Estudio de respuestas evocadas y conectividad cerebral durante la actividad cognitiva mediante registros intracraneales directos en humanos

Abstract

En las últimas décadas, diversos estudios en neurociencias cognitivas han mostrado que los procesos cognitivos dependen de la coordinación dinámica de diversas áreas cerebrales que se acoplan de forma flexible a corta y larga distancia. Desde esta perspectiva, el acto cognitivo ya no depende únicamente de un área cerebral específica, sino que requiere de integración a gran escala de un conjunto de regiones cerebrales. La mayor parte de la evidencia neurocientífica en humanos proviene de estudios que utilizan técnicas de resonancia magnética funcional o electromagnéticas que presentan limitaciones en su resolución temporal y espacial, respectivamente. En este contexto, los registros intracraneales invasivos en humanos presentan una oportunidad única para el estudio de la cognición. Esta técnica posee una resolución espacial del orden de los milímetros y temporal del orden de los milisegundos, tiene una de las mejores relaciones señal/ruido en humanos, y permite evaluar modelos neuroanatómicos y dinámicas temporales precisas de procesos cognitivos fundamentales, como la emoción, el juicio moral, o el lenguaje, entre otros. Asimismo, debido a la robustez de la relación señal/ruido de la técnica, es posible realizar estudios a nivel individual con gran precisión temporoespacial. Es por ello que su aporte a las neurociencias es fundamental. La presente Tesis recurre a esta técnica para combinar métodos clásicos de actividad evocada con el estudio de la conectividad cerebral a gran escala y algoritmos de aprendizaje para estudiar el acoplamiento de redes neuronales en procesos cognitivos clave de la vida cotidiana. Se abordan tres estudios basados en registros invasivos en humanos. En el primero, se investigaron los correlatos cerebrales de una tarea que evalúa el reconocimiento de la 3 intención de daño, un elemento decisivo en la cognición moral. Se encontró que el daño intencional induce actividad temprana (< 200 ms) en la amígdala, con modulaciones que discriminan sistemáticamente entre tipos de situaciones: daño intencional, daño no intencional e interacción no dañina (neutral). Además, los análisis de conectividad mostraron una rápida conexión con regiones prefrontales. Los resultados reflejan la relevancia de la amígdala en la codificación rápida de la intención de dañar, una habilidad crítica para la supervivencia y fundamental en la cognición moral. El segundo estudio se basó en una tarea de reconocimiento de emociones en caras y palabras, dos fenómenos centrales en la interacción social cotidiana. Se analizaron series temporales y métodos de conectividad con el uso de aprendizaje de máquinas estadístico para estudiar cómo el desempeño individual se refleja en la actividad neuronal en una muestra de sujetos con perfiles de desempeño contrastivos. Se mostró que los diferentes perfiles de desempeño se vieron reflejados en su conectividad entre regiones. Este trabajo es una contribución al enfoque de diferencias individuales, una tendencia reciente en el ámbito neurocientífico, que se concentra en estudiar la variabilidad del procesamiento neural a nivel individual. Por último, en el tercer estudio, se utilizaron registros intracraneales y electroencefalográficos para evaluar en qué medida la construcción del sentido semántico está asociada con regiones vinculadas con sistemas multimodales (áreas relacionadas con conceptos abstractos que integran diferentes vías sensoriales) y/o mecanismos corporizados (redes sensoriomotoras específicas para cada modalidad perceptual) involucrados a este proceso. A través de análisis clásicos de oscilaciones junto con aprendizaje automático, se estudió la dinámica de la modulación de estímulos lingüísticos relacionados con partes del rostro (sustantivos como ‘nariz’ y ‘boca’), y la interacción entre los sistemas multimodales y corporizados mediante métodos de conectividad. Se mostró por primera vez que estos estímulos rápidamente modulan marcadores tempranos en regiones de procesamiento de caras (regiones corporizadas), con contribuciones de regiones multimodales, lo cual sugiere que el significado lingüístico depende, en parte, de la reactivación de experiencias sensoriales pertinentes. En su conjunto, los tres estudios de la Tesis brindan aportes directos mediante registros invasivos en humanos para la construcción de modelos de neurociencias cognitivas. Finalmente, los métodos implementados en estos y otros trabajos realizados fueron incluidos en un toolbox propio de análisis de datos. Esta herramienta sirve como un repositorio de métodos con el fin de organizar, reutilizar, compartir y capacitar estudiantes e investigadores de un laboratorio. Si bien está construido con las funciones de los análisis presentados aquí, la principal 4 bondad del toolbox es que es fácilmente extensible y cada laboratorio o grupo de trabajo puede probarlo con sus propios métodos de análisis. Así, la presente Tesis brinda aportes en temáticas relevantes de las neurociencias de registros intracraneales a través de estudios en los que se aplicaron metodologías novedosas, como la conectividad y el aprendizaje automático, contribuyendo además a futuros estudios mediante la creación de una herramienta que facilita y potencia la tarea científica.

