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Neuropsychology

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Overview

Fonte: Laboratórios de Jonas T. Kaplan e Sarah I. Gimbel - Universidade do Sul da Califórnia

Um princípio da organização cerebral é o mapeamento topográfico da informação. Especialmente em cortices sensoriais e motoras, regiões adjacentes do cérebro tendem a representar informações de partes adjacentes do corpo, resultando em mapas do corpo expressos na superfície do cérebro. Os mapas sensoriais e motor primários no cérebro cercam um sulco proeminente conhecido como sulco central. O córtex anterior ao sulco central é conhecido como o giro pré-central e contém o córtex motor primário, enquanto o córtex posterior ao sulco central é conhecido como o giro póscentral e contém o córtex sensorial primário(Figura 1).

Figure 1
Figura 1: Mapas sensoriais e motor ao redor do sulco central. O córtex motor primário, que contém um mapa motor dos efeitos do corpo, é anterior ao sulco central, no giro pré-central do lobo frontal. O córtex elementar (sensorial), que recebe informações de toque, dor e temperatura das partes externas do corpo, está localizado posterior ao sulco central, no giro pós-cenral do lobo parietal.

Neste experimento, a neuroimagem funcional é usada para demonstrar o mapa motor no giro pré-central. Este mapa é frequentemente chamado de homúnculo motor, que é latim para "homenzinho", porque é como se houvesse uma pequena versão do auto-representado nesta parte do cérebro de uma pessoa. Uma propriedade interessante deste mapa é que o espaço mais cortical é dedicado a partes do corpo que requerem um controle mais fino, como as mãos e a boca, o que resulta em representação desproporcional desses apêndices no córtex. Além disso, por causa da anatomia do sistema motor, os neurônios que controlam o lado direito do corpo estão no córtex motor primário esquerdo, e vice-versa. Portanto, quando um participante do experimento é solicitado a mover sua mão direita ou pé, uma ativação aumentada em seu giro pré-central esquerdo é esperada.

Neste experimento, os participantes são solicitados a mover alternadamente suas mãos e pés, nos lados esquerdo e direito, enquanto sua atividade cerebral é medida com ressonância magnética. Uma vez que o sinal de ressonância magnética se baseia em alterações na oxigenação sanguínea, que são lentas em comparação com os movimentos que os participantes fazem, os períodos de movimento são separados com períodos de quietude para garantir que as várias condições possam ser distinguidas entre si e da linha de base de repouso. Para obter um tempo preciso dos movimentos, os participantes são instruídos sobre quando começar e terminar cada movimento com uma sugestão visual. Os métodos neste vídeo são semelhantes aos utilizados por vários estudos de ressonância magnética que demonstraram somatotopia no córtex motor primário. 1,2

Procedure

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1. Recrute 20 participantes.

  1. Confirme que os participantes não têm histórico de distúrbios neurológicos ou psicológicos.
  2. Confirme se os participantes são todos destros usando o questionário de desdidade.
  3. Para garantir que os participantes possam ver as pistas visuais corretamente, certifique-se de que eles tenham visão normal ou corrigida.
  4. Certifique-se de que os participantes não têm metal em seu corpo. Este é um importante requisito de segurança devido ao alto campo magnético envolvido na ressonância magnética.
  5. Como o fMRI requer estar deitado no pequeno espaço do furo do scanner, confirme que os participantes não sofrem de claustrofobia.

2. Procedimentos de pré-digitalização

  1. Preencha a papelada pré-digitalizada.
  2. Quando os participantes vierem para a varredura de ressonância magnética, faça-os primeiro preencher um formulário de tela metálica para garantir que eles não tenham contraindicações para ressonância magnética, um formulário de achados incidentais que dá consentimento para que seu exame seja examinado por um radiologista e um formulário de consentimento detalhando os riscos e benefícios do estudo.
  3. Peça aos participantes que removam todo o metal de seu corpo (incluindo cintos, carteiras, telefones, grampos de cabelo, moedas e todas as joias) para se preparar para entrar no scanner.

3. Forneça instruções para o participante.

  1. Diga ao participante que quando vir uma mão na tela, deve começar a mover a mão até que a deixa visual desapareça. Informe o participante que o movimento da mão envolve tocar o polegar em cada dedo da mesma mão em ordem e repetir essa sequência ao contrário. Quando a deixa aparece no lado esquerdo da tela, eles devem mover a mão esquerda, e quando a deixa aparece no lado direito da tela, eles devem mover sua mão direita.
  2. Diga ao participante que quando vir um pé na tela, eles devem começar a mover o pé e continuar a fazê-lo até que a deixa visual desapareça. Informe o participante que o movimento do pé envolve pressionar repetidamente o pé para baixo, como se pressionasse um pedal imaginário. Quando a deixa aparece no lado esquerdo da tela, eles devem mover o pé esquerdo, e quando a deixa aparece no lado direito da tela, eles devem mover o pé direito.
  3. Estresse para o participante a importância de manter a cabeça parada, mesmo enquanto eles estão movendo a mão ou o pé.

