Universidade Estadual de Campinas
Instituto de Física “Gleb Wataghin”
Departamento de Raios Cósmicos e Cronologia
Grupo de Neurofísica
Mapeamento do Córtex Visual Humano
Através de uma Abordagem Multimodal Integrando
Eletroencefalografia e Espectroscopia Óptica na
Região do Infravermelho Próximo
Enrique Porfirio Uceda Otero
Tese apresentada ao Instituto de
Física da Universidade Estadual de
Campinas, para a obtenção do título
de Doutor em Física.
Orientador: Prof. Dr. Roberto J. M. Covolan
Campinas – SP
2009
iv “La vida es uma pequeña rama del bosque inmenso de los siglos”
v
Dedicatórias:
A mi madre, Graciela:
porque soy todo por ti. Te amo madre mia, Dios ilumine siempre tu vida.
A mi Hermano, Rolando:
por ser el mejor de todos, que Dios te ayude siempre hermano.
A mi hijo, Enrique Jair:
vi
Agradecimentos
Gostaria de agradecer às inúmeras pessoas que me ajudaram no decorrer do programa de doutorado, em especial:
Ao meu orientador, o Prof. Dr. Roberto José Maria Covolan, entre outras coisas pela orientação principalmente nas etapas mais difíceis deste trabalho.
À minha mãe Graciela, e os meus irmãos pela força constante. À minha esposa Zulema Maria, pela paciência, e carinho. À Dra. Helka F. B. Ozelo, pela ajuda toda e pela amizade.
Ao mestre Elvis Lira da Silva, pela força nos momentos difíceis. Caro amigo, um muito obrigado para você.
Ao mestre Carlos Alessandro da Silva dos Anjos, pelo direcionamento nas análises ópticas, pela ajuda no árduo trabalho "braçal", pela amizade.
Ao mestre Edgard P. M. Amorim, pela força, pela ajuda e pela amizade. Caro amigo, um muito obrigado para você.
vii
A todos os meus colegas de grupo, que direta ou indiretamente, participaram deste trabalho.
Aos amigos e colegas do Instituto de Física do Prédio D, e a toda a galera da Colômbia, em especial ao Hernán, Diego, Dario, e a todos aqueles de um modo o outro colaboraram direta o indiretamente com o desenvolvimento deste trabalho.
À secretária da pós-graduação do IFGW, em especial a Sra. Maria Ignez S. R. Mokarzel.
À secretária do Instituto de Física “Gleb Wataghin”, a Sra. Lucia Regina Rio, pela força, e pela amizade.
À UNICAMP e a todos os funcionários do IFGW. À Capes e à FAPESP, pelo apoio financeiro.
viii
Resumo
A ativação cerebral envolve um complexo arranjo de processos neuronais, metabólicos e vasculares, que se estende do nível molecular e celular ao nível de extensas zonas corticais. O processo de disparo neuronal requer a restauração de gradientes iônicos e a reciclagem de neurotransmissores, o que implica em um custo energético suprido na forma de trifosfato de adenosina (ATP). A principal via de síntese do ATP é a via aeróbica e se dá pelo metabolismo oxidativo da glicose. Para tanto, o metabolismo cerebral depende de um constante suprimento de glicose e oxigênio, que é mantido pela circulação sanguínea através de uma complexa rede de vasos, que compõe o sistema vascular cerebral.
A regulação desse complexo sistema neurovascular-metabólico é objeto de intensa investigação e está no centro do trabalho aqui apresentado, que visa o mapeamento do córtex visual através de uma abordagem multimodal envolvendo eletroencefalografia (EEG) e espectroscopia óptica na região do infravermelho próximo (NIRS - near infrared
spectroscopy). O objetivo central deste trabalho foi o desenvolvimento de uma metodologia
que permitisse a realização de medidas simultâneas da atividade neuronal, via EEG, e das alterações vasculares associadas a essas, via NIRS. Através desta técnica foi estudado o córtex visual de indivíduos adultos saudáveis, através da apresentação de estímulos modulados em frequência e em contraste. Esses experimentos foram realizados utilizando visão tanto binocular quanto monocular, sendo esta última para cada olho separadamente.
Os estudos de EEG, realizados com eletrodos posicionados em O1 e O2, permitiram registrar claras alterações dos ritmos cerebrais alfa e beta em correlação com as variações de contraste e frequência do estímulo visual. As medidas ópticas, realizadas através do escalpo com optodos colocados estímulo dos eletrodos, permitiram registrar respostas hemodinâmicas bastante enfáticas, que mostraram alguma variabilidade em correlação com o contraste e a frequência dos estímulos visuais utilizados. Os resultados obtidos demonstram a viabilidade de se estudar o acoplamento neurovascular-metabólico em humanos através de uma abordagem multimodal não-invasiva, utilizando-se um sistema conjugado NIRS-EEG.
ix
Abstract
Brain activation involves a complex arrangement of neuronal, metabolic and vascular processes, which goes from molecular and cellular level to the level of extensive cortical and subcortical zones. The process of neuronal firing requires the restoration of ionic gradients and neurotransmitter recycling, which implies supplying energy in the form of Adenosine Triphosphate (ATP). ATP synthesis follows mainly the aerobic way and occurs by the oxidative metabolism of glucose. Therefore, the cerebral metabolism depends on a constant supply of glucose and oxygen, which is maintained by the blood circulation through the complex networks of blood vessels that compose the cerebral vascular system.
