Jornada em Neuropsiquiatria Computacional Modelagem Matemática e Computacional em Neurociência...

Jornada em Neuropsiquiatria Computacional

Modelagem Matemática e Computacional em Neurociência

Aplicações em Doença de Parkinson e Autismo

Daniele Quintella Mendes MadureiraCMA-LNCC

daniele@lncc.br

Verão LNCC 2012

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 Jornada em Neuropsiquiatria ComputacionalComputacionalConteúdo da Apresentação

Modelagem em Neurociência Modelagem em Neurociência ComputacionalComputacionalAspectos Gerais

Neuroanatomia Neuroquímica

Psiquiatria

MatemáticaComputação

Inteligência Artificial

Física Biologia

Modelagem em Neurociência Modelagem em Neurociência ComputacionalComputacionalAspectos Gerais

Diferentes Níveis de Processos Cerebrais

Diferentes Níveis de Modelos

Múltiplas Escalas e Intercâmbio de Informações

Modelagem em Neurociência Modelagem em Neurociência Computacional 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

Modelagem em Neurociência Modelagem em Neurociência Computacional Computacional Diversas Abordagens

Conexionistas EDOs e EDPs

A Arte de Modelar

Conhecimento Neurobiológico

Abstração do Problema

Representação Matemática

Simulação Computacional

Análise dos Resultados

Modelagem em Neurociência Modelagem em Neurociência Computacional Computacional Diversas Abordagens

INFLUÊNCIA DOPAMINÉRGICA NAS ALTERAÇÕES DO SONO EM DPUM MODELO NEUROCOMPUTACIONAL

Alterações do Sono em DPAlterações do Sono em DPInfluência Dopaminérgica

Modelo (Madureira et al, 2010)

Hipodopaminergia

Dificuldade em deslocar o foco atencional

Vigília

Alterações do Sono em DPAlterações do Sono em DPInfluência Dopaminérgica

Padrões de Disparos Neuronais no Sono

Propriedades individuais do neurônio

Efeitos das

interconexões

Regime independente

Alterações do Sono em DPAlterações do Sono em DPInfluência 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

Alterações do Sono em DPAlterações do Sono em DPInfluência 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

Alterações do Sono em DPAlterações do Sono em DPInfluência Dopaminérgica

Excitação Glutamatérgica

Inibição GABAérgica

Inibição Dopaminérgica (SN)

Núcleo Reticular Talâmico

Tálamo

Região Inibida

Região Estimulada

SubstânciaNegra

DA

Córtex Pré-Frontal

Alterações do Sono em DPAlterações do Sono em DP O Modelo

Neurônios Talâmicos e NRT Modos de Disparo: Tônico e Rajadas

Equações das Membranas

dV

dtCT = Ik + Ihip + Ica + Isin + Il

dV

dtCNRT = Ik + Ic + Ihip + Ica + Isin + Il

SNDA

Alterações do Sono em DPAlterações do Sono em DP O Modelo

Isin = gsin (Esin - V)

Correntes Sinápticas

Correntes IônicasIk = gk (Ek - V)

Il = gl (El - V)

Ic = gc (Ek - V)

Ihip = ghip (Ek - V)

Neurônios Talâmicos e NRT

Alterações do Sono em DPAlterações do Sono em DP O Modelo

s = 1, se V ≥ θ

0, se V < θ

Corrente de Sódio

d gkdt

s βk - gk τk

=

Condutância do Canal Ik

Neurônios Talâmicos e NRT

SNDA

Alterações do Sono em DPAlterações do Sono em DP O Modelo

Neurônios Talâmicos

Condutância do Canal Ic

gc = ĝc D4

* F ( [Ca] )

11

1 + 1 + ee (- (- aa [Ca] )[Ca] )

F ( [Ca] ) =

d [Ca]

dts βCa - [Ca]

τCa

=

SNDA

Alterações do Sono em DPAlterações do Sono em DP O Modelo

Neurônios Talâmicos

Condutância do Canal Ic

gc = ĝc D4

* F ( [Ca] )

Receptor Dopaminérgico D4

Σi = 1

N - (t – ti)/tpd D4* = ĝd4

(t - ti) e

SNDA

Alterações do Sono em DPAlterações 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

SNDA

Alterações do Sono em DPAlterações do Sono em DP O Modelo

Neurônios Talâmicos

Ligações Sinápticas

Σi = 1

N - (t – ti)/tp gsin = ĝsin

(t - ti) e

SNDA

Alterações do Sono em DPAlterações do Sono em DP O Modelo

DA

Neurô

nio

s Talâ

mic

os

Tx e

Ty

Alterações do Sono em DPAlterações do Sono em DP O Modelo

Diminuição da ativação de D4, na presença de hiperatividade dopaminérgica mesotalâmica.