4. Guie o participante para dentro do scanner.

  1. Dê aos ouvidos do participante (para proteger seus ouvidos do ruído do scanner) e fones de ouvido (para usar para que eles possam ouvir o experimentador durante a varredura), e tê-los deitados na cama com a cabeça na bobina.
  2. Dê ao participante a bola de aperto de emergência e instrua-os a espremê-la em caso de emergência durante a varredura.
  3. Segure a cabeça do participante na bobina com almofadas de espuma para evitar o excesso de movimento durante a varredura, e lembre ao participante que é muito importante ficar o mais quieto possível durante a varredura, pois até mesmo os menores movimentos desfocam as imagens.

5. Coleta de dados

  1. Colete uma varredura anatômica de alta resolução.
  2. Comece a digitalização funcional.
    1. Sincronize o início da apresentação de estímulo com o início do scanner.
    2. Apresente as pistas visuais através de um laptop conectado a um projetor. O participante deve ter um espelho acima dos olhos, refletindo uma tela na parte de trás do furo do scanner.
    3. Apresente cada deixa visual para 12 s, seguido por 12 s de linha de base de descanso. Alternar entre a mão esquerda, a mão direita, o pé esquerdo e o pé direito.
    4. Repita quatro repetições de cada condição, para um total de 6,5 min.

6. Procedimentos pós-varredura

  1. Tire o participante do scanner.
  2. Interrogue o participante.
  3. Pague o participante.

7. Análise de dados

  1. Pré-processo os dados.
    1. Execute a correção de movimento para reduzir os artefatos de movimento.
    2. Realize a filtragem temporal para remover derivas de sinal.
    3. Suavize os dados para aumentar a relação sinal-ruído.
  2. Modele os dados para cada participante.
    1. Crie um modelo do que a resposta hemodinâmica esperada deve ser para cada condição de tarefa.
    2. Encaixar os dados a este modelo, resultando em um mapa estatístico, onde o valor em cada voxel representa até que ponto esse voxel estava envolvido na condição de tarefa.
    3. Registre o cérebro do participante em um atlas padrão para combinar dados entre os participantes.
  3. Combine mapas estatísticos entre os sujeitos para uma análise de nível de grupo dos dados.

As informações motoras são organizadas de acordo com divisões anatômicas no córtex motor primário, criando um mapa topográfico no cérebro.

Localizadas no giro pré-central, as representações corticais do corpo são organizadas em um homúnculo motor — "homenzinho" — e são organizadas de forma invertida, de modo que as áreas que controlam os dedos dos dedos sejam encontradas na parede medial e a língua esteja localizada perto do sulco lateral.

Além disso, partes do corpo que requerem um controle motor voluntário mais fino, como as mãos e seus dígitos associados, têm representações maiores no córtex, em comparação com características anatômicas que não requerem uma manipulação tão precisa — como o quadril.

O homunculus também é lateralizado, com neurônios no córtex motor primário esquerdo — mostrado aqui — controlando o lado direito do corpo, e vice-versa. Assim, quando um indivíduo move seu quadril direito, há maior ativação cortical em seu giro pré-central esquerdo dentro de uma região discreta.

Este vídeo detalha um experimento que usa neuroimagem funcional moderna para demonstrar a organização mapeada pelo corpo do córtex motor primário humano, incluindo como coletar e analisar a atividade cerebral quando os participantes movem suas mãos ou pés.

Neste experimento, a atividade cerebral é medida usando ressonância magnética funcional, abreviada como fMRI, enquanto os participantes são repetidamente estimulados a mover diferentes partes do corpo — como os dígitos em suas mãos esquerda ou direita.

Essa técnica se baseia em alterações nos níveis de oxigenação sanguínea, conhecida como resposta BOLD-Blood-Oxygenation-Level-Dependent. Para uma visão aprofundada dos princípios por trás do método, consulte outro vídeo na Coleção SciEd Essentials of Neuroscience da JOVE, fMRI: Ressonância Magnética Funcional.

No contexto aqui apresentado, quando uma parte do corpo, como o pé esquerdo, está flexionando para frente e para trás, o fluxo sanguíneo cerebral oxigenado — fornecido por artérias do cérebro — aumenta para regiões neurais que estão ativas durante esse movimento, como o córtex motor primário.

No entanto, essa resposta hemodinâmica ocorre mais lentamente do que o movimento físico real, o que garante que as ações sejam separadas com períodos de descanso.

