Resting state fMRI experimental and analytical methodology: a functional connectivity analysis

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Fernandes, Catarina Dinis
Data de Publicação: 2013
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/10184
Resumo: Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica , apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013
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spelling Resting state fMRI experimental and analytical methodology: a functional connectivity analysisEngenharia biomédicaEngenharia biofísicaRadiações em diagnóstico e terapiaTeses de mestrado - 2013Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica , apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013O ser humano desde sempre se sentiu fascinado pelo estudo do seu próprio corpo assim como das suas propriedades funcionais. Do desejo de compreender e explorar o corpo humano surgiram então técnicas que permitem o seu estudo de modo não invasivo. Entre as primeiras técnicas de imagiologia encontram-se os Raios-X, a tomografia axial computadorizada (TAC) e a terapia por emissão de positrões (PET: do inglês “Positron Emission Therapy"). Contudo, todas elas utilizam radiação ionizante, e como tal surgiu o desejo de desenvolver novas metodologias igualmente não invasivas mas que por seu lado não utilizem qualquer tipo de radiação ionizante. Entre estas técnicas encontra-se a imagiologia por ressonância magnética (MRI: do inglês “Magnetic Resonance Imaging”) que pode ser utilizada para estudar as estruturas anatómicas mas também os seus mecanismos funcionais através da aplicação da técnica de ressonância magnética funcional (fMRI: do inglês “functional magnetic resonance imaging). Contrariamente às técnicas que utilizam radiação ionizante, a imagiologia por ressonância magnética tira partido do facto de o ser humano ser maioritariamente constituído por água. Um ser humano adulto é por norma constituído por cerca de 70 – 80% de água (H2O) o que se reflecte numa grande abundância de protões – núcleo 1H. Quando submetidos a um forte campo magnético, o momento magnético destas partículas tende a alinhar-se de acordo com a direcção do campo magnético externo (B0). Após alinhados os protões são então submetidos a um pulso de radiofrequência (com frequência igual à frequência de Larmor destas partículas) que é absorvido e modifica o momento magnético (i.e. Spin) dos protões. Quando este pulso é desligado, o spin dos protões retorna ao equilíbrio termodinâmico, de acordo com a direcção do campo magnético B0, emitindo energia sob a forma de radiofrequência (RF). Estes mecanismos de relaxação diferem consoante o conteúdo em água dos tecidos e são estes que permitem a identificação da sua estrutura. Gradientes de campo magnético são tamb ém utilizados de modo a criar ligeiras diferenças no campo magnético que permitem a codificação do sinal com informação espacial. A imagiologia por ressonância magnética faz, nos dias de hoje, parte da rotina hospitalar providenciando imagens com grande precisão e resolução anatómica. Todavia a informação estrutural nem sempre é suficiente para estudar patologias que não exibem diferenças anatómicas, tais como depressão ou esquizofrenia. Surge então a ressonância magnética funcional, que utiliza o nível de oxigenação do sangue (BOLD: do inglês “Blood-oxygenation level dependent”) como uma medida indirecta de activação neuronal. Através da utilização desta técnica é então possível mapear zonas cerebrais responsáveis pelo processamento de sinais como por exemplo estímulos visuais, tácteis ou auditivos. A título de exemplo, temos o estudo de doenças como o autismo ou até mesmo de distúrbios de consciência. A nível clínico a ressonância magnética funcional é utilizada para mapear funções críticas como por exemplo a fala, o movimento, o planeamento de tarefas, etc. Esta técnica oferece aos profissionais de saúde a chance de desenvolver um melhor planeamento cirúrgico sendo que é também aplicada no planeamento de tratamentos de radioterapia a nível cerebral com o intuito de mapear funcionalmente o cérebro e detectar os efeitos que tumores, AVC e lesões cerebrais possam ter ao nível da reestruturação das suas funções. Até muito recentemente a grande maioria da informação disponível acerca da conectividade anatómica cerebral era estritamente proveniente de estudos efectuados em primatas, recorrendo ao uso de técnicas extremamente invasivas (Felleman, Van Essen 1991, Jones, Powell 1970, Mesulam 2000, Ungerleider, Haxby 1994) assim como do