Conectividade estrutural do cérebro

Mestrado em Radiações Aplicadas às Tecnologias da Saúde. Área de especialização: Ressonância Magnética

Caracterização de regiões encefálicas no cérebro normal por tensor de difusão e aplicação à epilepsia pós-traumática

Mestrado em Radiações Aplicadas às Tecnologias da Saúde.

Conectividade estrutural do cérebro: diferenças entre um cérebro normal e um cérebro com patologia

Perceber a rede estrutural formada pelos neurónios no cérebro a nível da macro escala é um desafio atual na área das neurociências. Neste estudo analisou-se a conectividade estrutural do cérebro em 22 indivíduos saudáveis e em dois doentes com epilepsia pós-traumática. Avaliaram-se as diferenças entre estes dois grupos. Também se pesquisaram diferenças a nível do género e idade no grupo de indivíduos saudáveis e os que têm valores médios mais elevados nas métricas de caracterização da rede. Para tal, desenvolveu-se um protocolo de análise recorrendo a diversos softwares especializados e usaram-se métricas da Teoria dos Grafos para a caracterização da conectividade estrutural entre 118 regiões encefálicas distintas. Dentro do grupo dos indivíduos saudáveis concluiu-se que os homens, no geral, são os que têm média mais alta para as métricas de caracterização da rede estrutural. Contudo, não se observaram diferenças significativas em relação ao género nas métricas de caracterização global do cérebro. Relativamente à idade, esta correlaciona-se negativamente, no geral, com as métricas de caracterização da rede estrutural. As regiões onde se observaram as diferenças mais importantes entre indivíduos saudáveis e doentes são: o sulco rolândico, o hipocampo, o pré-cuneus, o tálamo e o cerebelo bilateralmente. Estas diferenças são consistentes com as imagens radiológicas dos doentes e com a literatura estudada sobre a epilepsia pós-traumática. Preveem-se desenvolvimentos para o estudo da conectividade estrutural do cérebro humano, uma vez que a sua potencialidade pode ser combinada com outros métodos de modo a caracterizar as alterações dos circuitos cerebrais.

Medir o cérebro, para quê?

Várias são as “janelas” da Ressonância Magnética (RM) que hoje têm aplicação na clínica. Servem para fundamentar o diagnóstico (p.e., da encefalopatia microvascular do idoso), o prognóstico (p.e., do declínio cognitivo), a terapêutica (p.e., da desmielinização primária). Com elas também poderemos aceder ao estudo fiável da substância branca aparentemente normal (T2 convencional), o que será importante para prever a evolução. Havendo, agora, uma outra contrastização quantificável – sem T1 nem T2 –, a designação genérica dos métodos será RMq. Duas são as nossas interrogações durante a execução e interpretação da RMq. A primeira, de índole executiva, questiona o enquadramento clínico destes estudos estruturais? De modo isolado ou partilhado? Opinamos que as duas “janelas” da RMq serão complementares e, por isso, de comum aplicação por rotina – transferência da magnetização (TM) e difusão protónica (D/ADC). Por que as consideramos complementares entre si? Porque cada uma, a seu modo, ou seja, pela interacção da água ligada às macromoléculas, na TM, e pelo movimento molecular activo, na D/ADC, é propícia à medição da estrutura e da neurobiologia. Para ambas, o substrato será a célula com a membrana de mielina e a água, que lhe estar estará associada. Então, a RMq será uma sonda in vivo para a função. A interrogação interpretativa prende-se com a analogia entre a estrutura, que pretendemos ler, e a neurobiologia, que supomos deduzir. Tal resposta tem uma praxis muito estrita, porque a RMq estuda o cérebro vivo e contido no crânio. O conhecimento terá o seu episteme não só na Clínica, que o lidera, mas também na Imagiologia, que connosco recriará os protocolos de investigação.

Avaliação de dados funcionais em repouso do cérebro normal: causalidade de Granger

Mestrado em Radiações Aplicadas às Tecnologias da Saúde. Área de especialização: Ressonância Magnética

“Aprender é ocupar o cérebro com coisas essenciais” - conceções de ensino e aprendizagem no 1.º ciclo do ensino básico

Relatório de Estágio apresentado à Escola Superior de Educação de Lisboa para obtenção de grau de mestre em Ensino do 1.º e 2.º Ciclos do Ensino Básico

Substância branca no cérebro do idoso “bem-sucedido”: avaliação do coeficiente aparente de difusão

Na literatura, os valores das métricas da Diffusion Weighthed Imaging (DWI) não são consensuais. Tanto se relata que o coeficiente aparente de difusão (ADC) é uma medida quantitativa das alterações microestruturais e um marcador sensível às alterações precoces no idoso, como a perda de mielina, como existem outros estudos que contrariam a teoria da senescência da substância branca (SB) e indicam que o ADC não é influenciado pela idade, género ou lateralização do hemicérebro. Objetivos do estudo - Foram objetivos deste estudo contribuir para a diminuição da ambiguidade de opinião quanto às alterações microestruturais da SB no idoso, correlacionando a avaliação das imagens de RM estrutural com os valores da quantificação por ADC e presumir sobre a potencialidade deste binómio na predição das alterações precoces da SB sem que estas estejam ainda traduzidas na imagem por RM.