In recent decades, cognitive neuroscience has shown that cognitive processes rely on dynamic couplings between brain areas over short and long distances. Cognitive events are thus no longer taken to depend solely on a specific region, but rather on the largescale integration of many regions. In human research, most relevant evidence stems from functional magnetic resonance or electromagnetic techniques, marked by limitations in their temporal and spatial resolution, respectively. In this context, invasive intracranial recordings represent a unique opportunity for studying cognition. This technique has a spatial resolution in the order of millimetres and a temporal resolution in the order of milliseconds, alongside one of the best signal-to-noise ratios. Therefore, it is very well suited to evaluating neuroanatomical models and complex temporal dynamics of elemental cognitive domains (e.g., emotion, moral judgement, and language) at the single-subject level. Building on such assets, this thesis relies on intracranial recordings combined with classical evoked activity methods, measures of large-scale brain connectivity, and machine learning approaches to study the coupling of neural networks in key cognitive processes of everyday life. The dissertation comprises three studies. The first one examines neural correlates of the recognition of harmful intentions, a decisive element of moral cognition. Intentional harm induced early amygdalar activity (< 200 ms), with modulations that discriminate among intentional harm, unintentional harm, and neutral actions. Furthermore, connectivity analyses showed a fast coupling with prefrontal regions. These results highlight the key role of the amygdala in the rapid encoding of intentional harm, a critical ability for survival and to moral cognition. The second study assessed emotion recognition in faces and words, two pillars of social interaction. Machine learning algorithms were applied to temporal series data and connectivity coefficients to examine individual signatures of neural activity in subjects with contrastive behavioural performance. The participant’s differential performance profiles were captured by connectivity coefficients. This work represents a contribution to the individual differences approach, a recent neuroscientific trend that focuses on individual neural variability. Lastly, through a combination of intracranial and scalp-level recordings, the third study focused on semantic processing to examine the temporal organization of multimodal systems (areas related to abstract concepts that integrate different sensory pathways) and/or embodied mechanisms (specific sensorimotor 6 networks for each perceptual modality) in the construal of meaning. We studied the dynamics of the modulations of linguistic stimuli denoting to facial body parts (nouns such as ‘nose’ and ‘mouth’) through classical oscillatory analysis together with machine learning, and the interaction between multimodal and embodied systems using connectivity methods. We showed, for the first time, that these stimuli rapidly modulate early markers in facial processing areas (embodied regions), with multimodal contributions, suggesting that linguistic meaning partly relies on fast reactivations of relevant sensory experiences. Together, the three studies provide direct contributions for the construction of models in cognitive neuroscience through invasive recordings in humans. Finally, the methods implemented for these and other works were included in a data analysis toolbox. This tool serves as a repository to ease the organization, reuse, and sharing of scripts, thus supporting student and researcher training. Already equipped with the functions used for present analyses, the toolbox is easily extensible and each laboratory or work group can populate it with their own methods. In sum, building on the uniqueness of intracranial human recordings, the present thesis affords methodological and theoretical contributions in hot topics of cognitive neuroscience, combining novel connectivity and machine learning methods and providing a tool that assists future studies and enhances other potential investigations.