UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE BIOCIÊNCIAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM PSICOBIOLOGIA
IARA BEATRIZ SILVA FERRÉ
DINÂMICA DA ATIVIDADE NEURAL CORTICAL AO
PEDALAR: MODULAÇÃO PELOS ESTÍMULOS VISUAIS
Natal
IARA BEATRIZ SILVA FERRÉ
DINÂMICA DA ATIVIDADE NEURAL CORTICAL AO PEDALAR:
MODULAÇÃO PELOS ESTÍMULOS VISUAIS
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Psicobiologia, como requisito a obtenção do título de Mestre em Psicobiologia (Área de concentração: Psicologia Fisiológica).
Orientador: Professor Dr. John Fontenele Araujo
Natal
IARA BEATRIZ SILVA FERRÉ
Dinâmica da atividade neural cortical ao pedalar: modulação pelos estímulos visuais
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Psicobiologia, como requisito a obtenção do título de Mestre em Psicobiologia (Área de concentração:
Psicologia Fisiológica) Aprovado em _____/_____/__________ Natal/RN 2020 BANCA EXAMINADORA _______________________________________________________ Dr. Edgard Morya
Instituto Internacional de Neurociências Edmond e Lily Safra Instituto Santos Dumont
(Membro Externo)
_______________________________________________________
Prof. Dr. Alexandre Hideki Okano
Centro de Matemática, Computação e Cognição
Universidade Federal do ABC (Membro Externo)
_______________________________________________________
Prof. Dr. John Fontenele Araújo
Departamento de Fisiologia e Comportamento Universidade Federal do Rio Grande do Norte
AGRADECIMENTOS
Desde a seleção do mestrado, muitas pessoas foram grandes incentivadoras e auxiliares na minha caminhada. Não sei se conseguirei colocar todas aqui, mas espero citar a maioria delas.
Agradeço em primeiro lugar a Deus e a Nossa Senhora, pela luz diante dos momentos de dificuldade e por todas as glórias conquistadas até aqui.
Aos meus pais, Glória e Vicente, que, sem dúvidas, são os maiores amigos que eu poderia ter. As pessoas mais pacientes, que aguentaram todas as minhas reclamações e crises de ansiedade. Me deram suporte emocional e financeiro, afinal, tive todo o conforto para fazer apenas o mestrado, sem trabalhar. Foram muito mais do que os pais devem ser. E eu agradeço por cada abraço quando eu estava chorando e sem conseguir respirar, pelo chá de camomila, pelas palavras amigas. Vocês tornaram e tornam tudo isso possível. Amo vocês demais!
Ao meu orientador “neurociclista” John Fontenele, por todas as boas ideias que compartilhou comigo e pela orientação fundamental para a construção desse trabalho. Foi muito importante para mim, e espero que para muitas pessoas também, saber como a bicicleta pode ser incrível. Ainda não sou ciclista, mas espero me inspirar em você e tornar-me uma também.
Ao meu colega de laboratório e namorado, Cleanto Fernandes, por me ajudar tanto, desde a seleção de mestrado. Mesmo morando distante me mostra que é possível estar presente sem estar fisicamente presente (valeu, Hangout do Google). Agradeço imensamente pela paciência e por todo o tempo dedicado a me auxiliar - foi bastante tempo! Também foram muitas broncas que levei, quem pensa que namorado não pega pesado errou feio... Obrigada por isso também. Esse é seu jeitinho de dizer que quer que eu dê o melhor de mim. Bom, acho que consegui. Espero que possamos estudar, ler, sorrir, amar e aprender muito juntos ao longo dos anos que ainda estão por vir. Gratidão!
Ao Laboratório de Neurobiologia e Ritmicidade Biológica (LNRB), do qual faço parte desde 2016, quando ainda estava na graduação. Em especial ao professor Mário Miguel, que junto com o professor John toca o nosso laboratório. Sou grata também a todos os colegas que me ajudaram de alguma forma ao longo desses dois anos de mestrado, em especial a Pamela, Júlia e Milena que me auxiliaram na coleta de tantos dados. O que seria de mim sem essas meninas estudantes de Iniciação
Científica e grandes mulheres que a ciência e a humanidade têm o prazer de ter como membros.
À minha colega de LNRB e amiga querida Natália Depieri, mestranda como eu. Sua chegada ao laboratório alegrou meu mestrado, para o qual, no início, estive tão desanimada. Sua energia é contagiante e ser sua colega de trabalho é fantástico. Continue assim, levando entusiasmo e boas ideias por onde você andar e motivando quem passa por perto de você a aceitar qualquer desafio em prol do crescimento. Cresci muito em um ano e meio de amizade, e te agradeço mesmo. Você é tipo a irmã doida e corajosa que me chama para sair que eu sempre quis ter. Faça doutorado aqui, porque não quero que você volte pra Maringá tão cedo. E vamos mais à praia, por favor.
Aos meus demais colegas de LNRB: Fabíola, Stefanie, Lucas, Liria, Adriano e Ubaldo. Foram muitos textos, conversas, experimentos, alegrias e tristezas compartilhadas que guardarei para sempre. Desejo sorte a todos na caminhada acadêmica e muita paz para a vida.
À minha colega Fernanda do LabCrono, por sempre se mostrar disponível, tendo me recebido em sua casa para me ajudar com estatística e ler meus resultados. Ah, e agradeço também por você ter contribuído para movimentar o DFS (Departamento de Fisiologia) Fitness, pois exercitar o corpo também é preciso!
As minhas amigas desde o tempo que estudamos juntas no Instituto Federal do Rio Grande do Norte (IFRN): Aílla, Layza, Júlia, Mariane e Natalee. Durante todo o mestrado escutaram minhas angústias, me deram apoio emocional e me auxiliaram com algumas dúvidas. Vocês são incríveis!
Aos meus amigos de graduação: Clarice, Rafaelly, Jorge, Heloisa, Geovanna, Amanda, Alana e Ingrid. Muito obrigada por todos os momentos de alegria que compartilhamos em nossos encontros durante e depois da graduação.
Aos meus voluntários pela participação e por dedicarem cerca de uma hora e meia de suas vidas corridas de universitários, no intuito de colaborarem com a ciência.
Ao CNPq, pela bolsa tão importante durante esses dois anos. Apesar das dificuldades que estamos passando no atual governo, os frutos do nosso trabalho provam que não somos desperdício de dinheiro público.
O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001.
“Life is like riding a bicycle. To keep your balance you must keep moving”
Albert Einstein
RESUMO
Introdução: O uso da bicicleta como um instrumento terapêutico para os pacientes
com a Doença de Parkinson (DP), em especial com o objetivo de reabilitação motora, tem sido proposto por vários estudos. O ato de pedalar nesses pacientes promove tanto uma melhora nos sintomas motores, quanto uma redução nos tremores, na bradicinesia (lentidão dos movimentos) e na cognição. Os mecanismos neurofisiológicos envolvidos nestes efeitos são pouco compreendidos. Sabe-se que o ato de pedalar provoca uma supressão na atividade neural cortical e nos núcleos subtalâmicos, em especial na frequência e potência da banda beta (13-35 Hz). Sugere-se que este efeito seja decorrente da ativação de circuitos corticais pela retroalimentação sensorial proprioceptiva dos membros inferiores durante o movimento de pedalar, que é mais simples do que caminhar, visto que o pedal conecta as duas pernas. Também é sabido que a estimulação visual modula a atividade neural, permitindo o surgimento de padrões corticais espontaneamente. Objetivo: O principal objetivo deste trabalho foi estudar a atividade neural de voluntários saudáveis através de um registro eletroencefalográfico enquanto estes pedalavam com e sem privação visual temporária. Método: Quarenta e dois alunos de graduação (19 mulheres) com idades entre 18 e 28 anos participaram do estudo. No experimento, os voluntários alternaram entre as fases de repouso e pedalada em uma bicicleta horizontal ergométrica em duas condições diferentes: sem (olhos abertos) e com privação visual (usando uma venda nos olhos). Os movimentos de pedalada foram realizados em duas cadências, 40 e 80 rotações por minuto. Gravamos um eletroencefalograma dos participantes durante o experimento e calculamos a potência máxima e a frequência máxima de potência para as bandas alfa (8-12Hz), beta baixa (13-22Hz) e beta alta (23-35Hz). Resultados e discussões: O movimento de pedalar resultou em uma menor potência máxima de alta atividade beta quando comparado ao repouso. Não encontramos efeito da privação visual na potência máxima para bandas beta. Assim, a privação visual não contribui para um menor recrutamento neuronal além daquele resultante da pedalada. Também não encontramos diferença entre as duas cadências. Esses achados são semelhantes aos estudos anteriores e apoiam a relevância da pedalada como esporte terapêutico para pessoas com DP. Em relação à privação visual, acreditamos que outros estudos devam ser realizados para melhor investigar a relação entre sistema visual e DP. Conclusões: A alta atividade da banda beta é suprimida pelo movimento da pedalada. Esta é mais uma pesquisa que esclarece os efeitos da bicicleta no cérebro e os mecanismos subjacentes ao efeito terapêutico da pedalada na DP.
