Brain-heart interaction : an ECG-fMRI integrated study in late-onset depression

The understanding of the human brain and its complex functions had a great development thanks to sophisticated neuroimaging techniques; and, in recent years, the integration of multiple modalities made it possible to provide even more intricate information on brain function and on the links of this functionality with other systems of the human body. However, the complex interaction between the central nervous system and cardiac variability, modulated by the autonomic nervous system, is still largely unexplored. In the present work of thesis, through simultaneous electrocardiogram (ECG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI) techniques, the main objective was to study the relationship between cardiac variability and neuronal activity, indirectly estimated though fMRI, in physiological conditions using methods that had not been used for this purpose to date. Moreover, we evaluated possible differences in a disorder, as adult-onset depression, in which both brain function and cardiac variability alterations are evident, but in which there is no idea of the reciprocal effects between these two systems. fMRI analysis was integrated with the analysis of the heart rate variability (HRV) through both ECG-driven fMRI and ECG-fMRI symmetric spectral approaches to evaluate the effects of each modality on the other one. These analyses confirmed the existence of the central autonomic network, a functional network of brain structures that, according to the neurovisceral integration model, are involved in high central level autonomic processes, assuming also a potential expansion of the brain regions belonging to this network, as traditionally defined. Moreover, the results of our study showed that existence of an intrinsic bi-directional information loop between the brain and heart. The comparison between depressed and healthy subjects revealed that altered brain activity and connectivity are present in brain regions that are key nodes of the central autonomic network. Combined HRV-fMRI analyses provided new finding in brain-heart interactions, allowing to characterize the autonomic and central neurobiological bases of depression from a different point of view.

La comprensione del cervello umano e delle sue complesse funzionalità ha avuto un grande sviluppo grazie a sofisticate tecniche di neuroimaging; e, negli ultimi anni, l'integrazione con diverse modalità ha permesso di fornire informazioni ancora più intricate sulla funzione cerebrale e sui legami di questa funzionalità con altri sistemi del corpo umano. Tuttavia, la complessa interazione tra il sistema nervoso centrale e la variabilità cardiaca, modulata dal sistema nervoso autonomo, è ancora in gran parte inesplorata. Nel presente lavoro di tesi, attraverso simultanei elettrocardiogramma (ECG) e risonanza magnetica funzionale (fMRI), l'obiettivo principale è stato quello di studiare la relazione tra variabilità cardiaca e attività neuronale, stimata indirettamente tramite fMRI, in condizioni fisiologiche, utilizzando metodi non erano ancora utilizzati per questo scopo. Inoltre, abbiamo valutato possibili differenze in un disturbo, come la depressione ad esordio in età adulta, in cui sono evidenti sia alterazioni della funzionalità cerebrale che della variabilità cardiaca, ma in cui non si ha idea degli effetti reciproci tra i due sistemi. L'analisi fMRI è stata integrata con l'analisi della variabilità della frequenza cardiaca (HRV) attraverso sia un'analisi fMRI guidata da ECG che un metodo simmetrico spettrale ECG-fMRI per valutare gli effetti di ciascuna modalità sull'altra. Queste analisi hanno confermato l'esistenza della rete autonomica centrale, una rete funzionale di strutture cerebrali che, secondo il modello di integrazione neuroviscerale, sono coinvolte in processi autonomici a livello centrale, ipotizzando anche una potenziale espansione delle regioni cerebrali appartenenti a questa rete, come solitamente definita. Inoltre, i risultati del nostro studio hanno dimostrato l'esistenza di un circuito di scambio di informazioni bidirezionale intrinseco tra il cervello e il cuore. Il confronto tra soggetti depressi e sani ha rivelato che sono presenti alterazioni nell'attività e nella connettività cerebrali in alcune regioni cerebrali che sono nodi chiave della rete autonomica centrale. Le analisi combinate HRV-fMRI hanno fornito nuove scoperte nelle interazioni cervello-cuore, consentendo di caratterizzare le basi neurobiologiche autonomiche e centrali della depressione da un diverso punto di vista.