Sistema de neurónios espelho no síndrome de down: estudo das variações dos ritmos Mu No Eeg

A capacidade de compreensão das acções dos outros e de imitação tem sido descrita como fundamental para a cognição social do ser humano. Recentemente tem sido atribuída a responsabilidade desta capacidade a um sistema neuronal denominado de Sistema de Neurónios Espelho, que se tem demonstrado estar afectado em perturbações mentais que se caracterizam por alterações severas da teoria da mente e da empatia, como é o caso do autismo. No caso do Síndrome de Down, verifica-se a coexistência de boas competências sociais e de capacidades práxicas e de imitação intactas, com dificuldades de interpretação de situações sociais e de reconhecimento de emoções, que nos levam a questionar acerca da actividade do seu Sistema de Neurónios Espelho. As oscilações do ritmo de frequências um (8-13 Hz) no córtex sensório-motor perante a observação de acções são consideradas um reflexo da actividade dos neurónios espelho, estando estabelecido que em pessoas saudáveis ocorre uma supressão mu na realização de movimentos com o membro superior e na sua observação quando realizados por outras pessoas. Neste estudo registou-se electroencefalograficamente a supressão dos ritmos mu em 11 pessoas com SD e em 20 pessoas sem SD nas seguintes condições: observação de um vídeo com duas bolas em movimento, observação de um vídeo com um movimento repetido de uma mão e realização movimentos com a mão. A baseline foi registada através da observação de um ponto estático. Constatamos que existe supressão dos ritmos mu na observação das acções dos outros em pessoas com Síndrome Down da mesma forma que ocorre na realização do próprio movimento, sugerindo uma relativa preservação do funcionamento dos neurónios espelho e dos mecanismos básicos de cognição social. Estes resultados vão de encontro aos estudos que apontam para a integridade das capacidades de imitação no Síndrome Down. Verificamos também que não se encontram diferenças significativas na supressão dos ritmos mu entre os grupos de pessoas com Síndrome Down e de Controlo em relação às condições usadas na investigação.

Effects of emotional valence and three-dimensionality of visual stimuli on brain activation: an fMRI study

BACKGROUND: Examining changes in brain activation linked with emotion-inducing stimuli is essential to the study of emotions. Due to the ecological potential of techniques such as virtual reality (VR), inspection of whether brain activation in response to emotional stimuli can be modulated by the three-dimensional (3D) properties of the images is important. OBJECTIVE: The current study sought to test whether the activation of brain areas involved in the emotional processing of scenarios of different valences can be modulated by 3D. Therefore, the focus was made on the interaction effect between emotion-inducing stimuli of different emotional valences (pleasant, unpleasant and neutral valences) and visualization types (2D, 3D). However, main effects were also analyzed.METHODS: The effect of emotional valence and visualization types and their interaction were analyzed through a 3x2 repeated measures ANOVA. Post-hoc t-tests were performed under a ROI-analysis approach. RESULTS: The results show increased brain activation for the 3D affective-inducing stimuli in comparison with the same stimuli in 2D scenarios, mostly in cortical and subcortical regions that are related to emotional processing, in addition to visual processing regions. CONCLUSIONS: This study has the potential of clarify brain mechanisms involved in the processing of emotional stimuli (scenarios’ valence) and their interaction with three-dimensionality.

Study of behavioural and neural bases of visuo-spatial working memory with an fMRI paradigm based on an n-back task

The goal of this study was to propose a new functional magnetic resonance imaging (fMRI) paradigm using a language-free adaptation of a 2-back working memory task to avoid cultural and educational bias. We additionally provide an index of the validity of the proposed paradigm and test whether the experimental task discriminates the behavioural performances of healthy participants from those of individuals with working memory deficits. Ten healthy participants and nine patients presenting working memory (WM) deficits due to acquired brain injury (ABI) performed the developed task. To inspect whether the paradigm activates brain areas typically involved in visual working memory (VWM), brain activation of the healthy participants was assessed with fMRIs. To examine the task's capacity to discriminate behavioural data, performances of the healthy participants in the task were compared with those of ABI patients. Data were analysed with GLM-based random effects procedures and t-tests. We found an increase of the BOLD signal in the specialized areas of VWM. Concerning behavioural performances, healthy participants showed the predicted pattern of more hits, less omissions and a tendency for fewer false alarms, more self-corrected responses, and faster reaction times, when compared with subjects presenting WM impairments. The results suggest that this task activates brain areas involved in VWM and discriminates behavioural performances of clinical and non-clinical groups. It can thus be used as a research methodology for behavioural and neuroimaging studies of VWM in block-design paradigms.