estudo de lesões em casos humanos (ex: (Geschwind 1965)). Frinston (Friston et al. 1993) utilizando PET e Biswal (Biswal et al. 1995) através do uso de fMRI foram os primeiros a identificar que para além das ligações anatómicas entre diferentes estruturas cerebrais é também possível identificar ligações funcionais entre regiões que à primeira vista parecem não ter qualquer tipo de ligação. À técnica que usa MRI no estudo da conectividade funcional foi dado o nome de conectividade funcional de ressonância magnética (fcMRI: do inglês “Functional connectivity MRI”). Esta utiliza ressonância magnética funcional e as oscilações de baixa frequência ao nível do sinal BOLD em cada voxel para estabelecer correlações. Com base na ideia de que duas zonas se podem dizer funcionalmente relacionadas se estas se encontram a operar no mesmo processo, é portanto possível assumir que as variações no seu sinal BOLD serão bastante semelhantes exibindo uma alta correlação. A título de exemplo vejamos duas regiões do córtex motor primário, localizadas em hemisférios opostos, e que contudo apresentam sinais BOLD altamente correlacionados. Com esta ideia em mente foi então desenvolvido o conceito de redes funcionais que são usualmente estudadas durante períodos de repouso. Exactamente durante esta condição foi verificada a existência de uma rede funcional extremamente consistente entre indivíduos, e mesmo entre diferentes estados como durante o sono ou anestesia. A esta rede foi dado o nome de “Default-mode network” (Raichle et al. 2001) sendo que esta inclui regiões do córtex posterior cingulado, precuneus e do córtex prefrontal medial. A “defaultmode network” é a rede mais estudada, mas para além desta existem outras redes tal como a rede visual, a auditiva, a de controle executivo, a de atenção, entre outras. Estas redes encontram-se frequentemente interrompidas ou modificadas em casos de doença. Os projectos descritos no âmbito desta dissertação focam-se no estudo destas redes bem como das suas propriedades em casos de doença (distúrbios de consciência, AVC) e durante a performance de actividade física. A fim de estudar estas redes funcionais foram utilizados diferentes métodos para o cálculo da conectividade funcional. Entre os mais reconhecidos métodos de cálculo de conectividade funcional encontram-se a análise com base numa região de interesse, a análise através do estudo da independência entre componentes bem como métodos que permitem o cálculo da conectividade cerebral a nível global. Os métodos que utilizam uma região de interesse focam-se no cálculo da conectividade entre esta região e o resto do cérebro através do uso de medidas de correlação. O segundo método mencionado separa as várias redes neuronais com base na máximizacao da sua independência estatística. Por último, os métodos de análise global calculam a correlação das série temporal de cada voxel com todos os outros voxeis do cérebro. A contribuição da autora para os estudos descritos ao longo desta dissertacao focou-se no uso de duas destas técnicas – “seed-based analysis” e “wGBC”- no cálculo da conectividade cerebral em cada um dos diferentes projectos. No primeiro projecto, descrito no capítulo 3 desta dissertação, são apresentadas vários paradigmas que em conjunto com o uso de ressonância magnética funcional, foram desenhados para detectar consciência e percepção em doentes que sofrem de distúrbios de consciência. Estes paradigmas foram testados num grupo de voluntários saudáveis de modo a verificar se são adequados ou se necessitam de ser optimizados. A autora foi então responsável por executar uma análise individual e de grupo da activação induzida pela execução destes mesmos paradigmas. O desenvolvimento de paradigmas adequados a estes pacientes, combinadas com o uso de fMRI vem complementar e melhorar o diagnóstico e prognóstico destes doentes. No capítulo 4 desta dissertação a autora focou-se na análise da conectividade funcional em pacientes que foram diagnosticados com um pequeno AVC, com enxaquecas e com TIAs. Este procedimento utilizou técnicas de cálculo da conectividade com regiões de interesse e medidas globais de conectividade funcional. O objectivo deste estudo é uma vez mais averiguar se a inclusão de uma sequência de conectividade funcional poderá facilitar o diagnóstico destes doentes bem como o seu prognóstico. No quinto capítulo a autora foca-se no estudo das diferenças induzidas ao nível da conectividade funcional por uma única sessão de exercício físico. São uma vez mais utilizadas técnicas de cálculo da conectividade