The regulation of this complex neurovascular-metabolic system is object of intense investigation and is in the center of the work presented here, that aims to investigate the human visual system through a multimodal boarding integrating electroencephalography (EEG) and near infrared spectroscopy (NIRS). The central objective of this work was the development of a methodology that would allow simultaneous measurements of the neuronal activity, via EEG, and of the vascular changes associated to these, via NIRS. Through this technique, we studied the visual cortex of healthy adults, through the presentation of stimuli modulated alternatively in frequency and contrast. These experiments were performed for both binocular and monocular vision, being the latter for both eyes. The studies of EEG were performed with electrodes positioned in O1 and O2 and allowed to register clear alterations of alpha and beta brain rhythms in correlation with the contrast and frequency variations of the visual stimulus. The optical measurements were performed through the skull with optodes placed around the electrodes and allowed to record hemodynamic responses whose variability was also related to the contrast and frequency modulations of the visual stimuli. The obtained results demonstrate the feasibility of applying a conjugated NIRS-EEG system as a multimodal approach to study the neurovascular-metabolic coupling in humans.
xi
Sumário
Agradecimentos ... vi Abstract ... ix Sumário ... xi Capítulo 1 ... 1O Cérebro e o Sistema Visual Humano ... 1
1.1 O Cérebro Humano ... 1 1.1.1 Anatomia Cerebral ... 2 1.1.2 Neurônios ... 5 1.1.3 Córtex cerebral ... 7 1.2 Funções cerebrais ... 9 1.2.1 Áreas motoras ...11 1.2.2 Áreas sensitivas ...11
1.3 O Sistema Visual Humano ... 12
1.3.1 O Olho ...13
1.3.2 A retina ...14
1.3.3 Campos receptivos retinais ...15
1.3.4 Trajetória das Vias Visuais ...17
Capítulo 2 ...19
Eletroencefalografia ... 19
2.1 Introdução ... 19
2.2 O Eletroencefalograma ... 20
2.2.1 Sinais elétricos do cérebro ...20
2.2.2 Fontes neurais do sinal EEG ...21
2.2.3 A natureza do EEG ...23
2.2.4 Potenciais relacionados a eventos (ERP) ...25
2.2.5 Resolução espacial e temporal do EEG ...26
2.2.7 Aquisição de dados do EEG ...29
2.2.8 Propriedades do EEG ...31
2.2.9 Aplicações do EEG ...32
2.3 O equipamento de EEG ... 34
2.3.1 Eletrodos ...34
2.3.2 Amplificadores ...34
2.3.3 Configuração dos eletrodos ...35
2.4 Problemas do EEG ... 36
Capítulo 3 ...37
Espectroscopia no Infravermelho Próximo ... 37
3.1 Introdução ... 37
3.2 Conceitos básicos: absorção e Lei de Beer-Lambert ... 40
3.3 Espalhamento da luz ... 43
3.4 Métodos ópticos aplicados ao estudo cerebral ... 44
3.4.1 Janela óptica para estudos não-invasivos ...45
3.4.2 Absorvedores biológicos: absorção da água ...48
3.4.3 Absorvedores biológicos: absorção da hemoglobina ...49
3.5 Propagação da luz em tecido biológico ... 50
3.5.1 Computando variações nas concentrações de cromóforos ...52
xii Objetivos ... 54 Capítulo 5 ...55 Sujeitos e Métodos ... 55 5.1 Sujeitos ... 55 5.2 Materiais e Métodos ... 56 5.2.1 Paradigma ...56
5.3 Aquisição e análise dos registros de EEG ... 59
5.4 Aquisição e análise dos dados de NIRS ... 62
Capítulo 6 ...66
Resultados e discussão ... 66
6.1 Resultados de um único indivíduo ... 67
6.2 Análises de Grupo ... 70
6.2.1. Resultados de NIRS: experimento binocular ...70
6.2.2. Resultados de NIRS: experimento monocular ...78
6.3 Grupos para o EEG, resultados e discussão ... 82
6.3.1 Resultados e discussão para o experimento binocular ...82
6.3.2. Resultados e discussão para o experimento monocular ...85
6.4 Discussão sobre os ritmos resultantes alfa e beta ... 89
Capítulo 7 ...91
Conclusões e Perspectivas ... 91
BIBLIOGRAFIA ...93
xiii
Lista de Figuras
1.1 Divisão do Sistema Nervoso Central (SNC) Humano. . . . . . ...2 1.2 Visão Lateral do Cérebro, mostrando a divisão dos lobos (Figura retirada de http://www.neuroeducacao.com.br/neurociencias.asp). . . . . . .3 1.3 Disposição de neurônios e células gliais (astrócitos, oligodendrócitos e microglia) no
córtex (Figura retirada de Scientific American do Brasil, edição 24, maio 2004, pp.49-53). No canto superior direito em destaque uma sinapse. . . . . . ... 4 1.4 Estrutura básica de um neurônio. O corpo celular ou pericário possui o núcleo que
contém o material genético (DNA), e as organelas citoplasmáticas responsáveis pela manutenção da célula. Os dendritos, terminações nervosas, que recebem os sinais de outros neurônios. Os axônios que transportam o sinal processado no neurônio para outros neurônios (Figura adaptada de: Histologia Básica, Luis C. Junqueira, capitulo 9, p. 155). Em destaque (elipses) as partes fundamentais do neurônio . . . .. . . . 5 1.5 Principais tipos de neurônios. A morfologia dessas células é muito complexa. Todos os neurônios mostrados, exceto os dois neurônios bipolares e o pseudo-unipolar, que não são muito numerosos no tecido nervoso, são neurônios de tipo multipolar. (Figura retirada de Histologia Básica, Luis C. Junqueira, capitulo 9, p. 156 ). . . . 6 1.6 À esquerda: Esquema de um corte do cérebro, mostrando o córtex (substância cinzenta)
e a substância branca (Fonte: www.guia.heu.nom.br/cortex_cerebral.htm). À direita: divisão das camadas corticais, mostrando a morfologia e distribuição dos neurônios piramidais corticais. Note a variabilidade no tamanho das células e a arborização dendrítica, assim como a presença dos axônios colaterais, dependentes da localização laminar (I–VI) do neurônio. Alem disso, diferentes tipos de neurônios piramidais com
