Jornada em Neuropsiquiatria Computacional Modelagem Matemtica e Computacional

Jornada em Neuropsiquiatria Computacional Modelagem Matemática e Computacional em Neurociência Aplicações em Doença de Parkinson e Autismo Daniele Quintella Mendes Madureira CMA-LNCC daniele@lncc. br Verão LNCC 2012

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

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

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

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

Modelagem em Neurociência Computacional Diversas Abordagens Conexionistas EDOs e EDPs

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

INFLUÊNCIA DOPAMINÉRGICA NAS ALTERAÇÕES DO SONO EM DP UM MODELO NEUROCOMPUTACIONAL

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

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

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

Alterações do Sono em DP Influência Dopaminérgica § Dzirasa et al, 2006 Papel crucial da dopamina na regulação dos estados de sono e vigília. § 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.

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

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

Alterações do Sono em DP O Modelo § Neurônios Talâmicos e NRT Correntes Iônicas I k = g k ( Ek - V ) I c = g c (E k - V ) Ihip = ghip (Ek - V) I l = g l (E l - V ) Correntes Sinápticas Isin = gsin (Esin - V)

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

Alterações do Sono em DP O Modelo § Neurônios Talâmicos Condutância do Canal Ic gc = ĝc D 4* F ( [Ca] ) = 1 (- a [Ca] ) 1+e d [Ca] = dt s βCa - [Ca] τCa SN DA

Alterações do Sono em DP O Modelo § Neurônios Talâmicos Condutância do Canal Ic gc = ĝc D 4* F ( [Ca] ) Receptor Dopaminérgico D 4 - (t – ti)/t pd D 4* = ĝd 4 N (t - t i ) e Σ i=1 SN DA

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

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

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

Alterações do Sono em DP O Modelo Diminuição da ativação de D 4, na presença de hiperatividade dopaminérgica mesotalâmica.

Alterações do Sono em DP O Modelo § Conclusões § A hipodopaminergia hiperativação dos mesotalâmica neurônios NRT. acarreta 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

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

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

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

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

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

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

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

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.

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

Investigando o Autismo Via RNAs Pensamento e Auto-Organização / / / | | | | ^ ^ ^ ^ / / / / / | | | | | ^ ^ ^ ^ * * * X X X X X X | | X X X 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.

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

Investigando o Autismo Via RNAs Pensamento e Auto-Organização | | | | | | ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ / / / / | 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 RNAs Pensamento e Auto-Organização | | | | | ^ * * * DA ^ 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.

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

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: 255 -267. § Relação Sinal-Ruído & Formação de Classes / / / | | | | ^ ^ ^ ^ / / / / / | | | | | ^ ^ ^ ^ * * * X X X X X X | | X X X X * * * * * * * *

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

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

Investigando o Autismo Via RNAs O Modelo § Generalização e Cognição § Seletividade § Abstração / / / | | | | ^ ^ ^ ^ / / / / / | | | | | ^ ^ ^ ^ * * * X X X X X X | | X X X X * * * * * * * *

FIM