Palavras-chave: Doença de Parkinson. Bicicleta. Eletroencefalograma (EEG).
ABSTRACT
Background: Bicycling has been proposed by several studies as a therapeutic
procedure for patients with Parkinson Disease (PD), particularly to motor rehabilitation. The act of pedaling in these patients is related to an improvement of motor impairments, to reduction of tremors as well as in improvements in bradykinesia and cognition. The neurobiological mechanisms underlying these effects are little understood. It is known that pedaling suppress the beta-band activity (13-35Hz) in the cortex and subthalamic nuclei. It has been suggested that this effect is a consequence of activation cortical circuitry by sensorial proprioceptive feedback from the lower limbs while pedaling, which is a simpler movement than walking, since the pedal connect the two legs. It is also well known that visual stimulation modulates the neural activity by allowing the emergence of spontaneously cortical patterns. Objective: The main objective of this work was to study the neural activity of healthy volunteers through an electroencephalogram record while they pedal with and without visual temporary deprivation. Methods: Forty-two healthy undergraduate students (19 female) aged 18-28 years old participated of the study. In the experiment, the volunteers alternated between rest and pedaling phases on an ergometric horizontal bicycle in two different conditions: without (open eyes) and with visual deprivation (by wearing a blindfold). The pedaling movements were performed in two cadences, 40 and 80 rotations per minute. We recorded an electroencephalogram of the participants during the experiment and calculated the maximum power and maximum power frequency for the alpha (8-12Hz), low beta (13-22Hz) and high beta (23-35Hz) bands. Results and
discussions: The movement of pedaling resulted in a lower maximum power of high
beta activity when compared to resting. We found no effect of visual deprivation on max. power for beta bands. Thus, visual deprivation does not contribute to a lower neuronal recruitment beyond that resulting from pedaling. We also found no difference between the two cadences. These findings are similar to previous studies and support the relevance of pedaling as an therapeutic sport to people with PD. Regarding visual deprivation, we think that other studies should be done to better investigate the relationship between visual system and PD. Conclusions: High beta activity is suppressed by pedaling movement. This is one more research to clarify the effects of bicycling on the brain and the mechanisms underlying the therapeutically effect of pedaling in PD.
SUMÁRIO
1 Introdução ... 13
1.1 O cérebro em movimento ... 13
1.2 Indivíduo saudável x indivíduo com a Doença de Parkinson... 15
1.3 Insights a partir da doença de Parkinson ... 15
1.3.1 A doença de Parkinson ... 15
1.3.2 A relação Parkinson e Pedalar ... 19
1.3.3 Parkinsonismo atípico ... 20
1.4 Cadência do pedalar ... 21
1.5 Modulação pelos estímulos visuais ... 22
1.6 A atividade elétrica cortical e o eletroencefalograma ... 22
1.7 Aspectos relacionados ao sono ... 24
2 Justificativa ... 26 3 Objetivos... 31 3.1 Objetivo geral ... 31 3.2 Objetivos específicos ... 31 4 Hipóteses e Predições ... 32 5 Métodos ... 34 5.1 Voluntários ... 34
5.2 Local de realização da pesquisa ... 34
5.3 Procedimentos prévios ... 34
5.4 Caracterização da amostra ... 35
5.5 Questionários cronobiológicos ... 35
5.6 Desenho do procedimento experimental... 35
5.7 Avaliação eletroencefalográfica ... 38
5.9 A bicicleta ergométrica ... 40
5.10 Aspectos legais e éticos ... 41
5.11 Análise estatística ... 41
6 Resultados ... 42
6.1 Idade e medidas antropométricas ... 42
6.2 Função cardiovascular basal ... 44
6.3 Caracterização do ciclo sono-vigília dos voluntários ... 45
6.4 Dados gerais do eletrocardiograma ... 50
6.5 Dados eletroencefalográficos ... 52
6.5.1 Potência da banda beta (baixa e alta), alfa e o pedalar ... 52
6.5.2 Banda beta baixa ... 53
6.5.3 Banda beta alta ... 54
6.5.3 Banda alfa ... 56
6.5.4 Frequência de máxima potência da banda beta baixa e o pedalar ... 57
6.5.5 Repouso em linha de base como referência para as demais etapas ... 58
6.6 Questionários de sono e o pedalar ... 60
6.6.1 Qualidade de sono ... 60
6.6.2 Sonolência diurna excessiva ... 64
7. Discussão ... 68
8. Considerações finais ... 73
9. Referências ... 74
Apêndice A – Termo de Consentimento Livre e Esclarecido ... 79
Apêndice B – Análises por Região ... 82
Apêndice C – Gráficos série temporal ... 85
Anexo A – Questionários ... 89
Questionário de cronotipo de Horne e Ostberg (matutinidade-vespertinidade) ... 89
Índice de qualidade de sono de Pittsburgh ... 92 Escala de sonolência de Epworth ... 93
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1 Introdução
Pouco nos questionamos sobre quão complexo é o ato de andar. Todos os dias acordamos, fazemos diversas atividades em casa, no trabalho, na academia etc. Nos movimentamos de diversas maneiras e de forma voluntária. Contudo, a complexidade dessa atividade é tanta que uma degeneração importante em áreas do cérebro humano causa doenças como a Doença de Parkinson (DP), que atinge grande parte da população acima de 50 anos em todo planeta e cuja cura ainda não foi descoberta.
Sem o controle de nossos movimentos somos frágeis e susceptíveis a quedas frequentes, lesões e a um declínio imenso na qualidade de vida. Contudo, nos últimos anos, pesquisadores descobriram que o simples movimento de pedalar diminui os sinais da DP enquanto os pacientes executam esse movimento (Snijders & Bloem, 2010). O ato de andar de bicicleta diminui o recrutamento neuronal para a execução desse movimento, por ser mais simples que o andar. Assim, essa tem sido mais uma alternativa para a melhora da qualidade de vida desses pacientes.
O grupo de Storzer e colaboradores (2016) buscou entender o que acontece em nosso cérebro quando pedalamos, não só no paciente com Parkinson, mas também no ser humano saudável. Como todo exercício físico, pedalar traz benefícios para a saúde cardiovascular. Além disso, já se sabe agora do seu potencial como um tratamento para uma doença conhecida mundialmente e que não se tem cura definida, alertando a importância desse exercício para toda a população mundial, saudável ou não, mas capaz de pedalar.
Sendo assim, por meio dos estudos realizados durante os dois anos de mestrado, buscou-se compreender melhor o que ocorre em nosso córtex cerebral quando pedalamos e se a ausência de estímulos sensoriais podem ou não afetar esse movimento, facilitando-o ou não.
1.1 O cérebro em movimento
Com intuito de discutir neste trabalho um pouco sobre o pedalar, é necessária a compreensão do básico acerca do que acontece em nosso cérebro antes de um movimento voluntário, de forma que a informação para o movimento se transforme em uma ação, como andar, pedalar, jogar, pegar objetos e muitas outras que um indivíduo saudável (sem distúrbios no sistema motor) é capaz de realizar. A princípio, não podemos falar de movimento sem falar do córtex, a casca do nosso cérebro. Afinal,
14 para que alguém possa andar até um objeto que se deseja pegar, por exemplo, é preciso que se tenha noção do seu corpo no espaço, a intenção de para onde se pretende ir e a escolha de como chegar até lá.
A região do córtex que iremos tratar para entender o movimento é o córtex motor, o qual está delimitado pelo lobo frontal. De acordo com Bear et al. (2017) duas áreas principais fazem parte do córtex motor, que são: a Área 6, que inclui a Área Motor Suplementar (AMS) e Área pré-motora (AMP); e a área 4, chamada também de córtex motor primário ou M1, como podemos ver na figura 1.