xiv
uma precisa distribuição laminar projetada sobre as diferentes regiões do cérebro (Adaptado de Squire, 2002) . . . . . . 8 1.7 Áreas de Brodmann, mostrando a atribuição funcional do córtex (Figura adaptada de http://spot.colorado.edu/~dubin/talks/brodmann/brodmann.html). . . 10 1.8 Áreas de associação (branco) e áreas de projeção, divididas em sensitivas (vermelho) e motoras (preto) (Figura adaptada de http://medicalartlibrary.com). . . 11
1.9 Corte estrutural do olho humano (Figura adaptada de
http://www.vision.ime.usp.br/~ronaldo/mac0417-3/aula_02). . . 13 1.10 Diagrama esquemático da secção transversal das camadas plexiformes de um macaco rhesus (Adaptado de Squire, 2002). . . . . . . . . . . . ... . . . . . 16 1.11. Trajetória das vias visuais (figura adaptada de Color Atlas of Neuroscience Greenstein, 2000, pag. 283). . . . . . 18
2.1 A célula nervosa (figura retirada de http://infook.blogspot.com/2007/08/como-funciona- o-crebro.html). . . . . . 21 2.2 Geração de potencias sobre o escalpo pela somatória de correntes.. . . .23 2.3 Representação esquemática de um neurônio piramidal cortical (Figura retirada de: Epilepsy as a Dynamic Disease, J. Milton et al, editors, capítulo 5, p. 55) . . . 23 2.4 Padrão do fluxo de corrente elétrica para um PPSE sobre um dendrito apical de um neurônio piramidal no córtex cerebral (Figura extraída de Principles of Neural Science de Kandel, 2000, Fourth edition, chapter 46, pag. 914) . . . . . . . . . .24 2.5 Polaridade dependente da posição da sinapse . . . ...25
xv
2.6 Diagrama comparando a performance espacial e temporal de quatro técnicas de neuroimagem minimamente invasivas. A diagonal “inclinada” representa o melhoramento na resolução espacial com o tempo crescente da medida, uma
característica das quatro modalidades [Strangman, 2002]. . . .27 2.7 Diagramas das diferentes etapas de um registro EEG e sistema quantitativo
[Thakor,2004]. . . . . . . . . 30 2.8 Posicionamento dos eletrodos no Sistema Internacional 10-20,para registros EEG [Malmivuo, 2008]. A=auricular, Pg=nasofaríngeo, C=central,P=parietal,
T=temporal,F=frontal, Fp=fronto-polar e O=occipital. . . . . . 35
3.1. Posição Fonte-Detetor na coleta de dados NIRS (extraído de Izzetoglu et al., 2007)
. . . . . . .45 3.2. Trajetória de “fótons infravermelhos individuais” na interaçãoluz-tecido biológico (extraído de Boas et al., 2001). . . ... . . . . . 46 3.3. Espectro de absorção da oxihemoglobina, desoxihemoglina e água ((extraído de Izzetoglu et al., 2007) . . . .47
3.4 Coeficiente de absorção da água (extraído de Hale et al., 1973) . . . .48 3.5 Modelo da banana, que representa a forma geral da trajetóriados fótons infravermelhos (extraído de Bunce et al., 2006) . . . 50 5.1 Montagem experimental. . . 58
xvi
5.2 . Estímulo visual: série de 21 épocas, alternando repouso e ativação. . . .59 5.3 Estímulos apresentados, variando se a freqüência e o contraste. . . . . . 59 5.4 Estímulo total: série de 15 épocas (8 épocas de repouso e 7 de ativação), para o
experimento monocular. . . . . . 60 5.5 Posicionamento dos eletrodos O1 e O2 (em azul) sobre cada um dos lobos occipitais, na região do córtex visual primário. Em amarelo, duas formas semilunares, indicam os registros de NIRS. . . . . . 61 5.6. Layout do software EEGLAB. Acima: à esquerda barra de rolagem e painel de entrada dos sinais EEG à direita. Abaixo: mapa de intensidade de uma componente independente (IC) à esquerda e mapas de um canal específico à direita (Figura retirada de http://scnn.ucsd.edu/eeglab/). . . . . . . . . . 62 5.7. Uma das etapas do processamento dos nossos dados EEG, por médio do software EEGLAB: a esquerda a barra de rolagem com a entrada dos sinais EEG, e a direita os sinais de EEG cru dos canais O1 e O1. . . 63 5.8. Geometria dos optodos utilizada para os registros de NIRS. As letras (A, B, C, D) indicam as posições das fontes de luz NIR enquanto que os números (1, 2, 3, 4) indicam as posições dos detectores. Os eletrodos O1 e O2 foram colocados ao centro de cada um desses arranjos. . . . . . . 64 5.9. Geometria dos optodos e eletrodos. . . 64 5.10. Equipamento NIRS , CW6, canto superior esquerdo e acessórios(canto superior direito e abaixo), . . . 65 6.1. Resposta hemodinâmica registrada através do NIRS para um sujeito. . . 68
xvii
6.2. Resposta hemodinâmica registrada através do NIRS para um sujeito variando-se a freqüência do estímulo. A barra horizontal indica o período em que o estímulo visual foi aplicado. . . .69 6.3. Resultado da resposta EEG para um sujeito quando o estímulo visual aplicado no caso binocular. . . .70 6.4 Resultados de NIRS (experimento binocular) para a análise de grupo para cada um dos canais, variando-se a freqüência de estímulo: 4, 8 e 12 Hz . . . .71 6.5 Resultados de NIRS (experimento binocular) para a análise de grupo para cada um dos canais, variando-se a freqüência de estímulo: 1, 2 e 3 Hz . . . .72 6.6 Resultados de NIRS (experimento binocular) para a análise de grupo para cada um dos canais, variando-se o contraste do estímulo: 30, 60 e 100 %. . . .73 6.7 Resultados de NIRS (experimento binocular) para a análise de grupo para cada um dos canais, variando-se o contraste do estímulo: 3, 10 e 20 %. . . 74 6.8 Resultados de NIRS (experimento binocular) para a análise de grupo para cada um dos canais, e para todas as freqüências de estímulo:1, 2, 3, 4, 8 e 12 Hz (contraste 100%).. . . 75 6.9 Resultados de NIRS (experimento binocular) para a análise de grupo para cada um dos canais, e para todos os níveis de contraste: 3, 10, 20, 30, 60 e 100 % (frequência = 4 Hz). . . . . . . . . . . . 76
