Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/21221
Title: The neurobiological basis of Neurofibromatosis type I: new insights into brain structure, function and neurochemistry
Authors: Violante, Inês Ribeiro 
Orientador: Castelo-Branco, Miguel
Geraldes, Carlos F. G. C.
Keywords: Neurofibromatose 1
Issue Date: 22-Nov-2012
Citation: VIOLANTE, Inês Ribeiro - The neurobiological basis of neurofibromatosis type I: new insights into brain structure, function and neurochemistry. Coimbra : [s.n.], 2012. Tese de doutoramento. Disponível na WWW: http://hdl.handle.net/10316/21221
Abstract: Neurofibromatosis type 1 (NF1) is a single-gene disorder associated with complex cognitive dysfunction including learning disabilities, attention deficit hyperactive disorder, executive function, visuospatial and motor coordination deficits. Neuroimaging techniques can contribute to identify the neurobiological basis underlying these impairments. Here, I used spectroscopy, functional and structural brain imaging to identify the neural and neurotransmitter systems involved in the aetiology of the cognitive deficits in NF1. Particularly, I focused on basic physiological features that have the potential to unravel downstream alterations that can cause higher order cognitive deficits. This approach was chosen to scrutinise the contributions of visual sensory processing, neurotransmitter regulation and neuroanatomical characteristics to the NF1 phenotype. Visual sensory processing was investigated by probing the neural activation of the two main pathways conduction information from the retina to the cortex, the magnocellular and parvocellular streams. This study examined for the first time the function of the early visual cortex in patients with NF1 and identified a pattern of deficient activation to both stimulus types. This analysis was performed in children, adolescents and adults with NF1 to investigate whether deficits in visual sensory processing ameliorated with age. It is shown that this is not the case and that the pattern observed in children persists into adulthood. Furthermore, we investigated the activation pattern of high-level visual and non-visual regions modulated by the different stimuli to examine possible functional consequences of low-level visual impairments. This led to the observation that during M-biased stimulation, patients with NF1 failed to deactivate or even activated anterior and posterior midline regions of the default mode network, while controls deactivated these regions. By definition, the default mode network is composed by a set of brain regions that are active during task-irrelevant thoughts and deactivate during performance of cognitively demanding or engaging tasks. The observation that the early visual magnocellular processing is impaired in NF1 and is specifically associated with a deficient deactivation of the default mode network may provide a neural explanation for high-order cognitive deficits present in NF1, particularly attentional. NF1 belongs to a cluster of neurodevelopmental disorders for which alterations in the main inhibitory neurotransmitter, γ-aminobutyric acid (GABA), were proposed as the underlying cause of the cognitive deficits. This theory is the result of cellular and molecular studies on a mouse model of the disorder (Nf1+/-), which indicated an imbalance in excitatory/inhibitory push-pull systems as a consequence of increased GABA-mediated inhibitory neurotransmission. To test whether a similar mechanism translates to the human disorder, magnetic resonance spectroscopy was applied to measure GABA levels in the visual cortex of children and adolescents with NF1 and matched controls. Measurements were performed in the visual cortex to provide further insight into the neural mechanisms causing the deficient visual sensory processing previously observed. We found that patients with NF1 have significantly lower GABA levels than controls and that NF1 mutation type significantly predicted cortical GABA. Our results provide the first evidence of GABAergic dysfunction in patients with NF1. This constitutes a relevant finding to understand the physiological profile of the disorder with implications for the identification of targets for therapeutic strategies. I finalize the set of studies presented in this thesis by providing novel data on NF1 neuroanatomy. In order to understand how mutations in the NF1 gene impact brain structure it is essential to characterize in detail the brain structural abnormalities in patients with this condition. Here we investigated the volumes of subcortical structures and for the first time the composite dimensions of the cortex, through the analysis of cortical volume, cortical thickness, cortical surface area and gyrification. It is shown that macrocephaly observed in patients is due to an increase in white matter volume and grey matter subcortical volume. Subcortical analysis revealed disproportionately larger thalami, right caudate and middle corpus callosum in patients with NF1. Moreover, it is shown that patients with NF1 have significant lower gyrification indices than typically developing children, primarily in frontal and temporal lobes, but also affecting the insula, cingulate cortex, parietal and occipital regions. These neuroanatomic abnormalities were localized to specific brain regions indicating that particular areas might constitute selective targets for NF1 gene mutation. Furthermore, the lower gyrification indices were accompanied by a disproportionate increase in brain size without the corresponding increase in folding in patients with NF1. Taken together these findings suggest that specific neurodevelopmental processes, such as gyrification, are more vulnerable to NF1 dysfunction than others. As a single gene disorder, there is a great potential for establishing genetic, neurochemical and brain-behaviour relationships in NF1. The work presented in this thesis contributes to the understanding of these complex connections and identified novel neurobiological markers of NF1.