Figura 1 – Áreas do córtex envolvidas no controle dos movimentos voluntários. As áreas, 4 e 6, em negrito, formam o córtex motor. Fonte: modificado de Bear e colaboradores (2017).
Além do córtex motor, é importante citar os núcleos da base, principal aferência subcortical para a Área 6. Esse núcleo é composto pelos núcleos caudado e putâmen (que juntos recebem o nome de estriado), globo pálido, núcleo subtalâmico e pela a substância negra. Em um indivíduo saudável, conexões excitatórias do córtex dão o comando inicial para que se iniciem as alças motoras através dos núcleos da base e cerebelo (Bear et al., 2017). Em conjunto, cerebelo e núcleos da base planejam diferentes componentes desse movimento que, via tálamo, vai retornar essa informação para o córtex motor, a fim de que esta chegue aos motoneurônios da melhor forma para que o movimento seja realizado idealmente.
15
1.2 Indivíduo saudável x indivíduo com a Doença de Parkinson
De acordo com o modelo clássico que explica como se dá o movimento nos seres humanos, existem duas vias pelas quais os neurônios dopaminérgicos influenciam nosso movimento, sendo uma delas excitatória e outra inibitória (chamadas de via direta e indireta, respectivamente). Ambas trabalham em conjunto para que possamos realizar os movimentos voluntários de forma desejada e sem maiores problemas.
Em um indivíduo saudável, a dopamina, advinda da substância nigra, ativa a via direta e inibe a via indireta. Esse efeito diminui o output dos núcleos da base, provocando a inibição do tálamo e córtex e promovendo o movimento. Já no indivíduo com Parkinson, a perda de dopamina causa diminuição da ativação da via direta e uma hiperatividade da via indireta. Como resultado, a inibição excessiva do tálamo e do córtex leva a uma supressão do movimento (McGregor & Nelson, 2019).
Assim, como veremos no próximo tópico, o cérebro de um indivíduo com a DP tem modificações morfológicas que bloqueiam o movimento ideal e provocam os sinais da doença.
1.3 Insights a partir da doença de Parkinson
1.3.1 A doença de Parkinson
A doença de Parkinson (DP) é o segundo distúrbio neurodegenerativo progressivo mais comum na população humana, afetando cerca de 1% da população mundial acima de 60 anos, podendo ocorrer em pessoas mais jovens, com menos de 45 anos, o que é menos comum. Esse distúrbio ocorre mais em homens do que em mulheres e é caracterizado por desordens motoras e não motoras. Entre as desordens motoras tem-se, principalmente, o tremor em repouso, a bradicinesia (lentidão para iniciar os movimentos voluntários), a rigidez e a instabilidade postural e o comprometimento postural e da marcha. A DP normalmente não é diagnosticada até que os sintomas motores se desenvolvam, embora as manifestações não motoras, como problemas de sono, perda do olfato e depressão normalmente iniciem anos antes, como podemos ver na figura X (Mohammadi-Abdar et al., 2016; Yang, Perlmutter, Benzinger, Morris, & Xu, 2019).
Segundo (Kalia & Lang, 2015), o diagnóstico da doença de Parkinson ocorre com o aparecimento de sintomas motores (tempo 0 anos), mas pode ser precedido
16 por uma fase pré-motora ou prodrômica de 20 anos ou mais. Essa fase prodrômica é caracterizada por sintomas não motores específicos. Características não motoras adicionais se desenvolvem após o diagnóstico e com a progressão da doença, causando incapacidade clinicamente significativa. Sintomas motores axiais, como instabilidade postural com quedas frequentes e congelamento da marcha, tendem a ocorrer na doença avançada. As complicações a longo prazo da terapia dopaminérgica, incluindo flutuações, discinesia e psicose, também contribuem para a incapacidade (ver figura 2).
Figura 2 – Sintomas clínicos e evolução temporal da progressão da Doença de Parkinson. Fonte: Modificado de Kalia & Lang (2015).
Os principais sinais da doença que dificultam a capacidade de movimentação dos pacientes e paralisam grande parte de seus movimentos, tornando-os mais lentos, rígidos e difíceis de execução são resultantes da deficiência dopaminérgica nos núcleos da base (Figura 3a) e do acúmulo dos corpos de Lewy (Figura 3b)(Jiang, Yi, & Che, 2013; Kalia & Lang, 2015).
17
a) b)
Figura 3 – a) presença da Substância Negra normal (superior), Doença de Parkinson e ausência de diversos neurônios dopaminérgicos que formam a substância negra (inferior). Fonte:
modificado de Bear e colaboradores (2017). b) Achados microscópicos na DP com imuno-histoquímica da alfa-sinucleína. Um típico corpo de Lewy presente no tronco cerebral. Fonte:
modificado de Dickson e colegas (2012).
Não se sabe ao certo o que causa a DP, e por isso ela pode ser classificada como uma doença idiopática. Segundo Kalia & Lang (2015) por muito tempo os pesquisadores pensavam que essa fosse uma doença causada principalmente por fatores ambientais. Todavia, estudos mais recentes mostram que ela desenvolve-se a partir de uma complexa interação entre genética e ambiente.
O cérebro de uma pessoa com a DP possui duas características principais: (1) degeneração da Substância Negra pós compacta (SNpc), cujos neurônios dopaminérgicos são responsáveis pela produção do neurotransmissor dopamina (2) a patologia de Lewy, que é caracterizada por agregados anormais da proteína α-sinucleína, os quais são chamados corpos de Lewy. A associação da existência desses agregados de proteína α-sinucleína e a patogênese da DP ainda é pouco conhecida. A área mais profundamente afetada da SNpc é tipicamente a camada ventrolateral, que contém neurônios que se projetam para o putâmen, no estriado dorsal. Resultados de estudos de correlação clínico-patológica mostraram que perda neuronal dopaminérgica moderada a grave é provavelmente a causa dos sintomas motores, como bradicinesia e rigidez, em casos avançados da DP (Dickson et al., 2009).
18 Tanto a degeneração da Substância Negra quanto o acúmulo dos corpos de Lewy, só podem ser visualizados a partir da análise do tecido cerebral post-mortem (Figura 4), já que testes de diagnóstico que permitam o diagnóstico definitivo nos estágios iniciais da doença ainda não existem (Kalia & Lang, 2015), sendo apenas utilizados um conjunto de sinais e sintomas, além da ausência de outros, para que se tenha o diagnóstico. Mesmo assim, é impossível chegar a um resultado definitivo com o indivíduo vivo.
Figura 4 - A imunorreatividade à tirosina hidroxilase (TH-ir) diminui na Substância negra com a progressão da doença. Partes da Substância Negra representativas de um controle (A) e pacientes com doença de Parkinson, com duração de 1 ano (B), 4 anos (C), 5 anos (D), 7 anos (E), 11 anos (F),
14 anos (G), 15 anos (H), 18 anos (I), 19 anos (J), 22 anos (K) e 27 anos (L). Fonte: Kordower e colegas (2013).
Achados recentes mostram que a perda neuronal na doença de Parkinson ocorre em muitas outras regiões do cérebro, incluindo o núcleo basal de Meynert, núcleo motor dorsal do nervo vago, núcleo pedunculopontino, núcleo da rafe, locus ceruleus, amígdala e hipotálamo (Dickson et al., 2012).
Infelizmente ainda não há cura para a DP e o tratamento permitido é por meio do uso de fármacos (como a levodopa) e, em alguns casos, intervenção cirúrgica (estimulação cerebral profunda). Estes tratamentos normalmente mascaram os sintomas e não retardam a progressão da doença, têm frequentemente efeitos secundários indesejáveis, são dispendiosos, têm eficácia decrescente à medida que a doença progride e podem introduzir riscos adicionais para a saúde
(Mohammadi-19 Abdar et al., 2016). Contudo, o tratamento por meio da pedalada tem se mostrado eficiente nos últimos anos, com melhoras imediatas e a longo prazo, o que será mais bem descrito no tópico seguinte.