6.10 Áreas sob as curvas de HbO (em azul) e dHb (em vermelho) em função da freqüência do estímulo (experimento binocular) . . . .77
xviii
6.11 Áreas sob as curvas de HbO (em azul) e dHb (em vermelho) em função dos níveis de
contraste (experimento binocular) . . . . . . 77
Fig. 6.12. Áreas sob as curvas de HbO (em azul) e dHb (em vermelho) em função da freqüência do estímulo (experimento binocular) . . . .. . . 78
Fig. 6.13. Áreas sob as curvas de HbO (em azul) e dHb (em vermelho) em função dos níveis de contraste (experimento binocular) . . . . . . .. . . 79
6.14. Experimento monocular: variação de frequência . . . 80
6.15. Experimento monocular: variação de contraste. . . 81
6.16. Figura retirada de Zhang et al ( 2006),Rev.Sci. Instrum, 77 (11) 114301. . . . . 82
6.17. Figura retirada de Hoge et al (2005), Neuroimage 25 , 701-707. . . 82
6.18. Resultados do EEG binocular, variação de frequência do estímulo. . . 84
6.19. Resultados do EEG binocular, variação de contraste do estímulo. . . 85
6.20. Resultados do EEG monocular, variação de freqüência do estímulo. . . 86
6.21. Resultados do EEG monocular, variação de contraste do estímulo . . . .. 88
6.22. Resultados globais EEG, variação de frequência do estímulo . . . 89
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ASL – Arterial Spin-Labeling, ou Marcação de Spin Arterial ATP – Adenosina Trifosfato
BOLD – Blood Oxygention Level Dependent (Effect) CBF – Cerebral Blood Flow, ou Fluxo Sangüíneo Cerebral
CBS - Cerebral Blood Saturation, ou Saturação de Oxigênio Sangüíneo Cerebral CBV – Cerebral Blood Volume, ou Volume Sangüíneo Cerebral
CGL – Corpo Geniculado Lateral
CMRO2 – Cerebral Metabolic Rate of Oxygen, ou Consumo Metábolico de Oxigênio CT – Computerized Tomography, ou Tomografia computarizada
CW - Continuous Wave
DOT – Diffuse Optical Tomography, ou Tomografia Óptica de Difusão DDP - Diferença de Potencial
DPF - Differential Pathlength Factor EEG – Eletroencefalografia
EDF – European Date Format
EPSPs / IPSPs – Excitatory/ Inhibitory Postsinaptic Potential, ou Potenciais pós- sinápticos excitatórios e inibitórios
ERP – Event Related Potential, ou Potencial Relacionado a Eventos EP – Evoked Potential, ou Potencial Evocado
fMRI – functional Magnetic Resonance Imaging, ou Ressonância Magnética funcional HbO – Oxihemoglobina
dHb – Desoxihemoglobina HbT – Hemoglobina total
HRF – Hemodynamic Response Function, ou Resposta Hemodinâmica HOMER - Hemodynamic Evoked Response
xxi
MBLL - Modified Beer-Lambert Law, ou Lei de Beer Lambert modificada MEG - Magnetoencefalograma
MRI – Magnetic Resonance Imaging, ou Imagem por Ressonância Magnética NIRS – Near Infrared Spectroscopy, ou Espectroscopia no Infravermelho Próximo OD – Optical Density, ou Densidade Óptica
PET – Positron Emission Tomography, ou Tomografia por Emissão de Pósitrons PA – Potencial de Ação
PPS - Potenciais Pós-Sinápticos PS – Pressão Sangüínea
RTE – Radiative Transport Equation, ou Equação de Transporte Radiativa SNC – Sistema Nervoso Central
SNP – Sistema Nervoso Periférico
SNR – Signal-to-Noise Ratio, ou Relação Sinal-Ruído SPECT - Single Photon Emission Computed Tomography
1
Capítulo 1
O Cérebro e o Sistema Visual Humano
1.1
O Cérebro Humano
O cérebro humano, um dos mais fascinantes e maiores mistérios da ciência, é um órgão complexo e altamente especializado. É o mais intrincado sistema dos seres viventes que existem sobre a Terra. Tem por finalidade propiciar controle motor, fisiológico e perceptivo do mundo ao nosso redor, nos permite executar atividades mentais de alto nível, tais como o pensamento racional, sentimentos e emoções, raciocínio criativo, ordenado e intencional, Fig. 1.8 e, além disso, nos dá os meios para o estabelecimento das mais variadas formas de comunicação.
O estudo do cérebro tem gerado grandes enigmas, que têm sido tratados através de muitas disciplinas, tais como a filosofia, a psicologia e a psicanálise. Desde a antiga Grécia até hoje, seguem perguntas abertas tais como: Como lembramos? O que é a memória? Quais são os mecanismos que geram a memória? Como prestamos atenção?, entre outras. Todos estes processos ocorrem em nosso cérebro, e conhecer os mecanismos e/ou as funções envolvidas nesses processos é o objetivo principal dos neurocientistas.
Sabe-se que áreas específicas do cérebro desempenham funções determinadas [Kandel, 2000]. No entanto, podem ser encontradas áreas comuns para diferentes atividades, ou várias áreas responsáveis por uma única atividade. Na verdade, ainda não se conhecem profundamente as funções de cada parte do cérebro. Quando se trata de abordagens não invasivas, o que é possível observar desde há duas décadas, é a distribuição espacial do
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consumo de energia no cérebro de um voluntário envolvido em uma determinada tarefa, para estimar quais regiões estão mais envolvidas nessa tarefa específica. Para os neurocientistas, por mais simples que seja uma tarefa, as regiões “envolvidas” do cérebro não são apenas uma pequena parte, pois muitas outras áreas, de função ainda não determinada, são também “ativadas”. Nestes casos, a diferença pode estar na intrincada circuitaria de milhões de conexões estabelecidas pelos neurônios.
1.1.1 Anatomia Cerebral
Anatomicamente, o sistema nervoso humano se divide em sistema nervoso central (SNC) e sistema nervoso periférico (SNP) [Waxman, 2000].
