacular development of cognitive and mental skills. This expansion during evolution facilitated the addition of microcircuits with a similar basic structure, which increased the complexity of the human brain and contributed to its uniqueness. However, fundamental differences even exist between distinct mammalian species. Here, we shall discuss the issue of our humanity from a neurobiological and historical perspective.

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Down syndrome (DS) is the most frequent genetic cause of mental retardation. Cognitive dysfunction in these patients is correlated with reduced dendritic branching and complexity, along with fewer spines of abnormal shape that characterize the cortical neuronal profile of DS. DS phenotypes are caused by the disruptive effect of specific trisomic genes. Here, we report that overexpression of dual-specificity tyrosine phosphorylation-regulated kinase 1A, DYRK1A, is sufficient to produce the dendritic alterations observed in DS patients. Engineered changes in Dyrk1A gene dosage in vivo strongly alter the postnatal dendritic arborization processes with a similar progression than in humans. In cultured mammalian cortical neurons, we determined a reduction of neurite outgrowth and synaptogenesis. The mechanism underlying neurite dysgenesia involves changes in the dynamic reorganization of the cytoskeleton.

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We have previously derived a theoretical measure of neural complexity (CN) in an attempt to characterize functional connectivity in the brain. CN measures the amount and heterogeneity of statistical correlations within a neural system in terms of the mutual information between subsets of its units. CN was initially used to characterize the functional connectivity of a neural system isolated from the environment. In the present paper, we introduce a related statistical measure, matching complexity (CM), which reflects the change in CN that occurs after a neural system receives signals from the environment. CM measures how well the ensemble of intrinsic correlations within a neural system fits the statistical structure of the sensory input. We show that CM is low when the intrinsic connectivity of a simulated cortical area is randomly organized. Conversely, CM is high when the intrinsic connectivity is modified so as to differentially amplify those intrinsic correlations that happen to be enhanced by sensory input. When the input is represented by an individual stimulus, a positive value of CM indicates that the limited mutual information between sensory sheets sampling the stimulus and the rest of the brain triggers a large increase in the mutual information between many functionally specialized subsets within the brain. In this way, a complex brain can deal with context and go "beyond the information given."

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Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

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Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

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Typically, cognitive abilities of humans have been attributed to their greatly expanded cortical mantle, granular prefrontal cortex (gPFC) in particular. Recently we have demonstrated systematic differences in microstructure of gPFC in different species. Specifically, pyramidal cells in adult human gPFC are considerably more spinous than those in the gPFC of the macaque monkey, which are more spinous than those in the gPFC of marmoset and owl monkeys. As most cortical dendritic spines receive at least one excitatory input, pyramidal cells in these different species putatively receive different numbers of inputs. These differences in the gPFC pyramidal cell phenotype may be of fundamental importance in determining the functional characteristics of prefrontal circuitry and hence the cognitive styles of the different species. However, it remains unknown as to why the gPFC pyramidal cell phenotype differs between species. Differences could be attributed to, among other things, brain size, relative size of gPFC, or the lineage to which the species belong. Here we investigated pyramidal cells in the dorsolateral gPFC of the prosimian galago to extend the basis for comparison. We found these cells to be less spinous than those in human, macaque, and marmoset. (c) 2005 Wiley-Liss, Inc.

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Cortical pyramidal cells, while having a characteristic morphology, show marked phenotypic variation in primates. Differences have been reported in their size, branching structure and spine density between cortical areas. In particular, there is a systematic increase in the complexity of the structure of pyramidal cells with anterior progression through occipito-temporal cortical visual areas. These differences reflect area-specific specializations in cortical circuitry, which are believed to be important for visual processing. However, it remains unknown as to whether these regional specializations in pyramidal cell structure are restricted to primates. Here we investigated pyramidal cell structure in the visual cortex of the tree shrew, including the primary (V1), second (V2) and temporal dorsal (TD) areas. As in primates, there was a trend for more complex branching structure with anterior progression through visual areas in the tree shrew. However, contrary to the trend reported in primates, cells in the tree shrew tended to become smaller with anterior progression through V1, V2 and TD. In addition, pyramidal cells in V1 of the tree shrew are more than twice as spinous as those in primates. These data suggest that variables that shape the structure of adult cortical pyramidal cells differ among species.

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El presente trabajo tuvo como objetivo evaluar la existencia de la relación entre la atrofia cortical difusa objetivada por neuroimagenes cerebrales y desempeños cognitivos determinados mediante la aplicación de pruebas neuropsicológicas que evalúan memoria de trabajo, razonamiento simbólico verbal y memoria anterógrada declarativa. Participaron 114 sujetos reclutados en el Hospital Universitario Mayor Méderi de la ciudad de Bogotá mediante muestreo de conveniencia. Los resultados arrojaron diferencias significativas entre los dos grupos (pacientes con diagnóstico de atrofia cortical difusa y pacientes con neuroimagenes interpretadas como dentro de los límites normales) en todas las pruebas neuropsicológicas aplicadas. Respecto a las variables demográficas se pudo observar que el grado de escolaridad contribuye como factor neuroprotector de un posible deterioro cognitivo. Tales hallazgos son importantes para determinar protocoles tempranos de detección de posible instalación de enfermedades neurodegenerativas primarias.