1.3.2 A relação Parkinson e Pedalar
De acordo com Winter (1991), a marcha é o movimento mais comum dentre os movimentos humanos, sendo a caracterização mecânica e funcional da habilidade de locomoção, a qual permite que nos desloquemos pelo espaço terrestre de forma coordenada. Já a pedalada é um movimento cíclico e repetitivo, consistindo na rotação completa do eixo do pedal em torno do eixo central da bicicleta. Ela pode ser realizada, de preferência, com a utilização de uma bicicleta, veículo de duas rodas que funciona como meio de transporte, além da prática do ciclismo e da realização de atividade física aeróbica, comumente nas academias, com a bicicleta ergométrica.
Na DP o congelamento da marcha apresenta-se como um fenômeno clínico, caracterizado por breves episódios de incapacidade de dar um passo ou pela execução de passos extremamente curtos, que normalmente ocorrem no início da marcha ou no giro durante a caminhada, prejudicando muito a mobilidade dos pacientes, causando quedas e reduzindo drasticamente a qualidade de vida (Nutt et al., 2011)
Embora o pedalar e a marcha envolvam movimentos coordenados complexos semelhantes, surpreendentemente, pessoas com a DP permanecem aptas a pedalar, apesar das dificuldades severas de caminhar, devido, principalmente, a um dos sintomas: o congelamento da marcha (Storzer et al., 2016).
Em 2010, pesquisadores holandeses mostraram, pela primeira vez, que a habilidade de andar de bicicleta é preservada nos pacientes com Parkinson. Nesta ocasião eles exibiram um vídeo1 de um homem de 58 anos de idade, que apresentava
DP há 10 anos e uma grave paralisia de marcha e instabilidade postural quando não medicado. Ao ser colocado na bicicleta e empurrado, o paciente consegue pedalar e manter um equilíbrio perfeito. Ao terminar a pedalada a condição de paralisia da marcha retorna (Snijders & Bloem, 2010)¹.
Além da melhora na marcha, estudos recentes (Duchesne et al., 2015) mostram que pedalar em pacientes com DP ajuda a diminuir os principais sintomas da doença,
20 de forma que melhora a aptidão cognitiva e motora destes em um curto espaço de tempo. Nesse trabalho, o grupo também demonstra que a aptidão cardiorrespiratória pode ser significativamente melhorada em pessoas com DP após apenas 3 meses de treinamento aeróbico supervisionado e progressivo. Ridgel, Vitek, & Alberts (2009), em outro estudo, demonstram melhorias nas funções motoras e na destreza bimanual após apenas dois meses de treinamento intenso e supervisionado em bicicleta ergométrica.
1.3.3 Parkinsonismo atípico
O ato de pedalar não só traz benefícios para os pacientes com Parkinson, como também ajuda no diagnóstico mais próximo possível do correto para essa doença. Afinal, existem os chamados parkinsonismos atípicos, que são um conjunto de sintomas, incluindo a lentidão dos movimentos, rigidez postural, tremor e problemas com a caminhada e o equilíbrio. Há uma lista de doenças que se manifestam com esses sinais similares aos da Doença de Parkinson, como: Parkinsonismo induzido por drogas; Parkinsonismo vascular; Atrofia de múltiplos sistemas; Demência com corpos de Lewy; Paralisia supranuclear progressiva e Degeneração ganglionar corticobasal (Gilbert, 2018).
Ainda segundo Gilbert (2018), não há um biomarcador disponível ou teste específico que possa ser realizado para distinguir facilmente a DP e o Parkinsonismo atípico (PA) o diagnóstico às vezes pode não ser claro. Contudo, Aerts et al. (2011) propõem uma nova forma de identificar o PA, o que eles chamam de “sinal da bicicleta”. Esse nome se dá porque pacientes com PA provavelmente perdem a capacidade de pedalar durante a fase inicial da doença, presumivelmente porque o ciclismo requer coordenação hábil do corpo e dos membros, além de manutenção do equilíbrio. Por outro lado, os pacientes com a DP mantêm a capacidade de pedalar bem, mesmo que tenham congelamento de marcha (Snijders et al., 2011).
Dessa forma, espera-se que esse achado interessante seja clinicamente útil para a diferenciação precoce entre DP e parkinsonismo atípico, embora nem todos os pacientes com parkinsonismo atípico possam perder a capacidade de pedalar, como podemos ver em Brüggemann et al. (2011).
21
1.4 Cadência do pedalar
Pouco ainda se sabe sobre quais mecanismos neurais proporcionam essa melhora nos pacientes com DP quando eles pedalam. Já existem diversos estudos mostrando que não é a ação motora da pedalada, mas sim o exercício forçado de pedalar que trazem melhoras globais na função motora desses pacientes.
Ridgel et al., (2009) trazem o experimento onde alguns pacientes pedalaram no selim de trás em uma bicicleta tandem estacionária (bicicleta com dois selins e dois pedais) durante 8 semanas, sendo o controle da pedalada feito pela pessoa no selim da frente, a qual pedala em uma cadência maior do que a que seria confortável para a pessoa de trás. Nesse estudo, as pessoas com a DP tanto realizaram o exercício forçado, em uma cadência maior, quando o exercício voluntário, em uma cadência confortável. Assim, notou-se que independente de forçado ou não, o exercício melhorou a aptidão aeróbica desses pacientes, mas apenas o exercício forçado trouxe melhoras na função motora, incluindo melhora na bradicinesia e rigidez, em 5 dos 8 pacientes.
Estudos com modelos animais de doença de Parkinson também mostraram que exercícios de alta intensidade facilitam a neuroplasticidade, aumentando a disponibilidade sináptica de dopamina e melhorando, assim, a função motora (G. M. Petzinger et al., 2007; Giselle M. Petzinger et al., 2010). Dessa forma, a cadência de pedalar estaria sendo relevante para esse processo.
A cadência não pode ser confundida com a velocidade de pedalar. A velocidade é a distância percorrida por um objeto na unidade de tempo. Já a cadência diz respeito ao movimento das pernas durante o pedalar, ou seja, às rotações completas sobre o eixo do pedal por minuto, sendo, portanto, medida em rpm.
Entretanto, em um estudo recente, Chang et al., (2018) investigaram a possível melhora da função motora em pacientes com estágio inicial de DP submetidos a ciclos de baixa intensidade de 16 sessões por 8 semanas. O que eles encontraram foi que realmente os pacientes exibiram melhoras significativas nas funções motora e cognitiva mesmo pedalando em baixas cadências.
Diante dessas possibilidades, neste trabalho foram utilizados dois tipos de cadência do pedalar, 40 rotações por minuto (rpm) e 80rpm.
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1.5 Modulação pelos estímulos visuais
Segundo Cowie et al., (2010), a DP está associada a um distúrbio visuomotor, visto que os pacientes produzem respostas exageradas às informações visuais. Para alguns pacientes, o estímulo visual, como portas, pode acionar o congelamento de marcha. Não só em pacientes, como também em indivíduos saudáveis, existe uma reação a portas mais estreitas com passos mais lentos e curtos. A principal diferença entre eles é que quanto mais estreitas eram as portas pelas quais passavam nesse experimento, os pacientes com Parkinson apresentaram maiores e mais consistentes mudanças durante o caminhar, comparadas com os indivíduos saudáveis.
Diante disso, acredita-se ser importante investigar o processamento visuomotor nas pessoas enquanto elas pedalam, a fim de que possamos compreender se o input sensorial, aliado ao pedalar, pode nos dar melhores respostas na diminuição dos sinais da DP.
No trabalho de Gratkowski et al., (2017a) o modelo experimental chamado BrainCycles, desenvolvido pelo grupo, é vinculável a um ambiente de realidade virtual fornecido pelo software Powerbike, que permite a simulação de andar de bicicleta em uma determinada rota. A capacidade do Powerbike de reproduzir vídeos sincronizados com a pedalada pode ser usada para investigar como essas pistas visuais e obstáculos súbitos são processados durante o ciclismo.
Pensando nisso, a ideia de retirar os estímulos visuais durante o pedalar, no presente trabalho, seria uma etapa inicial para estudarmos como os estímulos visuais interferem nessa atividade. Sugere-se que o movimento de pedalar torne-se mais fácil com a retirada dessa input, visto que haveria uma diminuição do recrutamento neuronal. Essa proposta pode permitir várias novas linhas de pesquisa envolvendo feedback visual ou simulando a navegação de bicicleta no mundo real em pacientes com distúrbios do movimento, como pretendemos fazer futuramente.
