Functional imaging and cognitive functions in Parkinson’s disease: image processing integrating MRI data

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Main Author: Marques, Joana Gomes
Publication Date: 2024
Format: Master thesis
Language: eng
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Download full: https://hdl.handle.net/10316/116592
Summary: Trabalho de Projeto do Mestrado em Engenharia Biomédica apresentado à Faculdade de Ciências e Tecnologia
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spelling Functional imaging and cognitive functions in Parkinson’s disease: image processing integrating MRI dataImagem funcional e funções cognitivas na doença de Parkinson: processamento de imagem integrando dados de MRIParkinson's Disease (PD)Executive Function (EF)Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI)Doença de ParkinsonFunção ExecutivaRessonância Magnética FuncionalTrabalho de Projeto do Mestrado em Engenharia Biomédica apresentado à Faculdade de Ciências e TecnologiaParkinson's disease (PD) is one of the most prevalent neurodegenerative disease characterized by the early and selective loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra pars compacta. PD includes both motor and non-motor features, with motor symptoms consisting of tremors, bradykinesia, rigidity and postural instability, and non-motor symptoms including sleep disturbances, cognitive impairment, mood disorders, depression, autonomic dysfunction and hyposmia. Although motor symptoms play a crucial role in the diagnosis of PD, the underlying pathologies often impact the frontostriatal circuit long before clinical symptoms appear. Executive function is important for managing daily-life complexities, allowing tasks focus, problem solving, planning, emotional and behavioral adaptation to novel situations, among other functions. This study uses functional magnetic resonance to identify altered brain mechanisms during the performance of an executive funtion task, in order to enhance our understanding of executive dysfunction in early PD. Firstly, we conducted a whole-brain analysis in which both PD patients and healthy controls performed the task. The results revealed activation in the supramarginal gyrus, thalamus, dorsolateral prefrontal cortex and frontal eye fields, among other regions, which validated our task's potential to detect between-groups differences. Secondly, a between-groups analysis showed compensatory activation in the temporal and visual cortex. However, when the influence of age was removed, significant compensatory activation was observed in the intraparietal sulcus and some visual cortex areas, indicating that monitoring intraparietal sulcus changes could be crucial for early PD detection. This suggests that the temporal cortex activation pattern may be due to aging rather than the disease itself. Finally, we analyzed the correlations between the activation levels in specific regions of interest and the scores of two PD related tests: MoCA and UPDRS. Significant correlations between MoCA scores and the activation levels in temporal cortex, intraparietal sulcus, right temporoparietal junction, and right caudate nucleus suggest these structures support cognitive processes impacted by early stage PD. The absence of significant correlations with the UPDRS suggests that executive function reflects the cognitive dysfunction independently from the stage of the disease. Overall, our results demonstrate a good level of consistency and, therefore, we suggest that this project could support further research aimed at identifying additional promising functional biomarkers for early diagnosis of PD.A doença de Parkinson (PD, do inglês, Parkinson's disease) é uma das doenças neurodegenerativas mais prevalentes, caracterizada pela perda precoce e seletiva de neurónios dopaminérgicos na substância nigra compacta. A PD inclui características motoras e não motoras, sendo os sintomas motores tremores, bradicinesia, rigidez e instabilidade postural, e os sintomas não motores distúrbios do sono, comprometimento cognitivo, transtornos do humor, depressão, disfunção autonómica e hiposmia. Embora os sintomas motores desempenhem um papel crucial no diagnóstico da PD, as patologias subjacentes frequentemente afetam o circuito frontoestriatal muito antes do aparecimento dos sintomas clínicos. A função executiva é importante na gestão das complexidades da vida diária, permitindo a concentração em tarefas, resolução de problemas, planeamento, adaptação emocional e comportamental a situações novas, entre outras funções. Este estudo utiliza ressonância magnética funcional para identificar alterações nos mecanismos cerebrais durante a execução de uma tarefa que requer função executiva, com o objetivo de melhorar a compreensão da disfunção executiva em estágios iniciais da PD. Primeiramente, realizámos uma análise global da atividade cerebral na qual tanto os doentes com PD como os controlos saudáveis realizaram a tarefa. Os resultados revelaram ativação no giro supramarginal, tálamo, córtex pré-frontal dorsolateral e campos oculares frontais, entre outras regiões, validando assim o potencial da nossa tarefa para detetar diferenças entre grupos. De seguida, uma análise entre grupos revelou ativação compensatória no córtex temporal e visual no grupo clínico. No entanto, ao remover a influência da idade, observou-se ativação compensatória significativa no sulco intraparietal e em algumas áreas do córtex visual, indicando que a monitorização das alterações no sulco intraparietal pode ser crucial para a deteção precoce da PD. Isto sugere que a ativação do córtex temporal pode ser devida ao envelhecimento, e não à doença em si. Por fim, analisámos as correlações entre os níveis de ativação em regiões de interesse específicas e os resultados de dois testes relacionados com a PD: Avaliação Cognitiva de Montreal (MoCA, do inglês, Montreal Cognitive Assessment) e Escala Unificada de Avaliação da Doença de Parkinson (UPDRS, do inglês, Unified Parkinson's Disease Rating Scale). Correlações significativas entre os resultados do MoCA e os níveis de ativação no córtex temporal, sulco intraparietal, junção temporo-parietal direita e núcleo caudado direito sugerem que estas estruturas suportam processos cognitivos afetados pela PD em estágios iniciais. A ausência de correlações significativas com o UPDRS sugere que a função executiva reflete a disfunção cognitiva independentementedo estadio da doença. Em suma, os nossos resultados demonstram um bom nível de consistência e, portanto, sugerimos que este projeto poderá apoiar futuras investigações destinadas a identificar biomarcadores funcionais promissores para o diagnóstico precoce da PD.2024-07-26info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://hdl.handle.net/10316/116592https://hdl.handle.net/10316/116592TID:203695003engMarques, Joana Gomesinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2024-09-11T22:08:55Zoai:estudogeral.uc.pt:10316/116592Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-29T06:10:18.185662Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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