Quando Hanz Berger realizou o primeiro registro de atividade elétrica do cérebro humano, uma de suas primeiras observações foi a presença de uma oscilação característica – atualmente conhecida como oscilação alfa – que era intensificada quando os participantes fechavam os olhos (BERGER, 1929). Nos anos seguintes de sua descoberta, o EEG era visto
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Na literatura de EEG os termos sincronização, aumento de amplitude ou aumento de potência são utilizados como sinônimos.
Figura 23: Representação esquemática de acoplamento entre fase e potência. O primeiro traçado (verde)
representa um registro de EEG comumente observado, onde as oscilações são misturas complexas de componentes de diferentes frequências. Os três traçados seguintes ilustram componentes individuais nas frequências de 1.5 Hz, 7 Hz e 40 Hz. Neste exemplo existe um forte acoplamento entre a fase de frequências mais baixas com a potência de frequências mais altas.
com uma mistura de interesse e dúvida se aquele sinal registrado por Berger era de fato proveniente de atividade cerebral ou de artefatos musculares. Foi apenas após uma série de estudos na década de 1930, feitos por Adrian e Mathews, que as descobertas de Berger passaram a ser aceitas (ADRIAN; MATTHEWS, 1934a, b). Entre estes experimentos, um dos mais importantes era em pacientes trepanados (i.e. pacientes com furos no crânio), onde o sinal registrado não era distorcido pelo crânio (ADRIAN; MATTHEWS, 1934a, b). Com isso, Adrian e Mathews passaram a acreditar e defender que as oscilações registradas por Berger eram provenientes do cérebro e não apenas artefatos.
O entusiasmo gerado por estas descobertas não durou muito tempo e nas décadas seguintes houve uma diminuição no estudo de oscilações no cérebro humano. Um dos principais motivos deste desinteresse vinha da crença que as oscilações ocorriam apenas em situações quando o cérebro estava ―desconectado‖ do mundo externo, como no caso das oscilações alfa quando os participantes fechavam os olhos e das oscilações delta presentes no sono (BUZSAKI, 2006). Porém, nas últimas décadas o interesse por oscilações corticais voltou a aumentar e uma série de estudos tem mostrado que oscilações neurais em diferentes bandas estão relacionadas a diferentes funções cognitivas (BUZSAKI; DRAGUHN, 2004; BUZSAKI, 2006; PALVA; PALVA, 2007; LAKATOS et al., 2008; FRIES, 2009; SCHROEDER; LAKATOS, 2009b; UHLHAAS; SINGER, 2010).
As bases fisiológicas destas oscilações ainda não estão totalmente descritas (BUZSAKI, 2006). Porém, estudos em macacos sugerem que as oscilações presentes nos potenciais de campo locais (local field potentials – LFP7) refletem a alternância rítmica (e sincrônica) de fluxo de corrente para dentro e fora da membrana de populações de neurônios (LAKATOS et al., 2005). Em um estudo semelhante, Whittingstall e Logothetis registraram simultaneamente atividade multiunitária de neurônios (MUA), LFP e EEG em macacos (WHITTINGSTALL; LOGOTHETIS, 2009). Como pode ser observado na Figura 24, os resultados indicaram uma correlação significativa entre a atividade multiunitária e oscilações nas bandas delta, teta e gama. Além disso, eles encontraram uma maior taxa de disparos em fases específicas da oscilação delta (WHITTINGSTALL; LOGOTHETIS, 2009).
Cabe ressaltar que o registro multiunitário e o LFP/EEG estão medindo respostas fisiologicamente diferentes. Enquanto a taxa de disparos multiunitárias está medindo potencias de ação, o LFP/EEG mede principalmente potencias pós-sinápticos. Assim,
7 O LFP é um método invasivo para o registro de atividade de populações neuronais. Teoricamente, os sinais
captados pelo LFP e EEG têm a mesma origem, entretanto este último é distorcido pelo crânio antes de chegar aos eletrodos no escalpo.
enquanto a MUA reflete mudanças no potencial de membrana que alcançaram o limiar e causaram o disparo dos neurônios, o LFP/EEG pode refletir oscilações subliminares que estão apenas modulando a excitabilidade daqueles neurônios. Neste sentido, a correlação entre a fase da oscilação delta e da taxa de disparos fica clara. Os neurônios têm uma maior probabilidade de dispararem quando sua excitabilidade (refletida na fase das oscilações delta) é maior. Como será discutido adiante, esta modulação da atividade neuronal pelas oscilações lentas representa um aspecto fundamental do SNC.
Figura 24: (A) Espectro de potência do registro de EEG e atividade multiunitária de uma sessão
experimental do estudo de Whittingstall e Logothetis (2009). Repare como modulações em gama (e.g. 43 Hz) têm uma correlação com a atividade multiunitária enquanto que modulações em alfa (e.g. 12 Hz) não possuem esta mesma correlação. (B) Coeficiente de correlação entre a potência de diferentes bandas e atividade multiunitária no mesmo experimento. As barras representam erro padrão. (C) Oscilação delta presente no registro de EEG (traçado vermelho) e atividade multiunitária (traçado preto) de uma apresentação experimental. Áreas sombreadas indicam períodos onde a atividade multiunitária excedeu 5 desvios padrões de sua atividade média. Esses períodos específicos coincidiram com o vale da oscilação delta.