1.6 A atividade elétrica cortical e o eletroencefalograma
Desde as primeiras semanas de vida de um ser humano seu cérebro já exibe atividade elétrica. Isso acontece porque nossos neurônios, células presentes em nosso sistema nervoso, precisam se comunicar. As atividades no Sistema Nervoso Central (SNC) estão relacionadas principalmente às correntes elétricas transferidas
23 entre as junções (chamadas sinapses) de axônios e dendritos e dendritos e dendritos dos neurônios (Sanei e Chambers, 2007).
Uma das formas que os pesquisadores encontraram para registrar essas correntes elétricas que “passeiam” pelo nosso cérebro é o Eletroencefalograma (EEG), técnica eletrofisiológica onde eletrodos são afixados no couro cabeludo. Hans Berger, um psiquiatra alemão, foi pioneiro na realização de EEG em humanos em 1924 (Goetz, 2011). Desde então, a técnica tem avançado e tem sido utilizada tanto na pesquisa quanto na saúde, para detecção de doenças como a epilepsia.
É possível observar, na Figura 5, que a atividade elétrica do cérebro pode ser distinguida em diferentes padrões, para os quais a ciência já deu nomes e cuja prevalência de aparecimento no EEG depende do estado em que o sujeito se encontra durante o exame.
Figura 5 - Elementos encefalográficos encontrados no EEG durante o sono e a vigília. Vigília atenta ou de olhos abertos observamos a onda Beta 13-35 Hz; Vigília relaxada a onda Alfa (7-12Hz), Em N1, N2, N3 e REM os estágios do sono. Fonte: Laboratório de Neurobiologia e
Ritmicidade Biológica (LNRB).
Como se pode ver, durante o sono, também há atividade rítmica. Contudo, alguém que realiza apenas um EEG simples, geralmente deve encontrar-se acordado. Portanto, apenas as ondas alfa e beta serão estudadas neste trabalho. Falando sobre as principais bandas de frequência observadas aqui, temos que a atividade rítmica de beta é encontrada principalmente nas regiões frontal e central do córtex,
24 ocorrendo geralmente em adultos normais (Sanei e Chambers, 2007). A banda beta ainda pode ser classificada como beta alta e beta baixa. Gratkowski et al. (2017), classificou beta baixa na faixa de 13-22hz e beta alta na faixa de 23-35hz, sendo a primeira associada ao pensamento ativo, atenção, foco no mundo exterior, resolução de problemas complexos; e a segunda associada ao ser humano estar em estado de pânico, sendo portanto ligada a situações estressantes (Sanei e Chambers 2007).
A onda alfa aparece mais claramente na metade posterior da cabeça e é encontrada sobre a região occipital do cérebro, podendo ser notada em todas as partes dos lobos posteriores do cérebro. Acredita-se que a presença de ondas alfa indique uma consciência relaxada sem qualquer atenção ou concentração (Sanei e Chambers 2007).
A interpretação dos dados na variação de amplitude, frequência e potência de um sinal eletroencefalográfico é muito importante devido ao elevado número de situações que podem acarretar essas variações. No caso da onda beta, acredita-se amplamente que sua atividade exagerada no circuito dos núcleos da base é uma importante anormalidade patofisiológica na DP, contribuindo particularmente para a bradicinesia, lentidão anormal dos movimentos voluntários, característicos dessa doença (Oswal et al., 2013).
1.7 Aspectos relacionados ao sono
Em primeiro lugar, ao falarmos de atividade elétrica cortical, é mais fácil nossa mente retomar a imagem de alguém com a cabeça cheia de eletrodos do que a de um indivíduo dormindo. Contudo, durante o sono não temos um “apagão cerebral”, como muitos podem pensar, mas sim uma sucessão de diferentes estágios da atividade neuronal. Nosso cérebro literalmente trabalha o tempo todo e é possível que identifiquemos diversos padrões de ondas que aparecem quando um indivíduo está dormindo, acordado de olhos abertos, acordado de olhos fechados, em coma etc.
Os voluntários desta pesquisa são alunos de graduação da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, e já se sabe que estudantes nesse período da vida acadêmica geralmente estão bastante privados de sono. Isso se dá em virtude de suas aulas que muitas vezes são ministradas no turno da manhã, levando-os à necessidade do uso de despertadores e resultando em uma quantidade de horas de sono menor durante a semana, bem como uma piora da qualidade de sono e
25 sonolência diurna excessiva (Souza et al, 2012; Kolodiuk, 2015; Lima, Medeiros, & Araujo, 2002).
Além disso, também é importante que conheçamos o cronotipo desses indivíduos, pois a depender da preferência para a realização das atividades diárias eles podem ser prejudicados pelos horários impostos pela sociedade. De acordo com Duarte (2018), cronotipo trata-se de uma diferença de alocação de fase dos ritmos circadianos, ou seja, embora sejamos uma espécie que desenvolva suas atividades durante o dia e repouse à noite, existem preferências individuais para o horário de início e final do sono. Logo, uma pessoa pode ser matutina, vespertina, intermediária ou bimodal.
Os indivíduos classificados como matutinos preferem dormir mais cedo da noite, tendo o horário final do sono sendo também mais cedo; os vespertinos já preferem iniciar o horário de sono mais tarde e, portanto, começar as atividades diurnas mais tarde. Os intermediários, conhecidos também como indiferentes, encontram-se no intermédio entre o matutino e o vespertino, curiosamente sendo a maioria da população. Já os bimodais são aqueles que hora se comportam como matutinos, hora de comportam como vespertinos (Kolodiuk, 2015; Martynhak, 2008).
O fato de ser tão importante avaliar o padrão de sono desses estudantes diz remete-se à relação dos padrões de onda observados no EEG durante a vigília estarem relacionados com a ritmicidade circadiana. Cajochen et al. (2002) mostram que oscilações de baixa frequência durante a vigília estão associadas com a diminuição de desempenho em fases circadianas adversas, ou seja, se um indivíduo é vespertino e costuma acordar todos os dias às 11h da manhã, fazer uma atividade às 7h pode trazer o aparecimento de frequências que não costumam aparecer na vigília, afinal, as frequências mais altas, como beta, são fundamentais para tarefas como desempenho, memória e atenção.
Vale ressaltar que, por mais que não tenham passado por atividades de memória e cognição no experimento aqui descrito, para um bom acompanhamento de um registro eletroencefalográfico, descrever o cronotipo e comparar a sonolência diurna e a qualidade de sono desses voluntários com os padrões de onda estudados se fez necessário.
26
2 Justificativa
Quanto à investigação dos processos neurais que permitem a diminuição dos sintomas da DP, recentemente, foi demonstrado a partir do Eletroencefalograma (EEG) que o pedalar em comparação com o andar provoca uma robusta e mantida ativação cortical e uma menor demanda do controle motor cortical (Storzer et al., 2016). Isso se deve provavelmente ao fato de que a caminhada exige mais processamento sensorial e planejamento motor dependentes de fase, porque cada perna é independente na alteração das fases de apoio e oscilação do movimento. No ciclismo, os pedais são relacionados um ao outro, impondo um movimento contínuo de ambas as pernas (Gratkowski et al., 2017b), o que torna o pedalar um movimento mais coeso e mais fácil do que o andar.
Ainda com relação ao trabalho de Storzer et al., (2016), um dos principais achados durante o pedalar foi que tanto o ciclismo quanto a caminhada levaram a uma diminuição da atividade oscilatória em relação à condição de repouso inicial nas bandas alfa (8–12 Hz), beta baixa (13–22 Hz) e beta alta (23–35 Hz) em pessoas saudáveis (Figura 6).
Figura 6 –Alterações da potência espectral em dB durante o movimento contínuo em relação ao período de repouso da linha de base. Fonte: Modificado de Gratkowski e colaboradores (2017a).
O grupo de Storzer e colaboradores também desenvolveu um modelo experimental para os estudos dos mecanismos neurais do movimento de pedalar chamado BrainCycles, o qual foi utilizado para estudar tanto a atividade cortical por EEG quanto a atividade neural dos núcleos da base, em especial os núcleos subtalâmicos. Para isto eles aproveitaram pacientes com a DP que foram submetidos
27 a implantes de eletrodos nos núcleos subtalâmicos para tratamento por estimulação elétrica profunda (Gratkowski et al., 2017b). Na figura 7 podemos ver o que acontece com a onda beta durante o pedalar comparado com o repouso. Tanto observando o sinal diretamente nos núcleos da base quanto no córtex, a banda beta diminui durante o pedalar e aumenta no repouso.
