Development of a magnetic resonance compatible wrist device for the analysis of movement encoding in the brain

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016

A interação com o mundo é feita através de movimento - desde a locomoção até à comunicação verbal - tornando o controlo de movimento um dos aspectos fundamentais de maior interesse em neurociência. O controlo de movimento tem sido alvo de observação desde cedo em estudos comportamentais e neurofisiológicos, e sabemos hoje que os movimentos voluntários resultam de padrões de impulsos elétricos gerados no sistema nervoso. Contudo, não conhecemos ainda os aspetos mais precisos da geração de padrões de movimento nem a sua relação com parâmetros como direção, velocidade, etc. Uma característica importante do controlo de movimento é a existência de tuning direcional - que consiste numa resposta neuronal preferencial a uma direção de movimento. Ao executar movimentos numa direção preferida, alguns neurónios despolarizam a uma frequência máxima, e a mesma diminui gradualmente à medida que o movimento se afasta da direção preferida. Este fenómeno foi caracterizado em 1982 em áreas motoras (córtex motor primário) ao serem executados movimentos direcionais do braço contralateral. Contudo, estudos recentes mostram a existência de tuning direcional não só para o membro contralateral, mas também para o membro ipsilateral. Estas representações direcionais foram encontradas com medições electrofisiológicas ao nível celular, e também com técnicas modernas de imagiologia que medem sinal proveniente de volumes da ordem de mm3, como ressonância magnética funcional. Com recurso a ambos os tipos de técnicas foram encontradas representações ipsilaterais bem estruturadas para movimentos ao nível do braço bem como dos dedos. Desta forma, ambos os hemisférios cerebrais codificam movimentos direccionais de ambas as mãos. Sabemos também, por experiência quotidiana, que os movimentos bimanuais são bem coordenados, o que sugere que os mesmos são gerados tomando em conta informação de ambas as mãos. No entanto, a relação entre os padrões neuronais de movimentos bimanuais e unimanuais ainda não é clara. Nesta dissertação pretende-se localizar e caracterizar tuning direcional durante movimentos unimanuais e bimanuais no cérebro humano. Desta forma temos como objectivo procurar quais as regiões corticais que codificam movimentos direcionais da mão contralateral, da mão ipsilateral, bem como as representações de movimentos bimanuais e a sua relação com movimentos unimanuais. Para tal, foi desenhada uma experiência motora para testar movimentos direcionais, que foi executada em simultâneo com a aquisição de imagens de ressonância magnética funcional. Foi desenvolvido um dispositivo para monitorizar de forma precisa movimentos da mão. De forma a assegurar compatibilidade com o ambiente em ressonância magnética, foram construídos dois manípulos ergonómicos com recurso a impressão 3D em nylon. Os manípulos foram equipados com sensores de rotação resistivos, e foram montados numa mesa de suporte desenvolvida para o efeito. Afim de treinar os participantes e controlar a experiência, foi desenvolvido um protocolo motor organizado de forma semelhante a um jogo de alvos. Os participantes controlaram a posição de cursores num ecrã utilizando movimentos das mãos, monitorizados pelo dispositivo. O objectivo do protocolo motor foi atingir 6 alvos radiais com os cursores e voltar à posição central, com movimentos de cada uma das mãos, ou as duas (para todas as combinações de 6 alvos para cada mão). No total, a experiência consistiu em 48 condições de movimento – 6 movimentos radiais para a mão esquerda, 6 para a mão direita e 36 combinações bimanuais. A experiência motora foi executada por 7 sujeitos destros saudáveis. Após uma sessão de treino, a experiência decorreu num scanner de ressonância magnética funcional Siemens Trio 3T, onde foram adquiridas imagens funcionais durante 10 repetições da experiência para cada sujeito. Adicionalmente, foram adquiridos dados de cinemática para as duas mãos durante as sessões de treino e de teste. A análise de dados de cinemática consistiu na observação de tempos de reação e de movimento em cada condição. Comparámos condições unimanuais e bimanuais, testámos efeitos de direção, e ainda combinações bimanuais (movimentos simétricos, paralelos ou não relacionados). Para cada uma destas hipóteses foram usados os testes estatísticos aplicáveis. Não foram observados efeitos significativos nos tempos de reação, de forma consistente, para qualquer das condições em estudo. Pelo contrário, os tempos de movimento foram consistentemente sensíveis aos efeitos estudados. As imagens por ressonância magnética funcional foram analisadas numa primeira fase conforme o procedimento tradicional. Este consiste no pré-processamento - envolvendo correções espaciais de efeitos de campo magnético, filtragem temporal, alinhamento com a imagem anatómica e segmentação. De seguida foi aplicado um modelo linear de forma de forma de independente para cada voxel (unidade discreta de volume) nas imagens. O modelo consistiu em 48 variáveis categóricas, correspondentes às condições de movimento em estudo, e 10 variáveis categóricas correspondentes às sessões de repetição da experiência. O objetivo deste modelo é a estimação dos pesos (β) da regressão linear, i.e., para cada condição é estimada a influência da mesma no sinal em cada voxel. De seguida é possível fazer inferência sobre os valores β - sob a hipótese nula de que são, em média, zero. Procedendo desta forma, foi aplicado um teste t aos regressores β associados a movimentos da mão esquerda, direita, e movimentos bimanuais para as regiões: área sensorial somática I (S1), córtex motor primário (M1), córtex pré-motor ventral e dorsal (PMv, PMd), área motora suplementar (AMS), lóbulo parietal superior, anterior e posterior (LPSa, LPSp) e córtex visual (V12). Foram encontrados valores de activação predominantemente associados com movimentos contralaterais e bimanuais, e activação menor em movimentos ipsilaterais. Os resultados coincidem fortemente com a perspetiva clássica de que cada hemisfério está associado a controlo da mão contralateral. Contudo, os métodos univariados testam o quanto os voxels (ou regiões) variam a sua resposta com condições individuais, tornando a comparação entre condições de movimento difícil. Adicionalmente, estes métodos são indicados para o mapeamento de activação perante estímulos, mas não para avaliar a estrutura da representação de condições, i.e., caracterizar respostas neuronais associadas conjunto de estímulos - como é o caso de tuning direcional. Desta forma, foi aplicado um modelo de análise representacional no qual se pressupõe que os estímulos podem ser caracterizados por padrões de activação - neste caso correspondentes aos valores beta para cada voxel quando é executada uma condição. Neste modelo é calculada uma medida de (dis)similaridade entre todos os pares de condições. Neste projecto foi utilizada a distância Euclidiana, sendo que as comparações entre pares das 48 condições foram organizadas em matrizes de distância. Os resultados revelam, qualitativamente, a presença duma estrutura de tuning direcional bem definida para movimentos contralaterais, bem como ipsilaterais. Também os movimentos bimanuais apresentaram uma estrutura de tuning bem definida e diferenciada entre regiões. De forma a quantificar e inferir acerca da presença de codificação direcional, os valores de distância correspondentes às condições contralaterais, ipsilaterais e bimanuais foram testados estatisticamente. Este teste assenta no pressuposto de que, perante a inexistência de codificação, as distâncias são zero (este pressuposto foi confirmado). Os resultados indicam uma forte codificação direcional de movimentos contralaterais para todas as regiões testadas. Este resultado é coincidente com estudos anteriores que encontram tuning direcional contralateral em todas as regiões em que o mesmo foi investigado. Contudo, encontrámos também uma forte codificação de movimentos ipislaterais, excepto na AMS e LPS anterior no hemisfério direito (não dominante). Estes resultados são coerentes com estudos recentes que mostram uma forte presença de codificação de movimentos ipsilaterais. Os movimentos bimanuais estão também caracterizados por uma forte representação. Contudo, existe a hipótese de que estes estejam presentes apenas como consequência da codificação direcional de movimentos da mão contralateral (ou ipsilateral), e não directamente associados à codificação especializada de movimentos bimanuais. Esta hipótese é, contudo, de elevado interesse, já que uma codificação bimanual especializada pode explicar o mecanismo da coordenação bimanual. Desta forma, as matrizes de distância foram reorganizadas em termos de movimentos da mão esquerda e da mão direita. Os mapas resultantes foram comparados qualitativamente com simulações, revelando uma codificação bimanual maioritariamente associada com movimentos contralaterais. Contudo, a AMS e o córtex premotor ventral aparentam codificar movimentos bimanuais de forma não-linear, que poderá indicar alguma especialização em movimentos bimanuais que poderá ser útil para coordenação. Trabalho futuro envolverá avaliar quantitativamente estes mapas de forma a perceber quanta codificação bimanual é gerada de forma especializada. Os resultados deste estudo coincidem com estudos recentes de codificação ipsilateral, e revisitam questões acerca da codificação bimanual. No futuro pretende-se decompor a codificação bimanual, avaliar de forma extensa e continua a superfície cortical, cerebelo e núcleos da base. Adicionalmente, esperamos executar futuras aquisições em novos participantes. Este tipo de estudo pretende responder a questões no âmbito do controlo neural de movimento, que poderão ser úteis futuramente no contexto da reabilitação e controlo robótico. Consideramos também que os métodos de procura de codificação poderão ser utilizados para caracterização do sistema motor de sujeitos saudáveis em comparação com casos patológicos como acidente vascular cerebral, fornecendo um meio de avaliação dos mesmos.

