Técnicas avançadas para o estudo do cérebro: EEG, NIRS e fmri 20/02/2014 Gabriela Castellano

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1 Técnicas avançadas para o estudo do cérebro: EEG, NIRS e fmri 20/02/2014 Gabriela Castellano 1

2 Contexto IFGW HC UNICAMP 2

3 Conteúdo Cérebro Técnicas para a medida da dinâmica cerebral Eletroencefalografia Tomografia óptica Ressonância magnética Ressonância funcional Espectroscopia funcional Técnicas conjugadas (abordagens multimodais) Conectividade cerebral 3

4 O cérebro 4

5 Lobos cerebrais 5

6 Homúnculos sensorial e motor thebraingeek.blogspot.com.br/2012/08/activity-2-point-discrimination-aka.html 6

7 Estrutura básica substância cinza substância branca fluido cerebrospinal 7

8 O neurônio neuron_populations.html Huettel et al. (2003). FMRI. 8

9 Sinapses e neurotransmissores Huettel et al. (2003). FMRI. 9

10 Metabolismo anaeróbico e aeróbico Huettel et al. (2003). FMRI. 10

11 Microcirculação: suprimento de sangue para o cérebro rede capilar Huettel et al. (2003). FMRI. 11

12 Técnicas para a medida da dinâmica cerebral 12

13 13

14 Fisiologia da ativação neuronal Disparos Neurais atividade eletromagnética Detecção: MEG, EEG Reações Bioquímicas atividade metabólica Detecção: PET, SPECT, MRS CMRO 2 : cerebral metabolic rate of O 2 consumption Resposta Vascular atividade hemodinâmica Detecção: PET, NIR-DOT, fmri BOLD Cerebral Blood Flow (CBF) Cerebral Blood Volume (CBV) 14

15 Eletroencefalografia (EEG) 15

16 Eletroencefalografia (EEG) 12/ htm Sistema images.lifescript.com/images/ebsco/images 16

17 Eletroencefalograma (EEG) Traçado do EEG possui relação direta com disparos neuronais Amplitude de (30-100Hz) e fase de (2-4Hz) 17

18 EEG localização de fontes e mapas topográficos Problema inverso mal-posto ou mal-condicionado Michel et al / /j.clinph

19 EEG - características Medida direta da ativação neuronal Baixa resolução espacial (~ 4 cm 2 ) Baixo alcance (profundidade) Altíssima resolução temporal (~1 khz / 1 ms) Portátil e baixo custo 19

20 Tomografia óptica (NIR-DOT) 20

21 Propagação da luz em meios materiais Somente absorção ( s 0) => luz se propaga em linha reta s 0 s >> a Meios turvos ou densos => moléculas espalham luz ( s >> a ) => luz se difunde no meio => óptica de difusão (DOT) Tecido biológico => meio turvo na região do vísivel e infra-vermelho próximo (NIR) 21

22 Interação luz - tecido Janela óptica na região do NIR => luz penetra alguns cm dentro do tecido Nesta janela maiores absorvedoras de luz (cromóforos) são oxi (HbO 2 ) e desoxihemoglobina (Hb) Huppert et al NeuroImage 29,

23 Tomografia óptica (NIR-DOT) 23

24 NIR-DOT localização de fontes e mapas topográficos Problema inverso mal-posto ou mal-condicionado Benaron et al / /

25 NIR-DOT características Medida indireta da ativação neuronal Fornece medidas de HbO 2 e Hb (HbT volume sanguíneo) Baixa resolução espacial (~ 4 cm 2 ) Baixo alcance (profundidade) Alta resolução temporal (~ 25 Hz / 40 ms) Portátil e médio custo 25

26 Ressonância magnética (MR) 26

27 Spins de prótons ( 1 H) num campo magnético Spins estão em estados que são combinações lineares de > e > No equilíbrio à temperatura ambiente: população > é maior que população > 27

28 Fenômeno de MR M 0 retorna ao equilíbrio (relaxação) Relaxação: 2 processos independentes 28

29 Equipamento de MR 29

30 Ressonância estrutural (MRI) 30

31 Dados medidos no espaço-k Espaço-k Espaço da imagem FT Dados adquiridos Imagem final 31

32 Contrastes estáticos Densidade de prótons Ponderada em T1 Ponderada em T2 32

33 DWI imagem ponderada por difusão Contraste dinâmico Imagens podem ser adquiridas com diferentes pesos de difusão (1-3) Mapa de ADC (4) ej.rsna.org/ej3/ fin/index.htm 33

34 Imagem do tensor de difusão (DTI) Fonte: Fonte: 34

35 Ressonância funcional (fmri) 35

36 fmri - Contraste BOLD fmri: functional Magnetic Resonance Imaging BOLD: Blood Oxygenation Level Dependent Variação de sinal que ocorre nas imagens de RM devido à variação nas concentrações locais de oxihemoglobina e desoxihemoglobina Oxihemoglobina (HbO): diamagnética Desoxihemoglobina (Hb): paramagnética 36