A Neurofibromatose de tipo 1 (NF1) é uma doença provocada por alterações no gene da NF1 e está associada a disfunções cognitivas complexas que incluem dificuldades de aprendizagem, défice de atenção e hiperatividade, alterações da função executiva, visuoespacial e da coordenação motora. O uso de técnicas de neuroimagem pode contribuir para a identificação das bases neurobiológicas que contribuem para estas alterações. Na presente tese foram utilizadas técnicas de espectroscopia, imagem funcional e estrutural por ressonância magnética, para identificar os sistemas neurais e de neurotransmissão envolvidos na etiologia dos défices cognitivos na NF1. O foco destes estudos incidiu sobre a investigação de padrões fisiológicos cujas alterações possuem potencial para causar défices cognitivos. Esta abordagem permitiu escrutinar as contribuições relativas do processamento sensorial visual, da regulação dos níveis de neurotransmissores e as características neuroanatómicas que definem o fenótipo da NF1. O processamento visual foi investigado recorrendo ao estudo da ativação neuronal das duas principais vias que conduzem informação visual da retina até ao córtex, ou seja, as vias magnocelular e parvocelular. Este estudo examinou pela primeira vez a função do córtex visual em doentes com NF1, permitindo a identificação de um padrão de ativação deficitária em resposta a ambos os estímulos (magnocelular e parvocelular). A análise destes padrões de ativação foi efetuada em crianças, adolescentes e adultos com NF1, com o objetivo de determinar se os défices no processamento visual são atenuados com a idade. Mostramos que tal não ocorre e que o padrão observado nas crianças persiste na idade adulta. Investigámos ainda o padrão de ativação em regiões de processamento visual de alto nível e outras regiões cerebrais moduladas pelos dois tipos de estímulo, com o propósito de identificar as consequências funcionais de alterações visuais de baixo nível. Esta análise permitiu observar que, em resposta ao estímulo visual magnocelular os doentes com NF1 não evidenciavam deativação ou ainda ativaram regiões da linha média anterior e posterior da “rede neuronal de funcionamento por defeito” (em inglês, default mode network (DMN)). Por definição, a DMN é composta por um conjunto de áreas cerebrais que estão ativas durante pensamentos irrelevantes para uma determinada tarefa e que deativam durante a performance de tarefas cognitivas exigentes ou que necessitam atenção. A observação de que a via magnocelular tem um funcionamento deficitário na NF1 e está especificamente associada a um défice do funcionamento da DMN, pode contribuir para a explicação das dificuldades cognitivas presentes na doença, principalmente as de cariz atencional. A NF1 pertence a um grupo de doenças do neurodesenvolvimento para as quais foi proposto que alterações no principal neurotransmissor inibitório, o ácido γ-aminobutírico (GABA), conduzem a défices cognitivos. Esta teoria é o resultado de estudos celulares e moleculares efetuados num modelo animal da doença, o ratinho Nf1+/-. Estes estudos evidenciaram um aumento da neurotransmissão GABAérgica que acarreta uma alteração no balanço dos sistemas inibitórios e excitatórios. Por forma a testar se um mecanismo similar se traduz para a doença humana, a espectroscopia por ressonância magnética foi aplicada para medir os níveis de GABA no córtex visual de crianças e adolescentes com NF1 e respetivos participantes controlo. Esta medição foi efetuada no córtex visual para aprofundar os mecanismos neuronais que causam os défices do processamento visual verificados no estudo anterior. Identificámos por um lado, uma redução significativa dos níveis de GABA nos doentes com NF1 em relação aos controlos e por outro, que o tipo de mutação no gene da NF1 permite prever esta diminuição dos níveis de GABA. Estes resultados estabelecem a primeira evidência de alteração GABAérgica nos doentes com NF1, constituindo um achado relevante para compreender o perfil fisiológico da doença, com implicações para a identificação de alvos terapêuticos. Finalizo o conjunto de estudos apresentado nesta tese expondo novos dados sobre a neuroanatomia da NF1. Para compreender a forma como mutações no gene da NF1 interferem com a estrutura cerebral é essencial caracterizar em detalhe as alterações da estrutura do cérebro nos doentes com NF1. Desta forma, investigámos os volumes subcorticais e explorámos ainda, pela primeira vez, as diversas dimensões do córtex, através de análises de volume, espessura, superfície e girificação corticais. Mostramos que a macrocefalia observada em doentes é devida a um aumento do volume da matéria branca e da matéria cinzenta subcortical. A análise subcortical detalhada revelou aumentos desproporcionados dos tálamos, do núcleo caudado direito e do corpo caloso médio nos doentes com NF1. Identificámos ainda que os doentes com NF1 possuem índices de girificação reduzidos em comparação com os observados em crianças com desenvolvimento típico, particularmente dos lobos frontais e temporais, mas que afetam também a ínsula, o córtex cingulado, e regiões parietais e occipitais. Estas alterações neuroanatómicas foram localizadas em regiões cerebrais específicas, indicando que determinadas áreas podem constituir alvos seletivos das mutações no gene da NF1. Os índices de girificação reduzidos nos doentes com NF1 apresentaram-se acompanhados de um aumento do tamanho do cérebro, na ausência do correspondente incremento de convoluções corticais. Em suma, estes achados sugerem que processos específicos do desenvolvimento neural, tal como a girificação, são mais vulneráveis do que outros a disfunções do gene da NF1. Tratando-se de uma doença que afeta um único gene, a NF1 possui um elevado potencial para o estabelecimento de relações genéticas, neuroquímicas e ainda entre o funcionamento cerebral e o comportamento. O trabalho apresentado nesta tese contribui para a compreensão destas complexas conexões e identifica novos marcadores neurobiológicos da NF1.
Description: Tese de doutoramento em Ciências da Saúde, no ramo de Ciências Biomédicas, apresentada à Faculdade de Medicina da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/21221
Rights: openAccess
Appears in Collections:FMUC Medicina - Teses de Doutoramento

Files in This Item:
File Description SizeFormat
Thesis_InesViolante.pdf11.51 MBAdobe PDFView/Open
Show full item record

Page view(s)

226
checked on Jan 18, 2021

Download(s) 50

442
checked on Jan 18, 2021

Google ScholarTM

Check


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.