We interact with the world by moving our body: legs for locomotion, hands for dexterous tasks, and articulatory muscles to communicate. It is known that these movements result from patterns of electrical impulses in the nervous system. However, it is not yet known how the brain controls the fine aspects of movement. One important characteristic of movement control in the brain is directional tuning - a preferential neuronal response to an executed direction. In this work, we examine where and how the brain encodes movement directions in unimanual and bimanual movements in humans. In order to address this question, we designed a motor experiment for directional movements. A hand device was developed in order to precisely monitor hand movements while 7 right-handed healthy participants executed a motor task. The task was built similarly to a game in which participants reached radial targets using wrist movements of one or both hands. After training, subjects executed the motor task in a magnetic resonance scanner. Functional imaging data were acquired and analysed using novel multivoxel pattern analysis, in which we calculate pairwise dissimilarities of patterns of fMRI voxel activity across movement conditions. We tested for encoding of unimanual (contralateral and ipsilateral) and bimanual movements in cortical regions of interest. Kinematics data were also analysed to test for performance effects of direction and hand combination. We found significant encoding of contralateral and bimanual movements in all tested regions. Ipsilateral movements were strongly represented in both hemispheres, except for right supplementary motor area and anterior-superior parietal lobule. Furthermore, the right (non-dominant) hemisphere encoded contralateral movements more preferentially than ipsilateral ones, when compared with the left hemisphere. These results are in line with recent findings of well-defined ipsilateral movement representations. Future work will involve decomposing bimanual tuning functions in order to find a quantitative relationship between bimanual and unimanual encoding.