Figura 7 –Eletrocorticorgrama e Eletroencefalograma. Fonte: Modificado de Gratkowski e colaboradores (2017a).
Em virtude das diversas lacunas ainda existentes sobre o detalhamento dos mecanismos neurais decorrentes do ato de pedalar, o objetivo deste trabalho foi estudar a dinâmica neural através da técnica de eletroencefalograma durante o pedalar em condições de presença e ausência de estímulo visual em indivíduos saudáveis.
Nosso primeiro objetivo foi replicar os resultados do experimento de Storzer e colaboradores (Gratkowski et al., 2017a; Storzer et al., 2016), tendo como estratégia reproduzir os mesmos resultados ajustando alguns parâmetros no protocolo experimental (Figura 8). Nossas principais alterações foram: a diminuição dos estímulos visuais, a realização com apenas sujeitos saudáveis e o parar ao invés do caminhar.
Já se sabe que a banda beta aumentada está relacionada com uma maior atividade neuronal. Pacientes com a DP apresentam, sempre quando acordados e de olhos abertos, uma banda beta alta por volta de mais de 18Hz, quando não estão medicados. A banda beta mais elevada costuma estar relacionada a padrões de
28 ansiedade em sujeitos saudáveis, além de ocorrer em pacientes com Parkinson (Storzer et al., 2017b).
Ao fechar os olhos, uma pessoa saudável tem um aumento da onda Alfa e uma diminuição da onda Beta. Nossa principal hipótese é de que, com os olhos fechados, haveria uma diminuição da atividade sensorial somada ao efeito do pedalar, provocando, portanto, uma diminuição do recrutamento neuronal.
Figura 8 – (A) Ilustração esquemática do protocolo experimental. Cada condição começou com um período de repouso inicial de 2 min, ou seja, sentado na bicicleta ou em pé, respectivamente. Após mais 10 segundos de descanso, os participantes realizaram uma sequência alternada contendo 10 segundos de movimento, isto é, andar de bicicleta ou a pé e 10 segundos de descanso. Isso foi repetido 50 vezes. O início e o fim da fase de movimento foram indicados por um sinal acústico. Finalmente, os participantes pedalaram em movimento contínuo por 2 min. (B) O simulador de bicicleta compromete uma estrutura de bicicleta de estilo holandês montada em um ergômetro.
Fonte: Modificado de Storzer e colegas (2016).
Como no protocolo inicialmente elaborado por esse grupo de pesquisadores, o que foi feito aqui foi a comparação do espectro de potência do sinal do EEG da atividade cortical pedalando com a linha de base em repouso. Além disso, estudamos o padrão da atividade cortical ao pedalar com e sem a privação de estímulos visuais. Esta estratégia permite uma mudança na atividade neural, com o aparecimento de padrões corticais espontâneos, ou seja, gerados endogenamente e que podem refletir diversos aspectos da função cortical (Toscani et al., 2010). Como é sugerido que o ato de pedalar ativa a atividade neural cortical, principalmente em nível do córtex sensório motor, esperamos que este fenômeno seja mais intenso com a privação de estímulos visuais.
Em nosso trabalho utilizamos o EEG, observando as seguintes regiões corticais: frontal, central, parietal e o occipital. Além disso, recrutamos voluntários
29 jovens e que não apresentem a DP, tendo em vista que o nosso objetivo principal foi observar como o pedalar modifica as frequências espectrais, nas diferentes regiões do córtex. Também utilizaremos o Eletrocardiograma (ECG), para termos uma ideia da atividade cardiorrespiratória desses jovens enquanto estes pedalam.
Diante disso, neste estudo, observamos e analisamos o que acontece com o córtex cerebral de indivíduos saudáveis durante a estimulação sensorial nos membros inferiores por meio da atividade de pedalar, que foi realizada em uma bicicleta ergométrica horizontal, utilizando uma cadência sugerida de 40rpm. Observamos a atividade elétrica cortical dos indivíduos, modulada pelos estímulos visuais, através do EEG nas regiões corticais já citadas; bem como a variável autonômica da frequência cardíaca.
Por mais que tratemos da DP neste trabalho, nós iremos realizar experimentos apenas com sujeitos saudáveis. Isso pode fazer com que as pessoas que o leiam acreditem que nossa justificativa seja utilizar os resultados como uma sugestão de melhora imediata da condição desses pacientes. Contudo, para entender a principal relevância deste estudo, é necessário que façamos uma analogia com dois casos de pacientes muito importantes para a ciência: Henry Molaison (HM) e Phineas Gage.
HM teve seu comportamento estudado após fazer uma cirurgia onde perdeu parte de ambos os lobos temporais (Dossani, Missios, & Nanda, 2015). Já Phineas Gage, após sofrer um acidente no qual uma barra de ferro atravessou seu crânio, perdeu parte dos lobos frontais (Schotten et al., 2015). O caso de HM foi pioneiro para os estudos de memória, bem como o de Phineas Cage para compreendermos um pouco mais sobre as emoções humanas, personalidade e interação social. Em ambos os casos, a partir de uma doença compreendeu-se melhor alguns comportamentos importantes de um ser humano saudável.
Analogamente buscamos, a partir dos episódios de pacientes com Parkinson que conseguem pedalar e ter melhoras imediatas do tremor e bradicinesia característicos da doença, aos poucos preencher as lacunas sobre o que acontece no cérebro de um ser humano quando ele pedala e como um ato, o pedalar, que é proporcionado por uma invenção humana, a bicicleta, afeta nossos mecanismos neurais.
Além disso, não descartamos a possibilidade de os resultados aqui encontrados serem úteis para o tratamento da DP com a bicicleta, visto que trazemos
30 uma nova possibilidade que é o pedalar de olhos fechados como uma forma ainda melhor de diminuir a atividade da banda beta alta.
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3 Objetivos
3.1 Objetivo geral
Estudar a dinâmica neural através da técnica de eletroencefalograma durante o ato de pedalar em condições de presença e ausência de estímulos visuais.
3.2 Objetivos específicos
• Estudar a magnitude da supressão de ondas do EEG na banda beta pelo ato de pedalar em voluntários com e sem privação da sensibilidade visual;
• Comparar os resultados entre as condições olhos abertos e olhos fechados para a magnitude da supressão de ondas do EEG na banda beta pelo ato de pedalar.
• Investigar se o movimento de pedalar pode ser associado ao aumento da frequência mais baixa da banda beta em pessoas saudáveis.
• Comparar as potências das frequências (alfa, beta alta e beta baixa) espectrais entre as fases olhos fechados pedalando e olhos abertos pedalando com o repouso de linha de base.
• Comparar os resultados entre as duas cadências 40rpm e 80 rpm para a magnitude da supressão de ondas do EEG na banda beta pelo ato de pedalar. • Comparar as potências das frequências (alfa, beta alta e beta baixa) espectrais entre as fases olhos fechados pedalando e olhos abertos pedalando com os questionários de sonolência diurna excessiva e qualidade de sono.
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4 Hipóteses e Predições
H1 – A estimulação sensorial nos membros inferiores provocada pelo ato de pedalar
modula a potência das oscilações neurais nas bandas de frequência em beta (13-35 Hz) nas regiões corticais: frontal, central, parietal e occipital.
P 1.1 – A média dos valores de potência das oscilações neurais nas bandas de
frequência em beta baixa (13-22Hz) e beta alta (23-35Hz) será reduzida quando o indivíduo estiver pedalando de olhos abertos em relação ao indivíduo em repouso de olhos abertos, nas quatro regiões: frontal, central, parietal e occipital.
P 1.2 – A média dos valores de potência das oscilações neurais nas bandas de
frequência em beta baixa (13-22Hz) e beta alta (23-35Hz) será reduzida quando o indivíduo estiver pedalando de olhos fechados em relação ao indivíduo em repouso de olhos fechados, nas quatro regiões: frontal, central, parietal e occipital.
P 1.3 – A média dos valores de potência das oscilações neurais nas bandas de
frequência em beta baixa (13-22Hz) e beta alta (23-35Hz) será reduzida quando o indivíduo estiver pedalando de olhos fechados em relação ao indivíduo pedalando de olhos abertos, nas quatro regiões: frontal, central, parietal e occipital.
