Linking Molecular Pathways and Large-Scale Computational Modeling to Assess Candidate Disease Mechanisms and Pharmacodynamics in Alzheimer's Disease
Notice bibliographique
Résumé
Introduction. While the prevalence of neurodegenerative diseases associated with dementia such as Alzheimer’s disease (AD) increases, our knowledge on the underlying mechanisms, outcome predictors, or therapeutic targets is limited. In this work, we demonstrate how computational multi-scale brain modelling links phenomena of different scales and therefore identifies potential disease mechanisms leading the way to improved diagnostics and treatment. Methods. The Virtual Brain (TVB; thevirtualbrain.org) neuroinformatics platform allows standardized large-scale structural connectivity-based simulations of whole brain dynamics. We provide proof of concept for a novel approach that quantitatively links the effects of altered molecular pathways onto neuronal population 1 dynamics. As a novelty, we connect chemical compounds measured with positron emission tomography (PET) with neural function in TVB addressing the phenomenon of hyperexcitability in AD related to the protein amyloid beta (Abeta). We construct personalized virtual brains based on an averaged healthy connectome and individual PET derived distributions of Abeta in patients with mild cognitive impairment (MCI, N=8) and Alzheimer’s Disease (AD, N=10) and in age-matched healthy controls (HC, N=15) using data from ADNI-3 data base (http://adni.lni.usc.edu). In the personalized virtual brains, individual Abeta burden modulates regional Excitation-Inhibition balance, leading to local hyperexcitation with high Abeta loads. We analyze simulated regional neural activity and electroencephalograms (EEG). Results. Known empirical alterations of EEG in patients with AD compared to HCs were reproduced by simulations. The virtual AD group showed slower frequencies in simulated local field potentials and EEG compared to MCI and HC groups. The heterogeneity of the Abeta load is crucial for the virtual EEG slowing which is absent for control models with homogeneous Abeta distributions. Slowing phenomena primarily affect the network hubs, independent of the spatial distribution of Abeta. Modeling the N-methyl-D- aspartate (NMDA) receptor antagonism of memantine in local population models, reveals potential functional reversibility of the observed large-scale alterations (reflected by EEG slowing) in virtual AD brains. Discussion. We demonstrate how TVB enables the simulation of systems effects caused by pathogenetic molecular candidate mechanisms in human virtual brains.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,002 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».