Jornada em Neuropsiquiatria Computacional

Apresentação em tema: "Jornada em Neuropsiquiatria Computacional"— Transcrição da apresentação:

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

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

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

5 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 Conexionistas EDOs e EDPs

6 Modelagem em Neurociência Computacional Diversas Abordagens
Conexionistas EDOs e EDPs

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

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

9 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 Influência Dopaminérgica
Padrões de Disparos Neuronais no Sono Propriedades individuais do neurônio Efeitos das interconexões Regime independente

11 Alterações do Sono em DP Influência Dopaminérgica
Jancovic, 2002 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

12 Alterações do Sono em DP Influência Dopaminérgica
Dzirasa et al, 2006 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.

13 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 O Modelo
Arquitetura da Rede Tálamo-Cortical Neurônio NRT Córtex Pré-Frontal Substância Negra pars compacta Neurônio Ty Neurônio Tx Estímulo X Estímulo Y Projeções Excitatórias Projeções Inibitórias

15 Alterações do Sono em DP O Modelo
Neurônios Talâmicos e NRT Modos de Disparo: Tônico e Rajadas SN DA Equações das Membranas dV dt CT = Ik + Ihip + Ica + Isin + Il CNRT = Ik + Ic + Ihip + Ica + Isin + Il

16 Alterações do Sono em DP O Modelo
Neurônios Talâmicos e NRT Isin = gsin (Esin - V) Correntes Sinápticas Correntes Iônicas Ik = gk (Ek - V) Il = gl (El - V) Ic = gc (Ek - V) Ihip = ghip (Ek - V)

17 Alterações do Sono em DP O Modelo
Neurônios Talâmicos e NRT SN DA s = 1, se V ≥ θ 0, se V < θ Corrente de Sódio d gk dt s βk - gk τk = Condutância do Canal Ik

18 Alterações do Sono em DP O Modelo
Neurônios Talâmicos Condutância do Canal Ic gc = ĝc D4* F ( [Ca] ) 1 1 + e (- a [Ca] ) F ( [Ca] ) = d [Ca] dt s βCa - [Ca] τCa = SN DA

19 Alterações do Sono em DP O Modelo
Neurônios Talâmicos Condutância do Canal Ic gc = ĝc D4* F ( [Ca] ) Receptor Dopaminérgico D4 Σ i = 1 N - (t – ti)/ tpd D4* = ĝd4 (t - ti) e SN DA

20 Alterações do Sono em DP O Modelo
Neurônios Talâmicos d ghip dt f βhip - ghip τhip = Condutância do Canal Ihip f = 1, se [Ca] ≥ θCa 0, se [Ca] < θCa Corrente de Cálcio SN DA

21 Alterações do Sono em DP O Modelo
Neurônios Talâmicos Ligações Sinápticas Σ i = 1 N - (t – ti)/ tp gsin = ĝsin (t - ti) e SN DA

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

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

24 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 Redes Neurais Artificiais (RNAs)
Neurociência RNAs Plasticidade Sináptica Aprendizado Memória Atualização de Pesos Regras de Aprendizado

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

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

29 Investigando o Autismo Via RNAs Autismo e Neurociência
Modelos Neurocomputacionais - SOM 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

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

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

32 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 Pensamento e Auto-Organização
|     * ^ X  / Mapa referencial com a representação de 10 conceitos.

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

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

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

37 Investigando o Autismo Via RNAs Pensamento e Auto-Organização
|     * ^ X /  DA 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.

38 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 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 |     * ^ X  /

40 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 O Modelo
Alterações nas Conexões Locais Excitação X Inibição Ruído Dopamina Formação de Classes Longa Distância Comunicação entre Regiões Formação de Classes Abstração

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

43 Investigando o Autismo Via RNAs O Modelo
Generalização e Cognição Seletividade Abstração |     * ^ X  /

44 FIM