Application of neural networks for pavement evaluation

As vias de comunicação são indispensáveis para o desenvolvimento de uma nação, económica e socialmente. Num mundo globalizado, onde tudo deve chegar ao seu destino no menor espaço de tempo, as vias de comunicação assumem um papel vital. Assim, torna-se essencial construir e manter uma rede de transportes eficiente. Apesar de não ser o método mais eficiente, o transporte rodoviário é muitas vezes o mais económico e possibilita o transporte porta-a-porta, sendo em muitos casos o único meio de transporte possível. Por estas razões, o modo rodoviário tem uma quota significativa no mercado dos transportes, seja de passageiros ou mercadorias, tornando-o extremamente importante na rede de transportes de um país. Os países europeus fizeram um grande investimento na criação de extensas redes de estradas, cobrindo quase todo o seu território. Neste momento, começa-se a atingir o ponto onde a principal preocu+ação das entidades gestoras de estradas deixa de ser a construção de novas vias, passando a focar-se na necessidade de manutenção e conservação das vias existentes. Os pavimentos rodoviários, como todas as outras construções, requerem manutenção de forma a garantir bons níveis de serviço com qualidade, conforto e segurança. Devido aos custos inerentes às operações de manutenção de pavimentos, estas devem rigorosamente e com base em critérios científicos bem definidos. Assim, pretende-se evitar intervenções desnecessárias, mas também impedir que os danos se tornem irreparáveis e economicamente prejudiciais, com repercussões na segurança dos utilizadores. Para se estimar a vida útil de um pavimento é essencial realizar primeiro a caracterização estrutural do mesmo. Para isso, torna-se necessário conhecer o tipo de estrutura de um pavimento, nomeadamente a espessura e o módulo de elasticidade constituintes. A utilização de métodos de ensaio não destrutivos é cada vez mais reconhecida como uma forma eficaz para obter informações sobre o comportamento estrutural de pavimentos. Para efectuar estes ensaios, existem vários equipamentos. No entanto, dois deles, o Deflectómetro de Impacto e o Radar de Prospecção, têm demonstrado ser particularmente eficientes para avaliação da capacidade de carga de um pavimento, sendo estes equipamentos utilizados no âmbito deste estudo. Assim, para realização de ensaios de carga em pavimentos, o equipamento Deflectómetro de Impacto tem sido utilizado com sucesso para medir as deflexões à superfície de um pavimento em pontos pré-determinados quando sujeito a uma carga normalizada de forma a simular o efeito da passagem da roda de um camião. Complementarmente, para a obtenção de informações contínuas sobre a estrutura de um pavimento, o equipamento Radar de Prospecção permite conhecer o número de camadas e as suas espessuras através da utilização de ondas electromagnéticas. Os dados proporcionam, quando usados em conjunto com a realização de sondagens à rotação e poços em alguns locais, permitem uma caracterização mais precisa da condição estrutural de um pavimento e o estabelecimento de modelos de resposta, no caso de pavimentos existentes. Por outro lado, o processamento dos dados obtidos durante os ensaios “in situ” revela-se uma tarefa morosa e complexa. Actualmente, utilizando as espessuras das camadas do pavimento, os módulos de elasticidade das camadas são calculados através da “retro-análise” da bacia de deflexões medida nos ensaios de carga. Este método é iterativo, sendo que um engenheiro experiente testa várias estruturas diferentes de pavimento, até se obter uma estrutura cuja resposta seja o mais próximo possível da obtida durante os ensaios “in Situ”. Esta tarefa revela-se muito dependente da experiência do engenheiro, uma vez que as estruturas de pavimento a serem testadas maioritariamente do seu raciocínio. Outra desvantagem deste método é o facto de apresentar soluções múltiplas, dado que diferentes estruturas podem apresentar modelos de resposta iguais. A solução aceite é, muitas vezes, a que se julga mais provável, baseando-se novamente no raciocínio e experiência do engenheiro. A solução para o problema da enorme quantidade de dados a processar e das múltiplas soluções possíveis poderá ser a utilização de Redes Neuronais Artificiais (RNA) para auxiliar esta tarefa. As redes neuronais são elementos computacionais virtuais, cujo funcionamento é inspirado na forma como os sistemas nervosos biológicos, como o cérebro, processam a informação. Estes elementos são compostos por uma série de camadas, que por sua vez são compostas por neurónios. Durante a transmissão da informação entre neurónios, esta é modificada pela aplicação de um coeficiente, denominado “peso”. As redes neuronais apresentam uma habilidade muito útil, uma vez que são capazes de mapear uma função sem conhecer a sua fórmula matemática. Esta habilidade é utilizada em vários campos científicos como o reconhecimento