The Stability of the Blood Oxygenation Level-Dependent Functional MRI Response to Motor Tasks Is Altered in Patients With Chronic Ischemic Stroke

Background and Purpose-Functional MRI is a powerful tool to investigate recovery of brain function in patients with stroke. An inherent assumption in functional MRI data analysis is that the blood oxygenation level-dependent (BOLD) signal is stable over the course of the examination. In this study, we evaluated the validity of such assumption in patients with chronic stroke. Methods-Fifteen patients performed a simple motor task with repeated epochs using the paretic and the unaffected hand in separate runs. The corresponding BOLD signal time courses were extracted from the primary and supplementary motor areas of both hemispheres. Statistical maps were obtained by the conventional General Linear Model and by a parametric General Linear Model. Results-Stable BOLD amplitude was observed when the task was executed with the unaffected hand. Conversely, the BOLD signal amplitude in both primary and supplementary motor areas was progressively attenuated in every patient when the task was executed with the paretic hand. The conventional General Linear Model analysis failed to detect brain activation during movement of the paretic hand. However, the proposed parametric General Linear Model corrected the misdetection problem and showed robust activation in both primary and supplementary motor areas. Conclusions-The use of data analysis tools that are built on the premise of a stable BOLD signal may lead to misdetection of functional regions and underestimation of brain activity in patients with stroke. The present data urge the use of caution when relying on the BOLD response as a marker of brain reorganization in patients with stroke. (Stroke. 2010; 41:1921-1926.)

Uma contribuição ao estudo de sinais de EEG para avaliar estados emocionais e mentais de crianças com autismo na interação com robô móvel

O Transtorno do Espectro do Autismo (TEA) caracteriza-se por uma série de distúrbios cognitivos e neurocomportamentais e sua prevalência mundial é estimada em 1 criança com TEA a cada 160 crianças com típico desenvolvimento (TD). Indivíduos com TEA apresentam dificuldade em interpretar as emoções alheias e em expressar sentimentos. As emoções podem ser associadas à manifestação de sinais fisiológicos, e, dentre eles, os sinais cerebrais têm sido muito abordados. A detecção dos sinais cerebrais de crianças com TEA pode ser benéfica para o esclarecimento de suas emoções e expressões. Atualmente, muitas pesquisas integram a robótica ao tratamento pedagógico do TEA, através da interação com crianças com esse transtorno, estimulando habilidades sociais, como a imitação e a comunicação. A avaliação dos estados mentais de crianças com TEA durante a sua interação com um robô móvel é promissora e assume um aspecto inovador. Assim, os objetivos deste trabalho foram captar sinais cerebrais de crianças com TEA e de crianças com TD, como grupo controle, para o estudo de seus estados emocionais e para avaliar seus estados mentais durante a interação com um robô móvel, e avaliar também a interação dessas crianças com o robô, através de escalas quantitativas. A técnica de registro dos sinais cerebrais escolhida foi a eletroencefalografia (EEG), a qual utiliza eletrodos colocados de forma não invasiva e não dolorosa sobre o couro cabeludo da criança. Os métodos para avaliar a eficiência do uso da robótica nessa interação foram baseados em duas escalas internacionais quantitativas: Escala de Alcance de Metas (do inglês Goal Attainment Scaling - GAS) e Escala de Usabilidade de Sistemas (do inglês System Usability Scale - SUS). Os resultados obtidos mostraram que, pela técnica de EEG, foi possível classificar os estados emocionais de crianças com TD e com TEA e analisar a atividade cerebral durante o início da interação com o robô, através dos ritmos alfa e beta. Com as avaliações GAS e SUS, verificou-se que o robô móvel pode ser considerado uma potencial ferramenta terapêutica para crianças com TEA.

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.

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.

Mapeamento das regiões cerebrais associadas ao engano

Mestrado em Radiações aplicadas às Tecnologias da Saúde - Ramo de Ressonância Magnética

Potenciais evocados auditivos de média latência em adultos com epilepsia

Introdução Os potenciais evocados auditivos de média latência (PEAML) reflectem actividade neuronal mesencefáfica, mais precisamente da região tálamo-cortical, dos colículos inferiores e da formação reticular. A epilepsia é caracterizada por variadas manifestações anormais do comportamento cerebral, sendo descrita como uma perturbação da função cerebral, tendo origem numa descarga anómala de um conjunto ou da totalidade dos neurónios do córtice cerebral. Está documentado, que as descargas eléctricas provocadas pelas crises de epilepsia podem levar a perdas neuronais, pelo que poderão existir alterações nos PEAML. Objectivos A escassa existência de literatura sobre o tema e a não investigação na população portuguesa, originou a execução deste estudo, que teve como objectivo investigar e documentar a existência de alterações ou achados nos componentes neuronais de média latência (PEAML), numa amostra de portugueses com epilepsia. Metodologia Foram realizados PEAML a um grupo de controlo (GC) composto por 16 participantes e a um grupo clínico (GCL) de 8 participantes com epilepsia, sendo analisados os componentes Na, Pa e Na-Pa quanto à sua morfologia, latência e amplitude. Resultados A morfologia das ondas e a presença de epilepsia não estão associados, no entanto, contrariamente ao GC que evidenciou latências e amplitudes de Na, Pa e Na-Pa dentro dos padrões de normalidade, a alteração ou ausência de respostas por parte do GCL é significativa na totalidade das medidas investigadas. Conclusão Em epilepsias generalizadas e focais do lobo temporal os PEAML evidenciam alterações, tal achado poderá ser eventualmente justificado pela propagação ascendente e descendente da informação auditiva se encontrar comprometida, devido a sequelas deixadas pelas crises epilépticas nas vias auditivas mesencefálicas. As alterações verificadas foram uma morfologia anómala das ondas ou ausência das mesmas.

