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Jornada em Neuropsiquiatria Computacional Modelagem Matemática e Computacional em Neurociência Aplicações em Doença de Parkinson e Autismo Daniele Quintella.

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1 Jornada em Neuropsiquiatria Computacional Modelagem Matemática e Computacional em Neurociência Aplicações em Doença de Parkinson e Autismo Daniele Quintella Mendes Madureira CMA-LNCC Verão LNCC 2012

2 Modelagem Matemática e Computacional em Neurociência Abordagens Diversificadas Doença de Parkinson (DP) Influência Dopaminérgica nas Alterações do Sono (DP) Autismo Generalização e Cognição Jornada em Neuropsiquiatria Computacional Jornada em Neuropsiquiatria Computacional Conteúdo da Apresentação

3 Modelagem em Neurociência Computacional Modelagem em Neurociência Computacional Aspectos Gerais Neuroanatomia Neuroquímica Psiquiatria Matemática Computação Inteligência Artificial Física Biologia

4 Modelagem em Neurociência Computacional Modelagem em Neurociência Computacional Aspectos Gerais Diferentes Níveis de Processos Cerebrais Diferentes Níveis de Modelos Múltiplas Escalas e Intercâmbio de Informações

5 Modelagem em Neurociência Computacional Modelagem em Neurociência Computacional Diversas Abordagens McCulloch-Pitts (1943) Hebb (1949) Rosenblatt (1958) Hopfield (1982) Kohonen (1982) Rumelhart (1986)... Lapicque (1907) Hodgkin-Huxley (1952) Stein (1967) Rall (1960s) Método Multiescala ConexionistasEDOs e EDPs

6 Modelagem em Neurociência Computacional Modelagem em Neurociência Computacional Diversas Abordagens ConexionistasEDOs e EDPs

7 A Arte de Modelar Conhecimento Neurobiológico Abstração do Problema Representação Matemática Simulação Computacional Análise dos Resultados Modelagem em Neurociência Computacional Modelagem em Neurociência Computacional Diversas Abordagens

8 INFLUÊNCIA DOPAMINÉRGICA NAS ALTERAÇÕES DO SONO EM DP UM MODELO NEUROCOMPUTACIONAL

9 Alterações do Sono em DP Alterações do Sono em DP Influência Dopaminérgica Modelo (Madureira et al, 2010) Hipodopaminergia Dificuldade em deslocar o foco atencional Vigília

10 Alterações do Sono em DP Alterações do Sono em DP Influência Dopaminérgica Padrões de Disparos Neuronais no Sono Propriedades individuais do neurônio Efeitos das interconexões Regime independente

11 Alterações do Sono em DP Alterações do Sono em DP Influência Dopaminérgica Pouca variação na transmissão dopaminérgica entre os estados sono-vigília. Dopamina não modula ciclo sono-vigília Reconhecimento da sonolência diurna em DP fornece indícios da influência dopaminérgica no controle do ciclo sono-vigília. Influência complexa Jancovic, 2002

12 Alterações do Sono em DP Alterações do Sono em DP Influência Dopaminérgica Baixa dopaminérgica parcial causa distúrbios no sono REM, sem afetar as funções motoras. Alterações no sono nos estágios iniciais da DP, antes do aparecimento dos sintomas motores. Papel crucial da dopamina na regulação dos estados de sono e vigília. Dzirasa et al, 2006

13 Alterações do Sono em DP Alterações do Sono em DP Influência Dopaminérgica Excitação Glutamatérgica Inibição GABAérgica Inibição Dopaminérgica (SN) Núcleo Reticular Talâmico Tálamo Região Inibida Região Estimulada Substância Negra DA Córtex Pré-Frontal

14 Alterações do Sono em DP Alterações do Sono em DP O Modelo Arquitetura da Rede Tálamo-Cortical Neurônio NRT Córtex Pré-Frontal Substância Negra pars compacta Neurônio T y Neurônio T x Estímulo XEstímulo Y Projeções Excitatórias Projeções Inibitórias

15 Alterações do Sono em DP Alterações do Sono em DP O Modelo Neurônios Talâmicos e NRT Modos de Disparo: Tônico e Rajadas Equações das Membranas dVdV dtdt CTCT = I k + I hip + I ca + I sin + I l dVdV dtdt C NRT = I k + I c + I hip + I ca + I sin + I l SN DA

16 Alterações do Sono em DP Alterações do Sono em DP O Modelo I sin = g sin (E sin - V) Correntes SinápticasCorrentes Iônicas I k = g k (E k - V) I l = g l (E l - V) I c = g c (E k - V) I hip = g hip (E k - V) Neurônios Talâmicos e NRT