com regiões de interesse bem como outros métodos implementados por outros investigadores do departamento. É também incluído nesta dissertação um capítulo no qual foram analisadas as propriedades destas redes neuronais ao nível de uma população saudável. É importante que tanto as condições de aquisição dos dados de ressonância magnética funcional como as metodologias de análise estejam bem estabelecidas para que os dados provenientes de diferentes estudos sejam comparáveis e para que possamos estabelecer de forma fiável conclusões acerca de populações saudáveis e doentes. O conceito de repouso é ainda muito variável, particularmente quando é apenas pedido aos participantes que permaneçam calmos e imóveis. Certos estudos requerem que os participantes permaneçam de olhos fechados, outros de olhos abertos e outros ainda que fixem uma imagem projectada num ecrã. Uma grande variabilidade de estados podem ser originados com este design experimental, sendo que estes vão desde o simples devaneio em torno de um assunto, que por qualquer razão se encontra mais fortemente em mente, ou até mesmo o adormecer. Com o objecto de estudar estas variações, o capítulo 6 foca-se na investigação da conectividade cerebral resultante de duas diferentes situações bem como da sua variabilidade. Neste capítulo a autora procurou estudar a reprodutibilidade e confiança destas redes funcionais cerebrais quando é pedido aos participantes que executem uma tarefa de baixo requerimento cognitivo. A análise foi executada através do cálculo da correlação entre séries temporais bem como da sua análise estatística, utilizando medidas como o coeficiente de correlação intra-classes, que fornece uma estimativa de reprodutibilidade entre diferentes medições. Deste trabalho resultaram uma apresentação oral e a apresentação de um poster. Os resultados foram no geral positivos mas em alguns casos bastante ambíguos. As mais recentes publicações evidenciam o interesse em estudar não só a distribuição espacial destas redes como também as suas propriedades temporais que se parecem evidenciar como extremamente dinâmicas. Como tal fica aqui aberto o caminho para a continuação da exploração das redes funcionais cerebrais bem como da sua variabilidade. Numa nota final, consideramos importante salientar que o vasto estudo da conectividade cerebral assim como o dos seus mecanismos é ainda uma área de investigação com pouco mais de uma década e com um ainda longo caminho a percorrer.Conventional functional magnetic resonance imaging (fMRI) is used to measure small fluctuations in the blood oxygenation level dependent (BOLD) signal resulting from neural activation due to an external stimulus or task. Nonetheless, this imaging technique can also be applied to the study of functional connectivity in the human brain. Since it was first acknowledged that BOLD signal fluctuations also occur during resting periods that increased attention has been directed to the investigation of brain behaviour during this particular state. There is still an on-going debate as to whether these fluctuations actually reflect neuronal baseline activity or are just the result of physiological metabolism and therefore independent o neuronal function. Also, can this resting state activity be truly called a “baseline” for comparisons? Moreover, functional connectivity has identified several networks, of which the default mode network is the most robust. This network is believed to have a great importance in brain awareness and cognition. Further research is crucial to correctly understand these events and also to create a standardised methodology to perform the resting state fMRI acquisitions. The RESTATE (Resting State Techniques) project arises from the need to comprehend and correctly interpret the measured low frequency BOLD oscillations during resting periods. With this longitudinal study, comprising a baseline and a follow-up scan, we aim to assess the implications of using a low cognitive level paradigm upon the reproducibility of the data during functional connectivity analysis.Schwarzbauer, ChristianAndrade, Alexandre da Rocha Freire de, 1971-Repositório da Universidade de LisboaFernandes, Catarina Dinis2014-01-20T16:02:16Z20132013-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/10184TID:201289610enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T15:55:18Zoai:repositorio.ul.pt:10451/10184Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:34:12.261100Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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