Avaliação por fMRI do córtex visual, motor e auditivo através de estimulação sensoriomotora e sonora em desportistas invisuais e desportistas sem deficiência visual

Mestrado em Radiações Aplicadas às Tecnologias da Saúde - Ramo de especialização: Imagem por Ressonância Magnética

Uso de Interfaces Cérebro-computador na comunicação de pessoas com Síndrome de Encarceramento

Os avanços nas Interfaces Cérebro-máquina, resultantes dos avanços no tratamento de sinal e da inteligência artificial, estão a permitir-nos aceder à atividade cerebral, descodificá-la, e usála para comandar dispositivos, sejam eles braços artificiais ou computadores. Isto é muito mais importante quando os utilizadores são pessoas que perderam a capacidade de comunicar, embora mantenham as suas capacidades cognitivas intactas. O caso mais extremo desta situação é o das pessoas afetadas pela Síndrome de Encarceramento. Este trabalho pretende contribuir para a melhoria da qualidade de vida das pessoas afetadas por esta síndrome, disponibilizando-lhes um meio de comunicação adaptado às suas limitações. É essencialmente um estudo de usabilidade aplicada a um tipo de utilizador extremamente diminuído na sua capacidade de interação. Nesta investigação começamos por compreender a Síndrome de Encarceramento e as limitações e capacidades das pessoas afetadas por ela. Abordamos a neuroplasticidade, o que é, e em que medida é importante para a utilização das Interfaces Cérebro-máquina. Analisamos o funcionamento destas interfaces, e os fundamentos científicos que o suportam. Finalmente, com todo este conhecimento em mãos, investigamos e desenvolvemos métodos que nos permitissem otimizar as limitadas capacidades do utilizador na sua interação com o sistema, minimizando o esforço e maximizando o desempenho. Foi para o efeito desenhado e implementado um protótipo que nos permitisse validar as soluções encontradas.

Functional studies on magnetic resonance

Dissertation submitted in Faculdade de Ciências e Tecnologia of Universidade Nova de Lisboa for the degree of Master in Biomedical Engineering

Evaluation of the effect of hearing aids using electroencephalographic analysis

based on the report for the Doctoral Conference of the PhD programme in Technology Assessment, held at FCT-UNL Campus, Monte de Caparica, July 2013. The PhD thesis has the supervision of Dr. Salomé Almeida (Central Hospital of Lisbon), and co-supervision of Prof. Manuel Ortigueira (FCT-UNL).

Fabrication and characterization of transparent conductive oxide surface sensors for electrocorticography – TrECoG

Understanding how the brain works has been one of the greatest goals of mankind. This desire fuels the scientific community to pursue novel techniques able to acquire the complex information produced by the brain at any given moment. The Electrocorticography (ECoG) is one of those techniques. By placing conductive electrodes over the dura, or directly over the cortex, and measuring the electric potential variation, one can acquire information regarding the activation of those areas. In this work, transparent ECoGs, (TrECoGs) are fabricated through thin film deposition of the Transparent Conductive Oxides (TCOs) Indium-Zinc-Oxide (IZO) and Gallium-Zinc-Oxide (GZO). Five distinct devices have been fabricated via shadow masking and photolithography. The data acquired and presented in this work validates the TrECoGs fabricated as efficient devices for recording brain activity. The best results were obtained for the GZO- based TrECoG, which presented an average impedance of 36 kΩ at 1 kHz for 500 μm diameter electrodes, a transmittance close to 90% for the visible spectrum and a clear capability to detect brain signal variations. The IZO based devices also presented high transmittance levels (90%), but with higher impedances, which ranged from 40 kΩ to 100 kΩ.