17 Alterações do Sono em DP Alterações do Sono em DP O Modelo s = 1, se V θ 0, se V < θ Corrente de Sódio d g k dtdt s β k - g k τkτk = Condutância do Canal I k Neurônios Talâmicos e NRT SN DA

18 Alterações do Sono em DP Alterações do Sono em DP O Modelo Neurônios Talâmicos Condutância do Canal I c g c = ĝ c D 4 * F ( [Ca] ) e (- a [Ca] ) (- a [Ca] ) F ( [Ca] ) = d [Ca] dtdt s β Ca - [Ca] τ Ca = SN DA

19 Alterações do Sono em DP Alterações do Sono em DP O Modelo Neurônios Talâmicos Condutância do Canal I c g c = ĝ c D 4 * F ( [Ca] ) Receptor Dopaminérgico D4 Σ i = 1 N - (t – t i )/ t pd D 4 * = ĝ d4 (t - t i ) e SN DA

20 Alterações do Sono em DP Alterações do Sono em DP O Modelo Neurônios Talâmicos d g hip dtdt f β hip - g hip τ hip = Condutância do Canal I hip f = 1, se [Ca] θ Ca 0, se [Ca] < θ Ca Corrente de Cálcio SN DA

21 Alterações do Sono em DP Alterações do Sono em DP O Modelo Neurônios Talâmicos Ligações Sinápticas Σ i = 1 N - (t – t i )/ tptp g sin = ĝ sin (t - t i ) e SN DA

22 Alterações do Sono em DP Alterações do Sono em DP O Modelo DA Neurônios Talâmicos Tx e Ty

23 Alterações do Sono em DP Alterações do Sono em DP O Modelo Diminuição da ativação de D4, na presença de hiperatividade dopaminérgica mesotalâmica.

24 Alterações do Sono em DP Alterações do Sono em DP O Modelo Conclusões A hipodopaminergia mesotalâmica acarreta hiperativação dos neurônios NRT. Como consequência, os neurônios talâmicos sofrem forte inibição, facilitando o modo de disparo em rajadas – típico do sono. A hiperdopaminergia no NRT facilita o modo de disparo em rajadas nestes neurônios. Limitações e possibilidades do modelo. SN DA

25 INVESTIGANDO O AUTISMO VIA REDES NEURAIS ARTIFICIAIS Daniele Q. M. Madureira (LNCC) & Vera Lúcia P. S. Caminha (UFF) Computacional em Neuropsiquiatria

26 Investigando o Autismo Investigando o Autismo Redes Neurais Artificiais (RNAs) Neurociência RNAs Plasticidade Sináptica Aprendizado Memória Atualização de Pesos Regras de Aprendizado

27 Investigando o Autismo Investigando o Autismo Redes Neurais Artificiais (RNAs) Mapas Auto-Organizáveis (SOM) Mapas Corticais Proximidade & Frequência Competição & Cooperação Classes

28 Investigando o Autismo Via RNAs Investigando o Autismo Via RNAs Autismo e Neurociência Neurônios Espelhos Coerência de Ritmos Cerebrais Alterações Conectivas Genética... Habilidades Sociais FalaComportamento Repetitivo

29 Investigando o Autismo Via RNAs Investigando o Autismo Via RNAs Autismo e Neurociência Carvalho et al (2001) Neurodesenvolvimento Autismo Formação dos Mapas Fator de crescimento neural Ilha de Habilidades Mendes et al (2004) Pensamento e Auto-Organização Esquizofrenia Delírios & Ideia Fixa Criatividade Desorganização do Pensamento Dopamina & Sinal-Ruído Modelos Neurocomputacionais - SOM

30 Investigando o Autismo Via RNAs Investigando o Autismo Via RNAs Pensamento e Auto-Organização Mapa de conceitos formado com apresentação de 4 estímulos.

31 Investigando o Autismo Via RNAs Investigando o Autismo Via RNAs Pensamento e Auto-Organização Apresentação mais freqüente de um novo estímulo.

32 Investigando o Autismo Via RNAs Investigando o Autismo Via RNAs Pensamento e Auto-Organização Novo estímulo invade áreas do mapa. Idéia Fixa Quinto padrão invade áreas corticais anteriormente alocadas para processamento de outros estímulos. Predominância desta idéia sobre as outras.