Assim, cada movimento corporal é precisamente cronometrado para distinguir as quatro condições uma da outra: mão esquerda, pé esquerdo, mão direita e pé direito.

Por exemplo, os participantes de uma máquina de ressonância magnética são solicitados a começar a gesticular sua mão esquerda quando um aparece no lado esquerdo de uma tela de apresentação.

O movimento da mão necessário é realmente complexo, e envolve tocar o polegar em cada dedo, em ordem, começando com o ponteiro. Em seguida, o participante deve repetir essas ações na direção oposta, começando pelo mindinho.

O movimento é interrompido quando a deixa — neste caso, a imagem da mão esquerda — desaparece da tela.

Da mesma forma, quando vêem um pé à direita, são instruídos a mover o pé direito empurrando-o para baixo repetidamente, até que a imagem desapareça.

Aqui, a variável dependente é a intensidade da resposta BOLD após um movimento da mão ou do pé, que pode então ser localizado para regiões cerebrais específicas.

Para um movimento da mão esquerda, a ativação cerebral é principalmente esperada na superfície dorsolateral direita do giro pré-central. Em contraste, para um movimento da mão direita, a ativação cerebral é antecipada na superfície dorsolateral esquerda. Esses resultados se alinhariam com o motor lateralizado homúnculo.

Antes do experimento, os participantes recrutados que são destros, têm visão normal ou corrigida ao normal, não têm implantes metálicos em seu corpo ou sofrem de claustrofobia por causa de preocupações experimentais de controle e segurança.

Que eles presiram a papelada pré-digitalização, que inclui questões relacionadas a questões de saúde e segurança durante a sessão, como o consentimento para um radiologista olhar suas imagens no caso de achados incidentais, bem como detalhar os riscos e benefícios do estudo.

Peça ao participante que também remova todos os objetos metálicos de seu corpo — incluindo relógios, telefones, carteiras, chaves, cintos e moedas — para se preparar para entrar na sala de digitalização.

Em seguida, explique as regras de tarefa: o apêndice que eles precisam mover — neste caso, seu pé — aparecerá como uma sugestão visual no lado correspondente da tela. Demonstre como eles devem mover o pé pressionando-o repetidamente para baixo, como se empurrando um pedal imaginário.

Quando uma deixa de mão aparece, eles devem tocar o polegar em cada dedo da mesma mão em ordem e, em seguida, repetir esta sequência ao contrário.

Agora, traga o participante para a sala de imagens. Forneça tampões de ouvido para proteger seus ouvidos contra ruídos altos e fones de ouvido para que eles possam ouvir qualquer comunicação adicional durante a sessão. Que deite-os sobre a cama com a cabeça na bobina e fixe-a com almofadas de espuma para evitar o excesso de movimento e desfoque durante o exame.

Acima dos olhos dos participantes, coloque um espelho que reflete uma tela na parte de trás do furo do scanner. Então, dê-lhes uma bola de aperto para usar em caso de emergência. Lembre-se também que é muito importante ficar o mais quieto possível o tempo todo.

Depois de orientar o participante dentro da máquina, primeiro colete imagens anatômicas de alta resolução. Para iniciar a porção funcional, sincronize a apresentação de estímulo com o início do scanner.

Apresente as pistas visuais através de um laptop conectado a um projetor, cada um por 12 s, seguido por 12 s de linha de base de descanso. Alternar entre as quatro condições: mão esquerda, mão direita, pé esquerdo e pé direito — repetindo quatro vezes dentro de 6,5 min.

Uma vez concluída a varredura, direcione o participante para fora da sala. Interrogá-los e fornecer compensação por sua participação no estudo.

Como primeiro passo da análise, pré-processo os dados realizando correção de movimento para reduzir artefatos, filtragem temporal para remover derivas de sinal e suavização espacial para aumentar a relação sinal-ruído.

Usando esses dados, crie um modelo da resposta hemodinâmica esperada para cada condição de tarefa. Em seguida, encaixe os dados nesse modelo, resultando em um mapa estatístico para cada sujeito, onde o valor em cada voxel — um pixel 3D de volume — representa até que ponto esse voxel estava envolvido na condição de tarefa.

Registre o cérebro do participante em um atlas padrão para combinar dados entre cada participante. Em seguida, combine todos os mapas estatísticos entre os participantes para uma análise de nível de grupo. Note que as mudanças no fluxo sanguíneo são representadas por cores diferentes na superfície do cérebro.

Os movimentos da mão direita, mostrados em azul, produziram a maior ativação na superfície lateral esquerda do giro pré-central, enquanto o engajamento da mão esquerda, representado em verde, produziu a maior ativação na superfície lateral direita.