O SNC compreende a medula espinhal, alargada, e o encéfalo, de grande complexidade, que é concebido como uma super-rede de redes interconectadas de células nervosas. O encéfalo por sua vez se divide em cérebro, talo encefálico e cerebelo (Fig. 1.1).
Fig. 1.1. Divisão do Sistema Nervoso Central (SNC) Humano.
O cérebro, a parte mais importante e desenvolvida do encéfalo, é dividido em duas metades, os hemisférios cerebrais direito e esquerdo, que se conectam por um feixe de
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fibras nervosas, através do corpo caloso (900 milhões de fibras). Cada hemisfério é dividido em quatro lobos: o frontal, o parietal, o occipital e o temporal (Fig. 1.2).
Os lobos frontais são dominantes em cognição social e emoção. Eles também controlam o comportamento motor especializado, na parte direita; e as funções relacionadas com a linguagem, na parte esquerda [Miller et al., 2006].
Os lobos parietais, localizados na parte superior do cérebro, são responsáveis pela interpretação dos estímulos provenientes do corpo, o que possibilita controlar os movimentos corporais. Eles regulam funções corticais tais como noção espacial e de reconhecimento dos objetos [Machado, 2003].
Os lobos temporais estão associados a habilidades de memória, permitindo que os sujeitos reconheçam outros sujeitos e objetos, processem e lembrem-se de eventos distantes, e estabeleçam comunicação entre eles.
Os lobos occipitais abrangem mais a porção posterior do córtex cerebral humano, sendo responsáveis principalmente pela visão [DeYoe, 2002].
Fig. 1.2. Visão Lateral do Cérebro, mostrando a divisão dos lobos (Figura retirada de http://www.neuroeducacao.com.br/neurociencias.asp)
Na base do cérebro, estão localizados agrupamentos de células nervosas em estruturas denominadas gânglios basais, tálamo e o hipotálamo. Os gânglios basais colaboram na realização de movimentos suaves. O tálamo geralmente organiza as mensagens sensoriais
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de entrada e saída dos níveis superiores do cérebro (córtex cerebral), e o hipotálamo coordena algumas das funções mais automáticas do corpo, como o controle do sono e da vigília, a manutenção da temperatura corporal e a regulação do equilíbrio hídrico do organismo.
Os componentes estruturais ou unidades de construção básicos do cérebro são as células nervosas: os neurônios e as células gliais (macroglia: oligodendrócitos, células de Schwann e astrócitos; e microglia: fagócitos). Os neurônios são células altamente especializadas, que geram sinais elétricos em resposta a umas substâncias chamadas de neurotransmissores e os transmitem a outras células. São responsáveis pelo processamento de informações, em quanto que as células gliais têm funções de dar sustentação aos neurônios, ajudando a manter as concentrações iônicas adequadas e transportar substâncias entre os vasos sangüíneos e o tecido cerebral (Fig. 1.3).
Fig.1.3. Disposição de neurônios e células gliais (astrócitos, oligodendrócitos e microglia) no córtex (Figura retirada de Scientific American do Brasil, edição 24, maio 2004, pp.49-53). No canto superior
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1.1.2
Neurônios
Os neurônios são células nervosas estruturais, funcional e anatomicamente complexas, altamente especializadas, que recebem, geram, processam e transmitem informação, através de impulsos elétricos [Mattews, 2003; Squire, 2003; Aidley, 2001; Kandel, 2000]. O
cérebro humano possui cerca de 1010 neurônios, cada um com aproximadamente 104
interconexões. Portanto, estima-se em 1014 o numero de conexões existentes no cérebro
humano [Guyton, 2000; Waxman, 2000; Lent,2005].
Morfologicamente, cada neurônio possui quatro partes bem definidas: o pericário ou corpo celular, os dendritos, o axônio e suas terminações axônicas ou pré-sinápticas (Fig. 1.4).
Fig. 1.4. Estrutura básica de um neurônio. O corpo celular ou pericário possui o núcleo que contém o material genético (DNA), e as organelas citoplasmáticas responsáveis pela manutenção da célula. Os dendritos são terminações nervosas que recebem os sinais de outros neurônios. Os axônios transportam o sinal processado no neurônio para outros neurônios (Figura adaptada de: Histologia Básica, Luis C. Junqueira, capítulo 9, p. 155). Em destaque (elipses) as partes fundamentais do neurônio.
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O corpo celular é o centro metabólico do neurônio, a árvore dendrítica é o principal lugar para receber o sinal de entrada, e o axônio é a principal unidade de condução para transmitir sinais, chamados de potenciais de ação, entre os neurônios e suas terminações pré-sinápticas, lugares onde acontecem as sinapses [Kandel, 2000].
Existem diferentes tipos de neurônios, de forma que podemos classificá-los do ponto de vista morfológico e funcional. Morfologicamente temos principalmente neurônios unipolares, neurônios bipolares, neurônios multipolares (predominantes no sistema nervoso dos vertebrados, por exemplo: a célula de Purkinje do cerebelo). Funcionalmente, temos os neurônios sensoriais, que carregam informação para o sistema nervoso periférico; os neurônios motores, que carregam comandos do cérebro ou medula espinal até músculos e glândulas; e os interneurônios de projeção e interneurônios locais. No entanto, no cérebro e principalmente no córtex cerebral, podem ser divididos em dois principais grupos: neurônios piramidais e não-piramidais (Fig. 1.5).
Figura 1.5. Principais tipos de neurônios. A morfologia dessas células é muito complexa. Todos os neurônios mostrados, exceto os dois neurônios bipolares e o pseudo-unipolar, que não são muito numerosos no tecido nervoso, são neurônios de tipo multipolar. (Figura retirada de Histologia Básica, Luis C. Junqueira, capítulo 9, p. 156).