33 Investigando o Autismo Via RNAs Investigando o Autismo Via RNAs Pensamento e Auto-Organização ||||||| ||||||| |||| * *** **** ****** ***** ^^^***** ^^^^^XX***** ^^^^^XXXXX*** ^^^^^XXXXX ^^^XXXXX XXXXX XXXXX ////XXXXX ////XXX ////X Mapa referencial com a representação de 10 conceitos.

34 Investigando o Autismo Via RNAs Investigando o Autismo Via RNAs Pensamento e Auto-Organização ||||||| ||||||| |||| * * * * * * * * * * * * * * * * * * * ^^^ * * * * * ^^^^^XX * * * * * ^^^^^XXXXX * * * ^^^^^XXXXX ^^^XXXXX XXXXX XXXXX ////XXXXX ////XXX ////X A ideia central (tese) associa-se à ideia vizinha * (antítese), formando um padrão que é a conclusão do processo de pensamento, ou síntese. DA

35 Investigando o Autismo Via RNAs Investigando o Autismo Via RNAs Pensamento e Auto-Organização ||||||| | ||||||| |||| * * * * * * * * * * * * * * * * * * * ^ ^ ^ * * * * * ^ ^ ^ ^ ^ X X * * * * * ^ ^ ^ ^ ^ X X X X X * * * ^ ^ ^ ^ ^ X X X X X ^ ^ ^ X X X X X X X X X X X X X X X / / / / X X X X X / / / / X X X / / / / X A ideia central (tese) associa-se a ideias distantes (antíteses), formando um padrão que pode ser comparado ao pensamento criativo. DA

36 Investigando o Autismo Via RNAs Investigando o Autismo Via RNAs Pensamento e Auto-Organização | | | | | | | | | | | | | | | | | | | * * * * * * * * * * * * * * * * * * * ^ ^ ^ * * * * * ^ ^ ^ ^ ^ X X * * * * * ^ ^ ^ ^ ^ X X X X X * ^ ^ ^ ^ ^ X X X X X ^ ^ ^ X X X X X X X X X X X X X X X / / / / X X X X X / / / / X X X / / / / X A ideia central (tese) associa-se a todas as ideias, formando um padrão que pode ser comparado ao pensamento desorganizado. DA

37 Investigando o Autismo Via RNAs Investigando o Autismo Via RNAs Pensamento e Auto-Organização ||||| |||| || * *** *** ^*** ** ^ X / /// //// A estimulação da rede neural com um sinal maior leva ao encolhimento das regiões que representam as ideias na camada Imagem. Sem associações, a tese se torna a síntese e as antíteses não são consideradas ou ponderadas. Este mapa parece representar uma rigidez de pensamento ou um pensamento delirante. DA

38 Investigando o Autismo Via RNAs Investigando o Autismo Via RNAs Pensamento e Auto-Organização Relação Sinal-Ruído BAIXA BASAL ALTA Desorganizado Criativo Normal Inflexível Delirante Processos de Pensamento

39 Investigando o Autismo Via RNAs Investigando o Autismo Via RNAs Autismo e Neurociência Mezernich MM and Rubenstein JLR. Model of autism: increased ratio of excitation/inhibition in key neural systems. Genes, Brain and Behaviour (2003) 2: Relação Sinal-Ruído & Formação de Classes ||||||| ||||||| |||| * *** **** ****** ***** ^^^***** ^^^^^XX***** ^^^^^XXXXX*** ^^^^^XXXXX ^^^XXXXX XXXXX XXXXX ////XXXXX ////XXX ////X

40 Investigando o Autismo Via RNAs Investigando o Autismo Via RNAs Autismo e Neurociência Courchesne E and Pierce K. Why the frontal cortex in autism might be talking only to itself: local over-connectivity but long- distance disconnection. Current Opinion in Neurobiology (2005) 15: Geschwind DH and Levitt P. Autism spectrum disorders: developmental disconnection syndromes. Current Opinion in Neurobiology (2007) 17: Mielina

41 Investigando o Autismo Via RNAs Investigando o Autismo Via RNAs O Modelo Locais Excitação X Inibição Ruído Dopamina Formação de Classes Longa Distância Comunicação entre Regiões Formação de Classes Abstração Alterações nas Conexões

42 Investigando o Autismo Via RNAs Investigando o Autismo Via RNAs O Modelo Redes SOM Multi-Camadas

43 Investigando o Autismo Via RNAs Investigando o Autismo Via RNAs O Modelo Generalização e Cognição Seletividade Abstração ||||||| ||||||| |||| * *** **** ****** ***** ^^^***** ^^^^^XX***** ^^^^^XXXXX*** ^^^^^XXXXX ^^^XXXXX XXXXX XXXXX ////XXXXX ////XXX ////X

44 FIM


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