de padrões, classificação ou compactação de dados. De forma a possibilitar o uso desta característica, a rede deverá ser devidamente “treinada” antes, processo realizado através da introdução de dois conjuntos de dados: os valores de entrada e os valores de saída pretendidos. Através de um processo cíclico de propagação da informação através das ligações entre neurónios, as redes ajustam-se gradualmente, apresentando melhores resultados. Apesar de existirem vários tipos de redes, as que aparentam ser as mais aptas para esta tarefa são as redes de retro-propagação. Estas possuem uma característica importante, nomeadamente o treino denominado “treino supervisionado”. Devido a este método de treino, as redes funcionam dentro da gama de variação dos dados fornecidos para o “treino” e, consequentemente, os resultados calculados também se encontram dentro da mesma gama, impedindo o aparecimento de soluções matemáticas com impossibilidade prática. De forma a tornar esta tarefa ainda mais simples, foi desenvolvido um programa de computador, NNPav, utilizando as RNA como parte integrante do seu processo de cálculo. O objectivo é tornar o processo de “retro-análise” totalmente automático e prevenir erros induzidos pela falta de experiência do utilizador. De forma a expandir ainda mais as funcionalidades do programa, foi implementado um processo de cálculo que realiza uma estimativa da capacidade de carga e da vida útil restante do pavimento, recorrendo a dois critérios de ruína. Estes critérios são normalmente utilizados no dimensionamento de pavimentos, de forma a prevenir o fendilhamento por fadiga e as deformações permanentes. Desta forma, o programa criado permite a estimativa da vida útil restante de um pavimento de forma eficiente, directamente a partir das deflexões e espessuras das camadas, medidas nos ensaios “in situ”. Todos os passos da caracterização estrutural do pavimento são efectuados pelo NNPav, seja recorrendo à utilização de redes neuronais ou a processos de cálculo matemático, incluindo a correcção do módulo de elasticidade da camada de misturas betuminosas para a temperatura de projecto e considerando as características de tráfego e taxas de crescimento do mesmo. Os testes efectuados às redes neuronais revelaram que foram alcançados resultados satisfatórios. Os níveis de erros na utilização de redes neuronais são semelhantes aos obtidos usando modelos de camadas linear-elásticas, excepto para o cálculo da vida útil com base num dos critérios, onde os erros obtidos foram mais altos. No entanto, este processo revela-se bastante mais rápido e possibilita o processamento dos dados por pessoal com menos experiência. Ao mesmo tempo, foi assegurado que nos ficheiros de resultados é possível analisar todos os dados calculados pelo programa, em várias fases de processamento de forma a permitir a análise detalhada dos mesmos. A possibilidade de estimar a capacidade de carga e a vida útil restante de um pavimento, contempladas no programa desenvolvido, representam também ferramentas importantes. Basicamente, o NNPav permite uma análise estrutural completa de um pavimento, estimando a sua vida útil com base nos ensaios de campo realizados pelo Deflectómetro de Impacto e pelo Radar de Prospecção, num único passo. Complementarmente, foi ainda desenvolvido e implementado no NNPav um módulo destinado ao dimensionamento de pavimentos novos. Este módulo permite que, dado um conjunto de estruturas de pavimento possíveis, seja estimada a capacidade de carga e a vida útil daquele pavimento. Este facto permite a análise de uma grande quantidade de estruturas de pavimento, e a fácil comparação dos resultados no ficheiro exportado. Apesar dos resultados obtidos neste trabalho serem bastante satisfatórios, os desenvolvimentos futuros na aplicação de Redes Neuronais na avaliação de pavimentos são ainda mais promissores. Uma vez que este trabalho foi limitado a uma moldura temporal inerente a um trabalho académico, a possibilidade de melhorar ainda mais a resposta das RNA fica em aberto. Apesar dos vários testes realizados às redes, de forma a obter as arquitecturas que apresentassem melhores resultados, as arquitecturas possíveis são virtualmente ilimitadas e pode ser uma área a aprofundar. As funcionalidades implementadas no programa foram as possíveis, dentro da moldura temporal referida, mas existem muitas funcionalidades a serem adicinadas ou expandidas, aumentando a funcionalidade do programa e a sua produtividade. Uma vez que esta é uma ferramenta que pode ser aplicada ao nível de gestão de redes rodoviárias, seria necessário estudar e desenvolver redes similares de forma a avaliar outros tipos de estruturas de pavimentos. Como conclusão final, apesar dos vários aspectos que podem, e devem ser melhorados, o programa desenvolvido provou ser uma ferramenta bastante útil e eficiente na avaliação estrutural de pavimentos com base em métodos de ensaio não destrutivos.