7
O mecanismo de acoplamento entre o axônio de uma célula e o neurônio seguinte pode ser de vários tipos, sendo os mais comuns: os axodendríticos (cerca de 75% dos casos), axosomáticos (cerca de 20% dos casos) e os axoaxônicos (cerca de 5%). Outros contatos tais como os dendrodendríticos e somatosomáticos também são encontrados, mas são raros. O impulso elétrico que se propaga pelo neurônio ativo é transformado em sinal químico na sinapse, a região de comunicação entre as células nervosas.
A fenda sináptica compreende o espaço (30nm) entre o elemento pré-sináptico, que armazena e libera o neurotransmissor, e o elemento pós-sináptico, que contém os neuroreceptores. Quando o impulso nervoso, ou potencial de ação, atinge a membrana do terminal pré-sináptico, origina-se uma pequena alteração do potencial de membrana, capaz de abrir os canais de cálcio, determinando a entrada desse íon. O aumento dos íons de cálcio no interior do elemento pré-sináptico provoca uma série de fenômenos. Alguns deles culminam com a fusão de vesículas sinápticas com a membrana pré-sináptica, ocorrendo, assim, a liberação de neurotransmissores na fenda sináptica, que se difundem até se ligarem aos neuroreceptores. Esta ação origina alterações no equilíbrio da célula receptora, tornando-a mais ou menos susceptível à propagação de um potencial de ação, o potencial pós-sináptico.
A diferença de concentração iônica entre o interior e o exterior da célula nervosa dá origem a uma diferença de potencial (ddp) entre as paredes da membrana. Em estado de repouso, essa diferença é mantida constante a aproximadamente -70mV. O impulso elétrico de uma célula nervosa provoca o surgimento de correntes iônicas na membrana celular seguinte, alterando sua ddp. Dessa forma, uma célula comunica informação à outra.
1.1.3
Córtex cerebral
O córtex cerebral é uma fina lâmina de células que recobre o cérebro humano, com
aproximadamente 250000mm2, sendo composta de aproximadamente 1010 neurônios [Jirsa
et al, 2007; Cechetto et al, 2002]. Sua espessura varia de 2-7 mm. O córtex constitui a substância cinzenta que envolve os hemisférios. Nos humanos, o cérebro apresenta uma
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superfície irregular, com áreas mais protuberantes, os giros cerebrais, intercalada com pequenos vales, os sulcos (Fig. 1.6).
Fig. 1.6. À esquerda: Esquema de um corte do cérebro, mostrando o córtex (substância cinzenta) e a substância branca (Fonte: www.guia.heu.nom.br/cortex_cerebral.htm). À direita: divisão das camadas corticais, mostrando a morfologia e distribuição dos neurônios piramidais corticais. Note a variabilidade no tamanho das células e a arborização dendrítica, assim como a presença dos axônios colaterais, dependentes da localização laminar (I–VI) do neurônio. Além disso note diferentes tipos de neurônios piramidais com uma precisa distribuição laminar projetada sobre as diferentes regiões do cérebro (Adaptado de Squire, 2002).
O córtex é uma das partes mais importantes do sistema nervoso. Nele chegam os impulsos provenientes de todas as vias de sensibilidade que aí se tornam conscientes e são interpretadas, e dele saem os impulsos nervosos que iniciam e comandam os movimentos voluntários. Com ele estão relacionados todos os fenômenos psíquicos. O neocórtex é sua estrutura mais complexa: possui estrutura laminar formada por seis camadas diferentes e contém várias áreas sensoriais e motoras.
Diferentes tipos de neurônios e fibras se organizam ao longo das seis camadas corticais e são ligados entre si por circuitos locais, através de diferentes tipos dos interneurônios. Esses circuitos ligam diferentes áreas corticais a outras regiões do próprio córtex e a inúmeras estruturas subcorticais.
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As informações sensoriais chegam ao córtex através das fibras aferentes, que partem do tálamo, transitam pelas diferentes camadas através de microcircuitos formados por células piramidais e interneurônios, e são dirigidas; através das fibras eferentes, para a medula espinhal, tálamo e diferentes regiões do tronco encefálico, entre outras.
As camadas infragranulares (V e VI) são responsáveis pela saída extracortical, processando informações e as enviando às estruturas subcorticais, como o núcleo estriado e a medula espinhal. A camada granular (IV) recebe as aferências talâmicas, ou seja, informações sensoriais do corpo o do mundo externo, que são recebidas primeiramente pelo tálamo. Já as camadas supragranulares (I, II e III) são responsáveis pela comunicação intercortical.
Além da organização horizontal em camadas, o córtex também é organizado verticalmente em colunas. Pequenas porções verticais de neurônios, localizadas em diferentes regiões do córtex, são responsáveis pelo processamento de funções distintas. Assim, as espessuras das camadas, no interior de uma coluna, variam de acordo com a especialização da região onde a coluna se encontra [Kandel et al., 2000].
O córtex compreende ainda outras duas partes. Com uma porção dos lobos frontal, parietal e occipital forma-se o lobo límbico, também conhecido como sistema límbico. Além dele, outro constituinte importante do córtex cerebral é o córtex insular, que se localiza na profundidade do sulco lateral, coberto por partes dos lobos frontal e parietal.
O sistema límbico tem forma de um anel cortical contínuo, que contorna as formações inter-hemisféricas. Ele compreende um grupo de estruturas que inclui o tálamo, o hipotálamo, a amígdala, o hipocampo, os corpos mamilares e o giro do cíngulo. Esse sistema é muito importante para a emoção e reações emocionais.
1.2
Funções cerebrais
O córtex cerebral não é homogêneo em toda sua extensão, o que permite individualizar
várias áreas. Na Fig. 1.7, podemos observar as àreas de Brodmann e sua atribuição
funcional, pois diferentes regiões têm diferentes conexões e funções. Existe uma especialização funcional de cada região do córtex, ainda que não em termos absolutos; isto
10
é, diferentes áreas podem contribuir para a execução de uma mesma função, sem contar o envolvimento de algumas estruturas subcorticais. Dessa forma, é difícil falar em centros funcionais, sendo preferível considerar a existência de sistemas funcionais envolvendo várias áreas que funcionam harmonicamente.