Análise da sonolência na condução rodoviária a partir de sinais EEG

A Sociedade Europeia de Pesquisa do Sono realizou muito recentemente um estudo, onde mostrou que a prevalência média de adormecimento ao volante nos últimos 2 anos foi de 17%. Além disto, tem sido provado por todo o mundo que a sonolência durante a condução é uma das principais causas de acidentes de trânsito. Torna-se assim conveniente, o desenvolvimento de sistemas que analisem a suscetibilidade de um determinado condutor para adormecer no trânsito, bem como de ferramentas que monitorem em tempo real o estado físico e mental do condutor, para alertarem nos momentos críticos. Apesar do estudo do sono se ter iniciado há vários anos, a maioria das investigações focaram-se no ciclo normal do sono, estudando os indivíduos de forma relaxada e de olhos fechados. Só mais recentemente, têm surgido os estudos que se focam nas situações de sonolência em atividade, como _e o caso da condução. Uma grande parte Dos estudos da sonolência em condução têm utilizado a eletroencefalografia (EEG), de forma a perceber se existem alterações nas diferentes bandas de frequência desta, que possam indicar o estado de sonolência do condutor. Além disso, a evolução da sonolência a partir de alterações no piscar dos olhos (que podem ser vistas nos sinais EEG) também tem sido alvo de grande pesquisa, tendo vindo a revelar resultados bastante promissores. Neste contexto e em parceria com a empresa HealthyRoad, esta tese está integrada no projeto HealthyDrive, que visa o desenvolvimento de um sistema de alerta e deteção de sinais de fadiga e sonolência nos condutores de veículos automóveis. A contribuição desta tese no projeto prendeu-se com o estudo da sonolência dos indivíduos em condução a partir de sinais EEG, para desta forma investigar possíveis indicadores dos diferentes níveis desta que possam ser utilizados pela empresa no projeto. Foram recolhidos e analisados 17 sinais EEG de indivíduos em simulação de condução. Além disso foram desenvolvidos dois métodos de análise destes sinais: O primeiro para a deteção e análise dos piscar de olhos a partir de EEG, o segundo para análise do espetro de potência. Ambos os métodos foram utilizados para analisar os sinais recolhidos e investigar que tipo de relação existe entre a sonolência do condutor e as alterações nos piscares dos olhos, bem como as alterações do espetro do EEG. Os resultados mostraram uma correlação entre a duração do piscar de olhos e a sonolência do condutor. Com o aumento da sonolência velicou-se um aumento da duração do piscar, desencadeado principalmente pelo aumento na duração de fecho, que chegou aos 51.2%. Em relação ao espectro de potência, os resultados sugerem que a potência relativa de todas as bandas analisadas fornecem informações relevantes sobre a sonolência do condutor. Além disso, o parâmetro (_+_)/_ demostrou estar relacionado com variações da sonolência, diminuindo com o seu avanço e aumentando significativamente (111%) no instante em que os condutores adormeceram.

Amygdala activation in response to 2D and 3D emotion-inducing stimuli

Studying changes in brain activation according to the valence of emotion-inducing stimuli is essential in the research on emotions. Due to the ecological potential of virtual reality, it is also important to examine whether brain activation in response to emotional stimuli can be modulated by the three-dimensional (3D) properties of the images. This study uses functional Magnetic Resonance Imaging to compare differences between 3D and standard (2D) visual stimuli in the activation of emotion-related brain areas. The stimuli were organized in three virtual-reality scenarios, each with a different emotional valence (pleasant, unpleasant and neutral). The scenarios were presented in a pseudo-randomized order in the two visualization modes to twelve healthy males. Data were analyzed through a GLM-based fixed effects procedure. Unpleasant and neutral stimuli activated the right amygdala more strongly when presented in 3D than in 2D. These results suggest that 3D stimuli, when used as “building blocks” for virtual environments, can induce increased emotional loading, as shown here through neuroimaging.

Nonlinear dynamics of the patient’s response to drug effect during general anesthesia

In today’s healthcare paradigm, optimal sedation during anesthesia plays an important role both in patient welfare and in the socio-economic context. For the closed-loop control of general anesthesia, two drugs have proven to have stable, rapid onset times: propofol and remifentanil. These drugs are related to their effect in the bispectral index, a measure of EEG signal. In this paper wavelet time–frequency analysis is used to extract useful information from the clinical signals, since they are time-varying and mark important changes in patient’s response to drug dose. Model based predictive control algorithms are employed to regulate the depth of sedation by manipulating these two drugs. The results of identification from real data and the simulation of the closed loop control performance suggest that the proposed approach can bring an improvement of 9% in overall robustness and may be suitable for clinical practice.

Nonlinear dynamics of the patient’s response to drug effect during general anesthesia

In today’s healthcare paradigm, optimal sedation during anesthesia plays an important role both in patient welfare and in the socio-economic context. For the closed-loop control of general anesthesia, two drugs have proven to have stable, rapid onset times: propofol and remifentanil. These drugs are related to their effect in the bispectral index, a measure of EEG signal. In this paper wavelet time–frequency analysis is used to extract useful information from the clinical signals, since they are time-varying and mark important changes in patient’s response to drug dose. Model based predictive control algorithms are employed to regulate the depth of sedation by manipulating these two drugs. The results of identification from real data and the simulation of the closed loop control performance suggest that the proposed approach can bring an improvement of 9% in overall robustness and may be suitable for clinical practice.