P 1.4 – A média dos valores de potência das oscilações neurais nas bandas de
frequência em beta baixa (13-22Hz) e beta alta (23-35Hz) será reduzida quando o indivíduo estiver de pedalando de olhos fechados em relação ao indivíduo de repouso de olhos fechados, nas quatro regiões: frontal, central, parietal e occipital.
H2 – A estimulação sensorial nos membros inferiores no ato de pedalar modula a
frequência de pico da onda beta.
P 2.1 – A média dos valores de frequência de pico nas bandas de frequência em beta
(13-35Hz) será reduzida quando o indivíduo estiver pedalando em relação ao indivíduo em repouso.
H3 – A estimulação sensorial nos membros inferiores no ato de pedalar modula a
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P 3.1 – A média dos valores de potência na banda alfa (7-13Hz) será reduzida quando
o indivíduo estiver pedalando de olhos fechados em relação ao indivíduo em repouso de olhos fechados, nas regiões occipital e frontal.
H4 – A cadência que o indivíduo pedala modula a frequência da banda beta.
P 4.1 – A média dos valores de potência das oscilações neurais nas bandas de
frequência em beta baixa (13-22Hz) e beta alta (23-35Hz) será reduzida nos indivíduos que pedalaram à 80rpm em comparação com os que pedalaram à 40rpm.
H5 – A qualidade do sono e a sonolência excessiva diurna dos voluntários interfere
nas potências das frequências (alfa, beta alta e beta baixa) espectrais entre as fases olhos fechados pedalando e olhos abertos pedalando.
P 5.1 – Quanto mais privados de sono, mais os indivíduos apresentarão maior
potência de ondas alfa e menor potência de ondas beta durante o pedalar de olhos fechados e de olhos abertos.
P 5.2 – Aqueles que apresentarem sonolência diurna excessiva terão maior potência
de ondas alfa e menor potência de ondas beta durante o pedalar de olhos fechados e de olhos abertos.
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5 Métodos
5.1 Voluntários
Inicialmente, foram convidados a participar desse projeto 46 universitários de diversos cursos de graduação da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), de ambos os sexos. Contudo, devido a presença de artefatos nos dados tiveram que ser retirados os dados de 4 pessoas, totalizando um N de 42 voluntários. Esses jovens foram contatados através de: exposições do projeto na própria universidade, cartazes dispostos pelo campus; divulgação nas redes sociais e por contato direto.
Os horários para participação do experimento ficaram à critério dos voluntários, visto que, por serem de muitos cursos diferentes (entre eles química, engenharia civil, medicina, farmácia etc.) supomos que seria difícil encontrar um número considerável de participantes caso o horário da pesquisa fosse fixo. Logo, tivemos participantes distribuídos nos três turnos: manhã, tarde e noite.
Após os esclarecimentos sobre o projeto, e assinatura do termo de consentimento livre e esclarecido (TCLE) (Apêndice A), os voluntários foram avaliados conforme os critérios abaixo: (1) Critérios de inclusão: indivíduos adultos com idade entre 18 e 28 anos (2) Critérios de exclusão: indivíduos com doenças cardiovasculares, respiratórias ou neurológicas graves, bem como alterações nos músculos inferiores que impedissem o sujeito de pedalar.
5.2 Local de realização da pesquisa
Os experimentos aqui descritos foram realizados do Laboratório de Neurobiologia e Ritmicidade Biológica (LNRB) do Departamento de Fisiologia no Centro de Biociências da UFRN, em uma das salas do laboratório equipada para tal.
5.3 Procedimentos prévios
Para treinamento dos pesquisadores, no que diz respeito a realização do experimento de forma mais precisa possível, foi realizado um estudo piloto com 15 voluntários, não necessariamente universitários, entre os meses setembro de 2018 e fevereiro de 2019. Esses dados não fizeram parte da amostra final.
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5.4 Caracterização da amostra
No trabalho de Storzer et al. (2016), cujo protocolo experimental serve de base para elaboração do nosso, participaram 14 voluntários. Considerando que nesta pesquisa faremos principalmente análises de medidas repetidas, ou seja, comparando condições dentre sujeitos, um número amostral pequeno, semelhante ao de Storzer e colegas (2016), parece ser adequado. Decidiu-se elevar o número da nossa amostra para 30 pessoas. O número de 33 pessoas foi obtido por termos mais alunos de graduação interessados na pesquisa. Além disso, para comparar as cadências durante o pedalar, criamos um grupo de mais 13 pessoas (um pouco mais da metade que o grupo inicial) que pedalaram com uma cadência maior e apenas de olhos abertos. No total, fizemos o experimento com 46 estudantes, tendo sito retirados 4, como foi dito anteriormente.
5.5 Questionários cronobiológicos
Todos os 42 voluntários que pertenciam a amostra foram submetidos a um exame físico prévio, no qual aferiu-se pressão, peso e altura. Após isso, responderam os seguintes questionários (Anexo A), todos com versões validadas aqui no Brasil, a fim de que o sono fosse avaliado e não viesse a interferir na leitura dos dados: Questionário de matutinidade-vespertinidade Horne e Östberg (HO) (Ceolim & Menna-Barreto, 2000) e Questionário de cronotipo de Munique (MCTQ) (Roenneberg, Wirz-Justice, & Merrow, 2003), que nos dá o cronotipo desses estudantes; Índice de Qualidade de Sono de Pittsburgh (PSQI), que retoma os hábitos de sono dos voluntários no mês anterior ao experimento; e Escala de Sonolência Excessiva (ESS), que avalia a sonolência diurna (Bertolazi et al., 2009), ver anexo. Os procedimentos de registros dos sinais EEG e ECG e análises dos dados serão detalhados posteriormente. Uma avaliação dos parâmetros cardiovasculares foi feita durante todo o experimento com o objetivo de avaliar esforço e gasto energético realizado durante as pedaladas.
5.6 Desenho do procedimento experimental
Como já foi dito, a presente metodologia baseou-se na do trabalho de Storzer e colaboradores (2016), cujo método vale a pena ser aqui descrito para melhor entendermos as adaptações que fizemos ao seu protocolo.
36 Nesse protocolo os participantes fizeram atividades de caminhar e pedalar. Cada condição começou com um período inicial de descanso de 2 minutos, isto é, com o voluntário sentado na bicicleta ou em pé, respectivamente. Em seguida, os sujeitos realizaram uma sequência alternada contendo 10s de movimento, ou seja, andar de bicicleta ou a pé e 10s de descanso em seguida. A sequência foi repetida 50 vezes. O início e o fim de cada movimento foram indicados por um sinal acústico (bip de 500 ms de duração com uma frequência de 1000 Hz para o início e 1500 Hz para final). Por fim, os participantes passavam 2 minutos de movimento constante, pedalando ou caminhando (Figura 9a). Os participantes foram instruídos a andar de bicicleta ou caminhar em cadência lenta e confortável de 40 rotações por minuto (rpm) ou passos por minuto (spm), respectivamente. Antes do experimento, eles receberam um curto período de teste para se acostumar com a cadência pretendida.
A condição de caminhada foi realizada em um corredor de 50 m de comprimento, sem obstáculos ou sugestões adicionais. Já a condição de pedalar, como podemos ver na figura 9b, foi realizada em uma bicicleta ergométrica desenvolvida por Dahmen et al (2011).
Figura 9a e 9b – Protocolo experimental utilizado por Storzer e colegas (2016).
Para a realização do experimento do presente trabalho, algumas modificações foram feitas no protocolo de Storzer et al., (2016).
Um total de 42 voluntários foram recrutados, os quais após assinarem o termo de consentimento livre e esclarecido, concluído o exame físico, bem como respondidos todos os questionários e realizada a colocação de eletrodos (conforme descrito no próximo tópico), foram submetidos ao seguinte procedimento:
37 Depois de serem posicionados na bicicleta horizontal estacionária, 30 dos 42 sujeitos passaram por duas etapas, sendo uma delas toda realizada de olhos abertos e a outra toda realizada de olhos fechados, pedalando à 40 rotações por minuto (rpm). Os outros 12 dos 42 voluntários passaram apenas pela etapa de olhos abertos, e pedalaram à 80 rotações por minuto.