37 Resposta BOLD ou hemodinâmica 37

38 fmri experimento 38

39 fmri resultados 39

40 fmri características Medida indireta da ativação neuronal Fornece medidas do contraste BOLD (mistura de variações no fluxo, volume e oxigenação do sangue) Alta resolução espacial (~ 27 mm 3 ) Possibilidade de enxergar o cérebro todo ( alcance total ) Baixa resolução temporal (~ 0.5 Hz / 2 s) Não-portátil e altíssimo custo 40

41 Espectroscopia funcional (fmrs) 41

42 Ativação neuronal Vários metabólitos envolvidos Funções não bem conhecidas Como fazer medição in vivo? MRS: única técnica atual não-invasiva Astrocyte to neuron Lac shuttle Hyder et al., 2006, JCBFM Adaptada de Huettel et al.,

43 Espectroscopia de RM (MRS) Imagem (MRI) => informação sobre distribuição espacial de núcleos Espectro (MRS) => informação sobre propriedades químicas de núcleos 43

44 Deslocamento químico Núcleos (de um mesmo elemento) imersos em diferentes ambientes (moléculas) possuem frequências de ressonância levemente distintas FT FT In vivo MRS: vários núcleos podem ser usados, p.ex.: 1 H, 31 P, 13 C, 19 F 44

45 Exemplo 45

46 fmrs características Medida da variação de metabólitos subjacente à ativação neuronal Baixa resolução espacial (~ 8 cm 3 ) Possibilidade de enxergar o cérebro todo ( alcance total ) Baixíssima resolução temporal (~ Hz -> 5 min) Não-portátil e altíssimo custo 46

47 Abordagens multimodais 47

48 EEG fmri conjugados 48

49 Aplicação: investigação da epilepsia Tempo total de aquisição: 3h30 + 1h (limpeza) 49

50 Artefato de gradiente EPI desligada EPI ligada 50

51 Artefato de gradiente EEG com artefato filtrado Localização de atividade epileptiforme 51

52 Resultados combinados de EEG e fmri Sercheli et al. 2009, BJMBR 42(6) 52

53 Outros resultados Beltramini et al. 2012, HBM 53

54 NIR-DOT fmri conjugados 54

55 Movimento da mão direita BOLD BOLD+HbR BOLD+HbO Silva et al

56 EEG NIR-DOT conjugados 56

57 57

58 Conectividade neuronal 58

59 Conectividade neuronal Análise secundária feita a partir dos dados de qualquer uma das técnicas descritas 3 tipos : Anatômica (Estrutural); Funcional; Efetiva 59

60 Conectividade anatômica V5 V2 V1 V2 V5 DTI tracking de fibras guiada por ativação funcional Campo vetorial do tensor de difusão Tratos entre áreas visuais Regiões de ativação BOLD Regiões de ativação ADC Song AW et al., Neuroimage, 20: ,

61 Conectividade funcional Estimada a partir de dados da dinâmica cerebral em repouso Fox & Raichle 2007, Nature Reviews Neuroscience 61

62 Análises via semente e ICA Cole et al. 2010, Frontiers in Systems Neuroscience 4 62

63 DMN default mode network Fox & Greicius 2010, Frontiers in Systems Neuroscience 63

64 Descrição da conectividade funcional usando grafos ou redes complexas Grafo: conjunto de nós (regiões cerebrais) e arestas (conexões) Podem ser usadas medidas específicas de grafos para caracterizar as redes cerebrais, p.ex.: Grau de um nó e distribuição de graus (número de conexões dos nós) 64

65 Conectividade efetiva Estimada a partir de dados da dinâmica cerebral relativos a uma tarefa cognitiva Usa modelo anatômico a priori Calcula influência de uma área cerebral em outra 65

66 Exemplo: estudo do sistema motor planejamento repouso planejamento execução Tarefa Modelo anatômico Resultados: Planejamento: influência negativa Execução: influência positiva Conectividade mais forte para mov. da mão esq. por destros 66

67 Para finalizar... 67

68 Ganhador do prêmio IgNobel de Neurociência de

69 Conclusões Várias técnicas para estudo da dinâmica cerebral Possuem características distintas e fornecem informações de diferentes naturezas Combinação de técnicas => aumento da informação Análises secundárias => também aumentam informação Mas => necessário cuidado na realização dos experimentos e análise dos dados obtidos 69

70 Obrigada! 70

71 slice selection phase encoding frequency encoding

72 magnitude magnitude Cada voxel na fatia selecionada tem: Valor de frequência e de fase dependente de sua localização espacial, e Intensidade dependente da densidade de prótons FID medido: mistura dos sinais de todos os voxels da fatia selecionada Componentes do FID são separadas via Transformada de Fourier (FT) FT tempo frequência

73 Imagens anatômicas Ponderada em T 1 Densidade de prótons Ponderada em T 2

74 Sequências de pulsos Receitas para controlar o hardware do scanner Permitem que RM seja extremamente flexível Parâmetros importantes: TR = tempo de repetição TE = tempo ao eco T 1 T 2 Fonte:

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