Além disso, a flexionação do pé direito, indicada por azul claro, produziu ativação na superfície medial esquerda, enquanto a maior ativação para os movimentos do pé esquerdo, em amarelo, estava na superfície medial direita.

Esses resultados sugerem que as ações motoras podem ser localizadas para regiões discretas do córtex motor primário em ambos os hemisférios, suportando o homunculus motor.

Agora que você está familiarizado com a execução de um experimento fMRI para observar a organização do córtex motor primário, vamos considerar como o cérebro gerencia o movimento após o dano, ou após a fixação de membros protéticos.

Danos no giro pré-central esquerdo, como a partir de um derrame, podem levar à dificuldade em mover o lado direito do corpo.

Como você aprendeu neste vídeo, as partes específicas que são impactadas dependem da extensão da lesão: os prejuízos podem ser pequenos e afetar um único dedo, ou grandes o suficiente para influenciar todos os dígitos e todo o braço.

Embora as representações pareçam simples, o córtex motor primário não funciona sozinho, pois é apenas um segmento dentro de uma rede mais ampla de regiões que estão envolvidas na seleção, planejamento e coordenação do movimento. Assim, a localização dos danos pode não ser tão fácil quanto parece.

Uma abordagem terapêutica potencial para melhorar a função dos membros em amputados envolve interfaces cérebro-computador. Este método tecnicamente avançado é baseado em sinais eletromiográficos, ou EMG — a comunicação elétrica entre neurônios motores e movimentos musculares.

Os pesquisadores estão desenvolvendo maneiras de integrar gravações EMG com próteses de membros para controlar melhor os comportamentos motores, como ficar em pé ou até mesmo subir uma rampa.

Você acabou de assistir a introdução do JoVE aos mapas motorizados. Agora você deve ter uma boa compreensão de como projetar e conduzir o experimento fMRI, e finalmente como analisar e interpretar os resultados de ativação cerebral.

Obrigado por assistir!

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Results

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Neste experimento, os pesquisadores mediram a atividade cerebral com a ressonância magnética, enquanto os participantes moviam as mãos ou os pés. A análise estatística das alterações no fluxo sanguíneo é representada por diferentes cores na superfície do cérebro atlas padrão. As cores identificam os voxels, cujo curso de tempo melhor correspondeu ao curso de tempo previsto para uma condição específica.

Os resultados demonstram diferentes focos de ativação dentro do giro pré-central para o movimento dos diferentes membros(Figura 2). O movimento da mão direita produziu a maior ativação na superfície lateral esquerda do giro (azul), enquanto o movimento da mão esquerda produziu a maior ativação na superfície lateral direita (verde). Quando os participantes moveram seus pés, a ativação foi maior onde o giro pré-central se estende à superfície medial do cérebro. Os movimentos do pé do lado direito produziram ativação na superfície medial esquerda (ciano), enquanto a maior ativação para os movimentos do pé esquerdo foi na superfície medial direita (amarelo).

Figure 2
Figura 2: Ativações cerebrais resultantes do movimento das mãos e pés entre os participantes. Azul = Movimento da mão direita; Verde = Movimento da mão esquerda; Ciano = Movimento do pé direito; Amarelo = Movimento do pé esquerdo.

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Applications and Summary

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Esses resultados demonstram a organização somatotópica ou mapeada pelo corpo do córtex motor primário humano. Esse mapeamento tem implicações em como o dano ao cérebro afeta o movimento. Por exemplo, danos ao giro pré-central esquerdo levam à dificuldade em mover o lado direito do corpo, e as partes específicas do córtex motor primário afetados podem levar a problemas no controle de partes específicas do corpo. No entanto, também é importante notar que o córtex motor primário é apenas uma das muitas regiões cerebrais envolvidas no controle do movimento. O giro pré-central faz parte de uma rede mais ampla de regiões cerebrais que participam da seleção, planejamento e coordenação do movimento.

A capacidade de medir a atividade específica do efeito no córtex motor também leva à possibilidade de interfaces cérebro-computador, como aquelas que permitem o controle de membros protéticos. Por exemplo, usando gravações diretas de neurônios no córtex motor primário, pesquisadores demonstraram que os macacos podem controlar um membro protético para se alimentarem. 3

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References

  1. Lotze, M., et al. fMRI evaluation of somatotopic representation in human primary motor cortex. Neuroimage 11, 473-481 (2000).
  2. Rao, S.M., et al. Somatotopic mapping of the human primary motor cortex with functional magnetic resonance imaging. Neurology 45, 919-924 (1995).
  3. Velliste, M., Perel, S., Spalding, M.C., Whitford, A.S. & Schwartz, A.B. Cortical control of a prosthetic arm for self-feeding. Nature 453, 1098-1101 (2008).

Transcript

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