Para aferir a cadência ao pedalar utilizamos um aparelho chamado “digital photo laser tachometer” (Figura 10). Como esse aparelho não pôde ser acoplado a bicicleta por ser de uso manual, fez-se um teste com uma pessoa pedalando para sabermos qual velocidade marcada na tela da bicicleta equivaliam à 80rpm e 40rpm. Portanto, pedimos que os voluntários pedalassem a 10km/h para alcançarem 40rpm e a 15Km/h para alcançarem 80rpm. Quando começavam de olhos fechados, nós treinávamos essa velocidade junto com o voluntário, antes de iniciar o experimento, para que ele ficasse o mais próximo possível dela, mesmo com a venda nos olhos.
Figura 10 - “Digital photo laser tachometer”. Fonte: LNRB.
A fim de que a ‘etapa olhos abertos’ não influenciasse a ‘etapa olhos fechados’, para aqueles que passaram por ambas, a ordem da realização delas se deu por meio de um sorteio, realizado antes do início do experimento com o voluntário. Na sala havia uma urna e cada sujeito puxou um papel com o nome da etapa que ele realizou primeiro.
A ‘etapa olhos abertos’ foi realizada da seguinte forma: 1) Em primeiro lugar, foi feito o registro eletroencefalográfico do sujeito de olhos abertos e em repouso (sentado), essa é a linha de base inicial e teve duração de 2 minutos; 2) Posteriormente, também de olhos abertos, os voluntários foram submetidos a um padrão de registro durante o movimento intercalado de pedalar e de repouso, a cada
38 10 segundos. Foram repetidas 50 vezes, nos dando 8 minutos e 40 segundos de duração. 3) Por fim, os voluntários ficaram 2 minutos apenas pedalando de olhos abertos, essa foi a linha de base final. Portanto, essa parte do experimento durou, em média, 13 minutos. Para aqueles que só realizaram essa etapa, o experimento acabou aqui.
A ‘etapa olhos fechados’ foi realizada da seguinte forma: 1) Em primeiro lugar, foi feito o registro eletroencefalográfico do sujeito de olhos vendados e em repouso (sentado), essa foi a linha de base inicial e teve duração de 2 minutos; 2) Posteriormente, também vendados, os voluntários foram submetidos a um padrão de registro durante o movimento intercalado de pedalar e de repouso, a cada 10 segundos. Foram repetidas 50 vezes, nos dando 8 minutos e 40 segundos. 3) Por fim, os voluntários ficaram 2 minutos apenas pedalando de olhos vendados durante 2 minutos, essa foi a linha de base final (Figura 11). Logo, essa parte do experimento também durou, em média, 13 minutos. Para aqueles que realizaram as duas etapas o experimento teve, no total, aproximadamente 26 minutos.
Figura 11 – Metodologia baseada no “Protocolo Storzer”; OA = Olhos Abertos e OF = Olhos fechados. Modificado de Storzer e colaboradores (2016).
5.7 Avaliação eletroencefalográfica
Para a aquisição dos dados de atividade elétrica cortical, utilizamos a técnica de eletroencefalografia, que trata-se de um registro da atividade elétrica cerebral realizado por meio de eletrodos e meios condutores fixados no couro cabeludo do
39 indivíduo. É uma técnica não invasiva, podendo ser aplicada repetidas vezes em pessoas de diferentes idades (Teplan, 2002).
O eletroencefalograma foi realizado durante todos os experimentos. Para a aquisição do sinal foram utilizados eletrodos Ag-AgCl posicionados no escalpo conforme o sistema 10-20. Foi feita uma montagem eletroencefalográfica composta de 8 eletrodos em montagem bimodais, sendo os seguintes pares F3-Fz, F4-Fz, C3-Cz, C4-C3-Cz, P3-Pz, P4-Pz, O1-A2 e O2-A1. O Sistema Internacional 10-20 é um método internacionalmente reconhecido para descrever a localização do eletrodos no couro cabeludo do sujeito. Os números “10” e “20” estão relacionados com as distâncias entre os eletrodos, que são 10% ou 20% do total do nasion até o inion (da frente até a parte posterior da cabeça) ou a distância do lado esquerdo ao direito do crânio (Teplan, 2002). Os dados foram coletados com uma taxa de amostragem de 1000 Hz usando um sistema PowerLab 8/30. Dados de ECG foram registrados em um sistema PowerLab 26T. Ambos os sistemas estavam integrados e os dados foram gravados no Software LabChart 7.
Os dados foram captados com filtro passa banda de 1 a 100Hz. Para análise foi aplicado um filtro band-stop de 60 Hz para remover ruído da rede elétrica e, durante a atividade de pedalar, foi aplicado um filtro passa banda de 3 a 35 Hz.
Para a colocação dos eletrodos, os indivíduos tiveram apenas que deixar de usar cremes de cabelo no dia do experimento, facilitando a fixação no couro cabeludo e a coleta do dado. Foi utilizada uma pasta abrasiva para assepsia de pele nos locais de fixação de cada eletrodo e todos os eletrodos foram afixados com uma pasta condutora em cada local pré-estabelecido do escalpo.
Todos esses procedimentos são indolores, não invasivos e rápidos. O eletroencefalograma é um exame muito seguro (Cacioppo et al., 2000). A atividade elétrica do cérebro é gravada, mas nenhum tipo de corrente elétrica é aplicado no corpo do paciente. A previsão de riscos é mínima, podendo ser comparada ao risco físico ou psicológico de um exame de rotina. Algum desconforto pode surgir com a utilização dos eletrodos no couro cabelo, o qual pode ser minimizado com a aplicação da pasta condutora, a qual é de alta condutividade, não tóxica e não irritante, desenvolvida para garantir resultados sem ruídos e boa fixação dos eletrodos durante o exame (Alencar, 2017).
40
5.8 Eletrocardiograma (ECG)
O eletrocardiograma representa um traçado elétrico do coração que é registrado de forma não invasiva na superfície do corpo (Fye, 1994). Os dados desse exame foram coletados através do sistema PowerLab 26T, gravados no Software LabChart 7 e captados com filtro de 0,3 a 35 Hz e frequência amostral de 500Hz. Utilizou-se uma derivação padrão D2 para a coleta, por meio de eletrodos auto adesivos fixados no tórax dos voluntários.
Um dos principais motivos para realizar o ECG foi com a finalidade de acompanhar a frequência cardíaca dos voluntários durante o exercício físico, até para nos ajudar a saber se o dado estava correto, esperando que durante o pedalar essa frequência estivesse mais alta do que no repouso, bem como ter uma noção da saúde cardiovascular dos voluntários, no caso de frequência cardíacas altas em repouso.
5.9 A bicicleta ergométrica
Existem três tipos principais de bicicletas estacionárias ergométricas: horizontal, vertical e spinning. Nesse experimento utilizamos uma bicicleta ergométrica horizontal, a qual geralmente é empregada como uma forma de exercício aeróbio para reabilitação cardíaca, perda de peso e como uma forma de teste de esforço. Esse modelo de bicicleta é semelhante a um pedalinho, possibilitando a execução da atividade em uma posição mais confortável e relaxada, já que ela possui um assento onde o indivíduo pode ficar com a coluna ereta, permitindo que ele pedale sem ter de se inclinar para a frente. Porém, nela também é possível elevar a carga para aumentar a intensidade do exercício. A escolha pelo modelo de bicicleta ergométrica horizontal para esse trabalho deu-se devido a um maior equilíbrio e uma maior estabilidade proporcionada, quando comparada ao modelo vertical e ao modelo spinning. Dessa forma, ela possibilita a diminuição de eventuais interferências sensoriais e de risco de impactos para os indivíduos que participarem da atividade, como o risco de quedas. O modelo da bicicleta utilizado nesse projeto é o MAX-H da Dream Fitness (Figuras 11 e 12).
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Figuras 11 e 12 – Bicicleta ergométrica horizontal, modelo MAX-H da Dream Fitness, que foi utilizada no presente projeto. Fonte: LNRB.
5.10 Aspectos legais e éticos
O presente estudo passou por apreciação pelo Comitê de Ética em Pesquisa (CEP) da UFRN, e aprovado sob o CAAE 02979318.0.0000.5537 (Anexo B). Para que participassem do nosso projeto os voluntários expressaram o consentimento em participar da pesquisa por meio da assinatura do TCLE.
5.11 Análise estatística
A análise estatística dos dados foi feita no programa Statistical Package for the Social Sciences (SPSS), versão 20. As variáveis foram submetidas ao teste de normalidade de Shapiro-Wilk e ao Kolmogorov-Smirnov. Os dados foram analisados por meio do teste T de Student dependente, T de Student independente, Anova Unifatorial e Correlação.