Mas, afinal, qual é a vantagem de um conjunto de neurônios estarem sincronizados entre si? A idéia básica é que populações neuronais que oscilem sincronicamente têm uma comunicação facilitada (BUZSAKI; DRAGUHN, 2004; BUZSAKI, 2006; FRIES, 2009). Por exemplo, na Figura 25 podem ser observados três grupos de neurônios, cada um deles representado por um círculo. Ao lado, estão representados o LFP destes neurônios (linha senoidal) e seus potenciais de ação (linhas verticais). Os potencias de ação podem chegar nestes neurônios em seus picos de excitabilidade (setas) e assim causar o disparo destes, ou em momentos de baixa excitabilidade (setas sem ponta) onde eles não são capazes de causar o disparo. Repare como a sincronização dos dois grupos de neurônios (representados nas duas linhas de cima) facilita a comunicação entre eles. Enquanto que a dessincronização entre dois grupos (duas linhas de baixo) interfere na comunicação entre eles.
As oscilações presentes nos cérebros dos mamíferos vão de aproximadamente 0,5 Hz a 500 Hz, mas são comumente classificadas em 5 bandas (Tabela 5): delta (0.5-4 Hz), teta (4-8 Hz), alfa (8-12 Hz), beta (12-30 Hz) e gama (> 30 Hz). Apesar desta divisão em bandas, é importante ressaltar que as oscilações no sistema nervoso central formam um contínuo onde uma banda pode coexistir no tempo e interferir com a outra.
Figura 25: Representação esquemática de populações neuronais sincronizadas ou não-sincronizadas entre si.
Tabela 5 – Organização anatômica e função de quarto das principais bandas de frequências presentes no
cérebro humano. Modificado de Uhlhass e Singer (2010)
Cada uma destas bandas está relacionada a diferentes funções cognitivas e estão presentes em diferentes regiões de nosso sistema nervoso central (UHLHAAS; SINGER, 2010). Porém, existem alguns princípios básicos que emergem devido a características fisiológicas do cérebro. Por exemplo, como a maioria das conexões entre neurônios são locais e por causa da velocidade finita de tráfego de informações em nosso cérebro, a sincronização de neurônios em oscilações de frequência alta é normalmente restrita a pequenas populações de neurônios. Oscilações de frequência mais baixa, por outro lado, podem influenciar um número maior de neurônios e assim carregar informações por distâncias maiores em nosso SNC (BUZSAKI; DRAGUHN, 2004; BUZSAKI, 2006). Consequentemente, a amplitude de oscilações baixas em nosso SNC é maior do que a de oscilações altas. Essa relação entre a amplitude de oscilações baixas e altas também representa uma característica importante do sistema de oscilações presente em nosso SNC: a densidade espectral do EEG (ou LFP) é inversamente proporcional a frequência. Essa relação fica evidente na Figura 26A, onde é possível observar a relação quase linear entre o logaritmo da potência e o logaritmo da frequência. Esta propriedade é chamada de invariância de escala e está presente não somente no sinal de EEG, como também em outros sistemas de oscilações como a bolsa de valores e em ondas sísmicas (HE et al., 2010; KAYSER; ERMENTROUT, 2010).
A presença de invariância de escala em um sistema implica em uma série de características nas relações entre as diferentes bandas de oscilações. Por exemplo, nestes sistemas, perturbações que ocorrem em frequências mais baixas causam uma cascata de dissipação de energia e assim podem modular oscilações mais altas (BUZSAKI; DRAGUHN, 2004; HE et al., 2010; KAYSER; ERMENTROUT, 2010). Mais especificamente a fase da oscilação da frequência baixa pode modular a amplitude da oscilação de frequência mais alta (Figura 26B), porém sempre de maneira transitória (BUZSAKI; DRAGUHN, 2004; LAKATOS et al., 2005; BUZSAKI, 2006; KAYSER; ERMENTROUT, 2010).
Frequência Anatomia Função
Teta (4-7 Hz) Hipocampo, córtex sensorial e córtex pré-frontal
Memória, plasticidade sináptica, controle top-down, sincronização a longas distâncias
Alfa (8-12 Hz) Tálamo, hipocampo, formação reticular, córtex sensorial e córtex motor
Inibição, atenção, consciência, controle top-down e sincronização a longas distâncias
Beta (13-30 Hz) Todas as estruturas corticais, núcleos sub-talâmicos, núcleos da base, bulbo olfatório
Atenção, controle motor, seleção sensorial e sincronização a longas distâncias
Gama (30-200 Hz) Todas as estruturas cerebrais, retina e bulbo olfatório
Percepção, atenção, memória, consciência e plasticidade sináptica
No SNC, essa relação entre a fase da oscilação de baixa frequência e potência da oscilação de alta frequência é chamada de acoplamento entre frequências e tem sido amplamente estudada nos últimos anos (LAKATOS et al., 2005; CANOLTY et al., 2006; SCHROEDER; LAKATOS, 2009a, b; CANOLTY; KNIGHT, in press). Funcionalmente, imagina-se que este acoplamento entre frequências no SNC pode servir como um mecanismo para transferir informação de redes neurais extensas operando em escalas temporais mais lentas para redes neurais locais, onde um processamento mais rápido, necessário para uma computação mais eficiente, possa ocorrer (BUZSAKI; DRAGUHN, 2004; CANOLTY et al., 2006; CANOLTY; KNIGHT, in press).