Fig. 1.7. Áreas de Brodmann, mostrando a atribuição funcional do córtex (Figura adaptada de http://spot.colorado.edu/~dubin/talks/brodmann/brodmann.html)
Atualmente, as funções cerebrais podem se dividir em dois grandes grupos: áreas de projeção - áreas primárias - que recebem e dão origem às fibras relacionadas diretamente com a sensibilidade e com a motricidade, sendo divididas em áreas sensitivas e motoras; e as áreas de associação - áreas secundárias e terciárias – que estão diretamente relacionadas com funções cerebrais complexas (Fig. 1.8).
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Fig. 1.8. Áreas de associação (branco) e áreas de projeção, divididas em sensitivas (vermelho) e motoras (preto) (Figura adaptada de http://medicalartlibrary.com).
1.2.1
Áreas motoras
A área de projeção motora se localiza no lobo frontal, sendo responsável pelos movimentos das regiões contralaterais do corpo, tais como pé, mão e lábios. O córtex motor possui três subáreas: o córtex motor primário: área 4 de Brodmann, que ordena a região do movimento e que se localiza na região posterior do giro pré-central; o córtex pré-motor e o córtex motor suplementar que corresponde à área 6 de Brodmann, que se encarrega do planejamento.
1.2.2
Áreas sensitivas
A área de projeção sensitiva situa-se na região do giro pós-central e corresponde às áreas 1 - 3 de Brodmann. Esta área recebe fibras de neurônios situados no tálamo, que trazem as informações de temperatura, pressão, dor, tato, cheiro, e outras, da metade oposta do corpo e da cabeça.
As áreas de associação ocupam a maior parte da superfície do cérebro humano. Ao longo do processo evolutivo, o aumento da superfície cortical se fez através da expansão do
12
córtex de associação, permitindo o aparecimento de funções no homem não encontradas em outras espécies, com a linguagem verbal e autoconsciência. Podem ser divididas em áreas secundárias e terciárias. As áreas secundárias estão diretamente conectadas às áreas de projeção e são unimodais, ou seja, estão ainda relacionadas com uma modalidade sensorial ou com a motricidade. As áreas terciárias são áreas integradoras, estão conectadas basicamente com as áreas secundárias e com as áreas límbicas e são multimodais, ou seja, não se ocupam mais do processamento sensorial ou motor, mas estão envolvidas com as atividades superiores, como o pensamento abstrato e/ou processos que permitem a simbolização.
A área auditiva primária situa-se no giro temporal transverso anterior (áreas 41 e 42 de Brodmann). Sons de diferentes freqüências chegam a partes diferentes do córtex auditivo, onde ocorre então uma tonotopia. Estimulações na área auditiva primária provocam sensação auditiva mal-definida, como zumbidos. Lesões nesta área dificilmente causam surdez, porque as vias auditivas, apesar de cruzarem a linha média, têm um grande componente ipsilateral (do mesmo lado), ou seja, fibras que não se cruzam e que irão atingir o córtex auditivo do mesmo lado.
A área visual primária situa-se na área 17 de Brodmann, nas bordas do sulco calcarino no lobo occipital. O córtex visual primário de cada hemisfério cerebral recebe informações procedentes do campo visual contralateral. Cada ponto do campo visual encontra um correspondente no córtex visual. Há uma retinotopia, já que cada parte da retina se projeta para uma parte específica do córtex cerebral. Estimulação na área 17 faz com que o indivíduo relate estar vendo clarões ou pontos luminosos nas regiões correspondentes do campo visual.
1.3
O Sistema Visual Humano
A compreensão da visão humana começa com o estudo da anatomia e da fisiologia visual básica. É importante estudar o hardware do sistema visual porque este pode dar introspecções nos tipos da informação que podem ser codificados pelos mecanismos visuais.
13
1.3.1
O Olho
O sistema visual começa no olho. A Fig. 1.9 mostra uma secção transversal através de um esquema do olho humano. A seção anterior do olho humano contém o sistema óptico do olho cujas estruturas principais são a córnea, a íris e a lente ou cristalino. A córnea proporciona aproximadamente duas terças partes do poder refrativo do olho, mas a lente fornece controle focal fino para alvos em distâncias de 10 cm até cerca de 6 m. A íris se situa na frente da lente e possui uma abertura central conhecida como a pupila que admite a luz à cavidade central do olho. O espaço entre a córnea e a lente é preenchido de um líquido conhecido como humor aquoso. A cavidade central do globo ocular contém um líquido gelatinoso, conhecido como humor vítreo.
Fig. 1.9 Corte estrutural do olho humano (Figura adaptada de http://www.vision.ime.usp.br/~ronaldo/mac0417-3/aula_02)
14
A seção posterior do olho tem três camadas. A esclera é uma coberta exterior resistente, que protege o interior de dano e ajuda a manter o olho aproximadamente na forma esférica. A coróide é uma camada média que fornece a fonte de sangue às estruturas celulares do olho. A retina é a camada interior que contém células fotorreceptoras e seus tecidos neurais associados.
1.3.2
A retina
A retina é composta de duas classes principais de células fotorreceptoras conhecidas
como bastonetes e cones por causa das formas de seus segmentos externos. Cada retina possui entre 100 a 120 milhão de bastonetes e 7 a 8 milhões de cones. Os bastonetes são extremamente sensíveis à luz e fornecem visão acromática a baixos níveis da iluminação (escotópicos). Os cones são menos sensíveis do que os bastonetes, mas fornecem a visão de cor a níveis elevados (fotópicos). Os segmentos fotosensitivos dos bastonetes e dos cones jazem mais próximos à camada coróide. Isto significa que a luz que bate a retina deve primeiramente passar por diversas camadas de tecido neural antes de alcançar os fotorreceptores. Somente uma pequena área de 1.5mm de diâmetro, próxima do eixo óptico, chamada fóvea, é que é uma superfície fotorreceptora exposta diretamente à luz.