Ressonância magnética funcional: mapeamento do córtex motor através da técnica BOLD

A ressonância magnética funcional (RMf) é hoje uma ferramenta fundamental na investigação funcional do cérebro humano, quer em indivíduos saudáveis quer em pacientes com patologias diversas. É uma técnica complexa que necessita de uma aplicação cuidada e rigorosa, e uma compreensão dos mecanismos biofísicos a ela subjacentes, de modo a serem obtidos resultados fiáveis e com melhor aceitação clínica. O efeito BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent) é o método mais utilizado para medir e estudar a actividade cerebral e baseia-se nas alterações das propriedades magnéticas da molécula hemoglobina. Com este Projecto propomo-nos optimizar um protocolo de RMf realizada com o efeito BOLD, em voluntários saudáveis, de modo a que este possa ser aplicado em futuros estudos de pacientes com patologias. ABSTRACT - Nowadays functional magnetic resonance imaging (fMRI) is a fundamental tool for the research of human brain function of healthy subjects or patients with several pathologies. It is a complex technique that requires a careful and rigorous application, and an understanding of its biophysical mechanisms, so that reliable results can be obtained with better clinical acceptance. The BOLD effect (Blood Oxygenation Level Dependent) is the most widely used method to measure and study the brain activity and its based on changes in magnetic properties of the hemoglobin molecule. The aim of this project was to optimize a BOLD fMRI protocol on healthy subjects, so it can be applied in future studies of patients with pathologies.

Perturbações audiovestibulares nos traumatismos da cabeça e do pescoço

O Traumatismo Cranioencefálico constitui a principal causa de morte e sequelas em pacientes politraumatizados, convertendo se, nos últimos anos, num importante problema de saúde pública. Smeltzer e Bare (2006), conceituam Traumatismo Craniano/Traumatismo Cranioencefálico (TCE) como uma lesão do crânio ou do cérebro que é suficientemente grave para interferir no seu funcionamento normal. Cerca de 4 a 30% dos ferimentos na cabeça envolvem a base do crânio sendo que há atingimento do osso temporal em 18 a 40%. Dependendo do tipo e da gravidade do traumatismo, podem ocorrer alterações estruturais e funcionais no sistema audiovestibular.

Dor crónica/Neurociências

A dor crónica deve ser encarada como uma doença real. 1/3 da população mundial vive com dor crónica. Hoje procura-se compreender o mecanismo da dor no cérebro. Objectivo: alcançar terapias específicas; aprender os mecanismos cerebrais relacionados com a dor crónica.

O processo de decisão sob a perspetiva da economia comportamental e da neurociência

O estudo do processo de tomada de decisão tem sido um tema amplamente abordado ao longo do tempo pelos economistas, primordialmente sob o paradigma do homem racional ou homoeconomicus. No entanto, avanços nas áreas da economia comportamental e neurociências permitem hoje ir mais longe, nomeadamente ao nível da compreensão da interação entre processos de decisão e mecanismos cerebrais. Surge assim um novo campo de interesse para o estudo da economia: a neuroeconomia. Esta disciplina embrionária combina dados teóricos e empíricos a partir da conjugação das ferramentas da neurociência, da psicologia e da economia, permitindo uma abordagem unificada ao processo decisório. À luz dos novos estudos, a questão base deixa de ser normativa (que decisão deveria ser tomada em condições ideais) e passa a ser positiva (que decisão é efetivamente tomada), uma vez que se criou a faculdade de estudar e analisar o cérebro humano, de modo que alguns postulados económicos básicos puderam passar a ser explorados numa outra perspetiva. Neste estudo são apresentadas várias experiências que indicam, analisam e comprovam que o modelo racional não é necessariamente o mais adequado para a análise do sistema económico, em todas e quaisquer circunstâncias. Em contrapartida, a neuroeconomia assume-se como um campo de investigação com potencial para dar um contributo importante na construção de um modelo económico mais completo, complexo e confiável.

