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BioMuScle

Novel multimodal imaging biomarkers of neuronal connectivity in Multiple Sclerosis
Funder: Fundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P.Project code: PTDC/MEC-NEU/31973/2017
Funded under: 9471 - RIDTI ; Concurso para Financiamento de Projetos de Investigação Científica e Desenvolvimento Tecnológico em Todos os Domínios Científicos - 2017 Funder Contribution: 239,699 EUR

BioMuScle

Description

Multiple Sclerosis (MS) is a chronic autoimmune and inflammatory disease that affects the myelin sheathing of axons, causing motor, sensory and cognitive deterioration, and is one of the world?s most common neurological disorders affecting the Central Nervous System. The loss of brain matter (atrophy) and the development of brain lesions have been extensively studied using brain imaging techniques such as Magnetic Resonance Imaging (MRI), and there is evidence that these alterations might be associated with cognitive impairment. However, the physiological outcomes of this pathology affecting neuronal activity and axonal conduction have been less explored. Given the pathophysiology of MS and the crucial role myelin plays in the fast communication between distant neuronal populations, MS is likely to affect highly coordinated neuronal activity, such as coherent cortical oscillations. These oscillations are responsible for the communication between distant brain regions, which through their concerted activity gives rise to brain networks. There is a growing interest in studies of human brain networks using resting-state functional MRI (fMRI). However, it is unclear whether brain networks measured during resting-state exhibit comparable properties during task performance. Understanding the networks? functional communication is crucial to provide important clues for the pathophysiology of the disease, as well as to detect biomarkers related to the mechanisms that are responsible for MS disease progression. We will investigate for the first time neuronal connectivity measures in patients with MS during task performance at concurrent high spatial and temporal resolution with coregistered EEG-fMRI. This is a technical and a scientific advance in this area, as there are to this date no reliable biomarkers of the disease, and a scientific challenge, that we are confident can be accomplished given our group?s technical expertise in multimodal imaging. We will investigate structural and functional neuroimaging biomarkers of connectivity between brain regions, intra- and inter-hemispherically, both during resting-state and importantly during task performance. We will take advantage of a visual motion paradigm of perceptual decision yielding long-range integration of information, which depends strongly on the communication between distant brain regions. Our hypothesis is that the perceptual dynamics of our paradigm might be altered in patients with MS, due to changes in neuronal communication. These functional biomarkers might be of keen interest in the investigation of alterations in brain communication with pharmacological treatment (e.g. with remyelinating factors). Another objective will be to compare functional connectivity measures in patients with MS at two different time points, before and after treatment with fingolimod, to investigate the potential improvement of network communication and its correlation with cognitive benefits. Esclerose Múltipla (EM) é uma doença inflamatória autoimune crónica que afeta a baínha de mielina dos axónios, causando a deterioração das funções sensoriais, motoras e cognitivas. A redução do volume de regiões do cérebro (atrofia) e o desenvolvimento de lesões cerebrais têm vindo a ser estudados através da utilização de técnicas de imagiologia como por exemplo a Imagem por Ressonância Magnética (MRI), estando essas alterações associadas a défice cognitivo. Contudo, os efeitos fisiológicos desta patologia têm sido menos explorados. Conhecendo a patofisiologia da EM e a função fundamental que a mielina desempenha na comunicação rápida entre populações neuronais distantes, espera-se que a EM afete funções que requeiram atividade neuronal coordenada, tais como oscilações corticais coerentes. Este tipo de oscilações é responsável pela comunicação entre regiões distantes do cérebro, as quais através de atividade concertada dão origem a redes cerebrais. Tem havido um interesse crescente no estudo das redes cerebrais recorrendo a técnicas de Imagem por Ressonância Magnética Funcional (fMRI) em estado de repouso. Não é evidente se as redes cerebrais mobilizadas durante o repouso revelam propriedades comparáveis àquelas tidas durante a execução de tarefas. A compreensão dos mecanismos de comunicação funcional das redes cerebrais é crucial, quer para o aprofundar do conhecimento da patofisiologia, como também para a deteção de biomarcadores da progressão da EM. Neste projeto pretende-se usar, pela primeira vez de forma simultânea, técnicas de neuroimagiologia EEG e fMRI (co-EEG-fMRI) para pesquisar biomarcadores de conetividade funcional em EM. Será estudada a conetividade funcional e estrutural entre diferentes regiões do cérebro, tanto intra- como inter-hemisférica, em repouso e na realização de tarefa. A tarefa de decisão percetual proposta baseia-se num paradigma de movimento visual que requer integração de informação de larga escala entre regiões distantes. Será investigada a conetividade funcional em pacientes com EM durante a execução de uma tarefa, utilizando simultaneamente de forma complementar técnicas de imagem com elevada resolução espacial e temporal, através de co-EEG-fMRI. A hipótese definida neste projeto propõe que a dinâmica percetual do paradigma esteja alterada nos pacientes com EM devido a alterações na comunicação neuronal. Trata-se de um avanço técnico nesta área, uma vez que até à data não há biomarcadores estabelecidos para a EM. Estes biomarcadores funcionais podem vir a ser de grande interesse na investigação de alterações na comunicação cerebral devido a tratamento farmacológico (ex: agentes de remielinização). Um outro objetivo deste projeto passa pela comparação de medidas de conetividade funcional em pacientes com EM em dois instantes temporais, antes e após tratamento com fingolimod, de forma a investigar potenciais melhorias na comunicação de redes cerebrais e correlação com melhorias de desempenho cognitivo.

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