Quantifying consistency of Event Related Potentials across subjects based on single-trial topographic analysis

Introduction: Non-invasive brain imaging techniques often contrast experimental conditions across a cohort of participants, obfuscating distinctions in individual performance and brain mechanisms that are better characterised by the inter-trial variability. To overcome such limitations, we developed topographic analysis methods for single-trial EEG data [1]. So far this was typically based on time-frequency analysis of single-electrode data or single independent components. The method's efficacy is demonstrated for event-related responses to environmental sounds, hitherto studied at an average event-related potential (ERP) level. Methods: Nine healthy subjects participated to the experiment. Auditory meaningful sounds of common objects were used for a target detection task [2]. On each block, subjects were asked to discriminate target sounds, which were living or man-made auditory objects. Continuous 64-channel EEG was acquired during the task. Two datasets were considered for each subject including single-trial of the two conditions, living and man-made. The analysis comprised two steps. In the first part, a mixture of Gaussians analysis [3] provided representative topographies for each subject. In the second step, conditional probabilities for each Gaussian provided statistical inference on the structure of these topographies across trials, time, and experimental conditions. Similar analysis was conducted at group-level. Results: Results show that the occurrence of each map is structured in time and consistent across trials both at the single-subject and at group level. Conducting separate analyses of ERPs at single-subject and group levels, we could quantify the consistency of identified topographies and their time course of activation within and across participants as well as experimental conditions. A general agreement was found with previous analysis at average ERP level. Conclusions: This novel approach to single-trial analysis promises to have impact on several domains. In clinical research, it gives the possibility to statistically evaluate single-subject data, an essential tool for analysing patients with specific deficits and impairments and their deviation from normative standards. In cognitive neuroscience, it provides a novel tool for understanding behaviour and brain activity interdependencies at both single-subject and at group levels. In basic neurophysiology, it provides a new representation of ERPs and promises to cast light on the mechanisms of its generation and inter-individual variability.

Effect of levodopa on both verbal and motor representations of action in Parkinson's disease: a fMRI study.

Previous studies have demonstrated that non-demented Parkinson's disease (PD) patients have a specific impairment of verb production compared with noun generation. One interpretation of this deficit suggested the influence of striato-frontal dysfunction on action-related verb processing. The aim of our study was to investigate cerebral changes after motor improvement due to dopaminergic medication on the neural circuitry supporting action representation in the brain as mediated by verb generation and motor imagery in PD patients. Functional magnetic resonance imaging on 8 PD patients in "ON" dopaminergic treatment state (DTS) and in "OFF" DTS was used to explore the brain activity during three different tasks: Object Naming (ObjN), Generation of Action Verbs (GenA) in which patients were asked to overtly say an action associated with a picture and mental simulation of action (MSoA) was investigated by asking subjects to mentally simulate an action related to a depicted object. The distribution of brain activities associated with these tasks whatever DTS was very similar to results of previous studies. The results showed that brain activity related to semantics of action is modified by dopaminergic treatment in PD patients. This cerebral reorganisation concerns mainly motor and premotor cortex suggesting an involvement of the putaminal motor loop according to the "motor" theory of verb processing.

Unconditioned responses and functional fear networks in human classical conditioning.

Human imaging studies examining fear conditioning have mainly focused on the neural responses to conditioned cues. In contrast, the neural basis of the unconditioned response and the mechanisms by which fear modulates inter-regional functional coupling have received limited attention. We examined the neural responses to an unconditioned stimulus using a partial-reinforcement fear conditioning paradigm and functional MRI. The analysis focused on: (1) the effects of an unconditioned stimulus (an electric shock) that was either expected and actually delivered, or expected but not delivered, and (2) on how related brain activity changed across conditioning trials, and (3) how shock expectation influenced inter-regional coupling within the fear network. We found that: (1) the delivery of the shock engaged the red nucleus, amygdale, dorsal striatum, insula, somatosensory and cingulate cortices, (2) when the shock was expected but not delivered, only the red nucleus, the anterior insular and dorsal anterior cingulate cortices showed activity increases that were sustained across trials, and (3) psycho-physiological interaction analysis demonstrated that fear led to increased red nucleus coupling to insula but decreased hippocampus coupling to the red nucleus, thalamus and cerebellum. The hippocampus and the anterior insula may serve as hubs facilitating the switch between engagement of a defensive immediate fear network and a resting network.

Neuroimaging techniques in Alzheimer's disease

Neuroimaging techniques provide valuable tools for diagnosing Alzheimer's disease (AD), monitoring disease progression and evaluating responses to treatment. There is currently a wide array of techniques available including computed tomography (CT), magnetic resonance imaging (MRI), positron emission tomography (PET), and, for recording electrical brain activity, electroencephalography (EEG). The choice of technique depends on the contrast between tissues of interest, spatial resolution, temporal resolution, requirements for functional data and the probable number of scans required. For example, while PET, CT and MRI can be used to differentiate between AD and other dementias, MRI is safer and provides better contrast of soft tissues. Neuroimaging is a technique spanning many disciplines and requires effective communication between doctors requesting a scan of a patient or group of patients and those with technical expertise. Consideration and discussion of the most suitable type of scan and the necessary settings to achieve the best results will help ensure appropriate techniques are chosen and used effectively. Neuroimaging techniques are currently expanding understanding of the structural and functional changes that occur in dementia. Further research may allow identification of early neurological signs ofAD, before clinical symptoms are evident, providing the opportunity to test preventative therapies. CombiningMRI and machine learning techniques may be a powerful approach to improve diagnosis ofAD and to predict clinical outcomes.