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Jornada em Neuropsiquiatria Computacional
Modelagem Matemática e Computacional em Neurociência
Aplicações em Doença de Parkinson e Autismo
Daniele Quintella Mendes MadureiraCMA-LNCC
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 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
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 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 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 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
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