Mapas motorizados

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!