Ressonância magnética funcional: mapeamento do córtex motor através do efeito BOLD

Introdução – A ressonância magnética funcional (RMf) é hoje uma ferramenta fundamental na investigação funcional do cérebro humano, quer em indivíduos saudáveis quer em doentes com patologias diversas. É uma técnica complexa que necessita de uma aplicação cuidada e rigorosa e uma compreensão dos mecanismos biofísicos, de modo a serem obtidos resultados fiáveis e com melhor aceitação clínica. O efeito BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent), que se baseia nas propriedades magnéticas da hemoglobina, é o método mais utilizado para medir a atividade cerebral por RMf. Objetivos – Otimizar um protocolo de RMf por efeito BOLD em voluntários saudáveis para mapeamento do córtex motor, de modo a que possa ser aplicado no futuro em doentes com patologias diversas. Metodologia – Foram estudados 34 voluntários saudáveis divididos em 2 grupos de estudo: BOLD 1 e BOLD 2. Com vista à otimização, foram testados no subgrupo BOLD 1 diferentes paradigmas e no subgrupo BOLD 2 foi estudada a influência do tempo de eco (TE). Para as várias condições foram comparados os volumes da região ativada e os níveis de ativação obtidos. Resultados/Discussão – O córtex motor foi identificado em todos os voluntários estudados. Não foram detetadas diferenças estatisticamente significativas quando comparados os resultados obtidos com os diferentes parâmetros de aquisição. Conclusão – O protocolo foi otimizado tendo em conta o nível de conforto reportado pelos voluntários. Uma vez que se pretende aplicar este mesmo protocolo no estudo de doentes, este fator torna-se particularmente relevante.

Desenvolvimento e mensuração do diâmetro transversal do cerebelo fetal por ressonância magnética

A ressonância magnética fetal é um método eficaz na avaliação pré-natal da morfologia normal do cérebro e no diagnóstico de patologias do sistema nervoso central, sendo um importante complemento clínico à ecografia. O cerebelo é uma das estruturas menos afetadas em casos de restrição de crescimento fetal, tornando-se um bom indicador na avaliação do desenvolvimento fetal e da idade gestacional. Deste modo, a avaliação biométrica fetal é fundamental no diagnóstico pré-natal do desenvolvimento cerebral. Objetivo – Avaliação do diâmetro transversal do cerebelo (estrutura anatómica de referência do sistema nervoso central) do feto e posterior comparação com um estudo internacional reconhecido nesta matéria. Material e métodos – A amostra foi constituída por 84 gestantes que realizaram ressonância magnética fetal numa clínica de imagiologia médica da região Centro. A medição considerada para a avaliação do desenvolvimento fetal foi o diâmetro transversal do cerebelo. Resultados – Os resultados obtidos para o diâmetro transversal do cerebelo por ressonância magnética fetal vieram a demonstrar a ausência de diferenças médias estatisticamente significativas (p>0,05) em função do número de semanas de gestação, face aos valores teóricos aferidos no estudo de Garel. Conclusão – Com base nos resultados obtidos, para o diâmetro transversal do cerebelo podemos concluir que o parâmetro analisado é coerente com a publicação de Catherine Garel – Le développement du cerveau foetal atlas IRM et biometrie.

Ressonância magnética funcional na localização de paradigma motor

Objetivos – Um dos principais objetivos da neurociência tem sido, desde sempre, compreender as funcionalidades do cérebro. A introdução da ressonância magnética funcional contribuiu em grande escala para o desenvolvimento do estudo cerebral. Assim, esta investigação tem como principal objetivo identificar e desenhar os diferentes perfis de localizações cerebrais, a nível do córtex motor, numa população jovem saudável, permitindo, assim, um maior conhecimento nesta área e dando um contributo à área da neurologia. Material e métodos – Foi realizado um estudo de ressonância magnética funcional em 30 indivíduos saudáveis numa clínica de imagiologia médica. Para tal recorreu-se a equipamento adequado para a recolha de dados. O paradigma motor utilizado foi o movimento dos dedos das mãos. Através das imagens obtidas foi medida a área de cada região ativa. Com o suporte do programa SPSS (versão 19) todos os valores foram tratados estatisticamente. Conclusão – Após todo este processo concluiu-se que a área do cérebro maioritariamente ativa, no momento do paradigma motor, encontra-se no hemisfério esquerdo.