Alterações do Sono em DPAlterações 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.

SNDA

INVESTIGANDO O AUTISMO VIA REDES NEURAIS ARTIFICIAISDaniele Q. M. Madureira (LNCC) & Vera Lúcia P. S. Caminha

(UFF) Computacional em Neuropsiquiatria

Investigando o AutismoInvestigando o AutismoRedes Neurais Artificiais (RNAs)

Neurociência RNAs

Plasticidade Sináptica

Aprendizado

Memória

Atualização de Pesos

Regras de Aprendizado

Investigando o AutismoInvestigando o AutismoRedes Neurais Artificiais (RNAs)

Mapas Auto-Organizáveis (SOM)

Mapas Corticais Proximidade & Frequência

Competição & Cooperação

Classes

Investigando o Autismo Via RNAsInvestigando o Autismo Via RNAsAutismo e Neurociência

Neurônios Espelhos

Coerência de Ritmos Cerebrais

Alterações Conectivas

Genética

...

Habilidades Sociais

Fala Comportamento Repetitivo

Investigando o Autismo Via RNAsInvestigando 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

Investigando o Autismo Via RNAsInvestigando o Autismo Via RNAsPensamento e Auto-Organização

Mapa de conceitos formado com apresentação de 4 estímulos.

Investigando o Autismo Via RNAsInvestigando o Autismo Via RNAsPensamento e Auto-Organização

Apresentação mais freqüente de um novo estímulo.

Investigando o Autismo Via RNAsInvestigando o Autismo Via RNAsPensamento 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.

Investigando o Autismo Via RNAsInvestigando o Autismo Via RNAsPensamento e Auto-Organização

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^ ^ ^ X X X X XX X X X XX X X X X

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Mapa referencial com a representação de 10 conceitos.

Investigando o Autismo Via RNAsInvestigando o Autismo Via RNAsPensamento e Auto-Organização

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^ ^ ^ ^ ^ X X * * * * *^ ^ ^ ^ ^ X X X X X * * *^ ^ ^ ^ ^ X X X X X

^ ^ ^ X X X X XX X X X XX X X X X

/ / / / X X X X X / / / / X X X / / / / 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

Investigando o Autismo Via RNAsInvestigando o Autismo Via RNAsPensamento e Auto-Organização

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^ ^ ^ X X X X XX X X X XX 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

Investigando o Autismo Via RNAsInvestigando o Autismo Via RNAsPensamento e Auto-Organização

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/ / / / 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

Investigando o Autismo Via RNAsInvestigando o Autismo Via RNAsPensamento e Auto-Organização

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^ * * ** *

^X

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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

Investigando o Autismo Via RNAsInvestigando o Autismo Via RNAsPensamento e Auto-Organização

Relação Sinal-Ruído

BAIXA BASAL ALTA

Desorganizado Criativo “Normal” Inflexível Delirante

Processos de Pensamento

Investigando o Autismo Via RNAsInvestigando o Autismo Via RNAsAutismo 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: 255-267.

Relação Sinal-Ruído & Formação de Classes

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^ ^ ^ ^ ^ X X * * * * *^ ^ ^ ^ ^ X X X X X * * *^ ^ ^ ^ ^ X X X X X

^ ^ ^ X X X X XX X X X XX X X X X

/ / / / X X X X X / / / / X X X / / / / X

Investigando o Autismo Via RNAsInvestigando o Autismo Via RNAsAutismo 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) 15:225-230.

Geschwind DH and Levitt P. Autism spectrum disorders:

developmental disconnection syndromes. Current Opinion in

Neurobiology (2007) 17:103-111.

Mielina

Investigando o Autismo Via RNAsInvestigando o Autismo Via RNAsO Modelo

Locais

Excitação X Inibição

Ruído

Dopamina

Formação de Classes

Longa Distância

Comunicação entre Regiões

Formação de Classes

Abstração

Alterações nas Conexões

Investigando o Autismo Via RNAsInvestigando o Autismo Via RNAsO Modelo

Redes SOM Multi-Camadas

Investigando o Autismo Via RNAsInvestigando o Autismo Via RNAsO Modelo

Generalização e Cognição Seletividade Abstração

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^ ^ ^ ^ ^ X X * * * * *^ ^ ^ ^ ^ X X X X X * * *^ ^ ^ ^ ^ X X X X X

^ ^ ^ X X X X XX X X X XX X X X X

/ / / / X X X X X / / / / X X X / / / / X

FIM