Os sistemas dos bastonetes e dos cones são sensíveis aos comprimentos de onda de luz aproximadamente entre 400 e 700nm. Os bastonetes têm seu pico de sensibilidade máxima em aproximadamente 498nm. Três tipos de cones têm características de resposta espectral passa-banda. O comprimento de onda curto ou os cones “azuis” têm seu pico máximo em 420nm, o comprimento de onda médio ou os cones “verdes” têm seu pico máximo em 534nm, e em comprimentos de onda longos os cones “vermelhos” têm seu pico máximo em 564nm.
Existe uma sobreposição significativa entre as escalas da resposta das diferentes classes de cones, o qual significa que espectralmente os estímulos de faixa larga simultaneamente ativam múltiplos tipos de cones.
15
Os bastonetes e os cones não são distribuídos igualmente sobre a superfície retinal. A fóvea é mais densa em cones, mas é de população quase nula em bastonetes.
1.3.3
Campos receptivos retinais
As sinapses dos bastonetes e dos cones ocorrem numa rede de neurônios nas camadas plexiformes interna e externa da retina. A Fig. 1.10 mostra um diagrama esquemático de uma secção transversal das camadas plexiformes de um macaco rhesus. As células nas camadas plexiformes conectam grupos de bastonetes e de cones às células ganglionares cujas fibras neurais formam o nervo óptico. O grupo localizado de fotorreceptores que serve uma particular célula ganglionar é chamado de campo receptivo da célula.
Os campos receptivos das células ganglionares são as unidades básicas de codificação visual. Estudos eletrofisiológicos em gatos mostraram que muitos campos receptores têm uma organização antagônica centro-periferia [Kuffler, 1953]. A ativação produzida por estimulação no centro de um campo receptivo tende a ser suprimida pela estimulação na periferia anular. Estimulação uniforme sobre todo o campo receptivo produz tipicamente uma resposta fraca.
Os pesquisadores identificaram duas classes de campos receptivos de células ganglionares. As células centralizadas (on-center) aumentam sua taxa de disparo em resposta aos incrementos da luz nos centros de seus campos, e as células descentralizadas (off-center) aumentam sua taxa de disparo em resposta aos decréscimos de luz. A organização antagonista dos campos receptivos significa que em princípio no sistema visual, informação sobre a intensidade absoluta da luz é em sua maior parte perdida e primeiramente o contraste é sinalizado a estados avançados de processamento visual.
16
Fig. 1.10 Diagrama esquemático da secção transversal das camadas plexiformes de um macaco rhesus (Adaptado de Squire, 2002).
Isto tem implicações significativas nas teorias da percepção de superfície da luminosidade e da iluminação.
As células ganglionares podem ser igualmente classificadas por padrões e pela duração de suas respostas às mudanças na luz em seus campos receptivos. As células X mostram uma resposta estacionária aos incrementos ou aos decréscimos nos centros de seus campos. As células Y mostram uma breve mudança transiente na resposta e logo retornam a sua taxa de limiar fundamental.
Aproximadamente metade de todas as células ganglionares retinais têm campos receptores que mostram oposição espectral assim como espacial. As células oponentes verde-vermelhas tomam sua entrada preliminar de comprimentos de ondas médio e longos. Células oponentes azul-amarelo tomam sua entrada de todos os três tipos de cones, com
17
oposição entre a soma dos comprimentos de onda longos e médios dos cones e dos comprimentos de onda curtos dos cones. A descoberta das células com propriedades opostas espectralmente tem sido bem utilizada para dar suporte fisiológico às teorias da percepção da cor.
1.3.4
Trajetória das Vias Visuais
A Fig. 1.11 mostra os principais caminhos neurais no sistema visual. Os axônios longos das células ganglionares retinais formam o nervo óptico, que contém aproximadamente um milhão de fibras, das quais 100.000 servem à fóvea. O feixe de fibras do nervo óptico sai do globo ocular em aproximadamente 17 graus ao lado nasal da linha do eixo óptico. Não existem fotorreceptores nesta área conhecida geralmente como ponto cego.
As fibras do nervo óptico projetam-se ao quiasma óptico. Nesta junção, fibras das parcelas nasais de cada retina se cruzam, dirigindo-se ao lado oposto da cabeça. Estas fibras do cruzamento juntam-se com fibras das partes temporais da retina oposta e se projetam até os corpos (ou núcleos) geniculados laterais (CGL) em cada hemisfério.
As seis camadas do CGL recebem entradas especializadas das fibras do nervo óptico dos olhos de cada hemisfério. As duas camadas mais inferiores, chamadas de camadas magno-celulares, tomam as entradas principais da retina periférica, onde células ganglionares espectralmente não-oponentes com grandes campos receptores e características temporais transitórias são dominantes. As camadas parvo-celulares restantes tomam entradas principalmente da região da fóvea onde as células espectralmente oponentes com campos receptores pequenos e características estacionárias são dominantes. As diferenças impressionantes nas propriedades funcionais das camadas magno e parvo-celulares sugerem que os olhos podem, de fato, servir como dois sistemas de processamento visuais. Um é de resposta rápida, sistema acromático, sensível ao movimento, mas com baixa definição espacial. O outro é de resposta lenta, sistema tricromático, relativamente insensível ao movimento, mas com alta resolução.
18
Fig 1.11 Trajetória das vias visuais (figura adaptada de Color Atlas of Neuroscience Greenstein, 2000, pag. 283)
Do CGL, as fibras projetam-se ao córtex visual. O córtex visual primário é conhecido também como V1, área 17 de Brodmann ou córtex estriado. As células no córtex visual têm sensibilidades distintas. Algumas células são sensíveis a um alvo de cor ou contraste, mas não a forma nem a movimento. Outras são seletivas à orientação, mas insensíveis a cor e a movimento. Além disso, outras células são seletivas à orientação e ao sentido do movimento, mas não a cor. A especificidade funcional observada em V1 e em outras áreas do córtex visual conduziram à especulação que o sistema visual está dividido em sistemas de identificação e de localização. Diversos estudos de caso sustentam esta conjetura, mostrando que danos cerebrais podem produzir perdas em um tipo de função sem afetar a outra.
19
Capítulo 2
Eletroencefalografia
2.1
Introdução
O cérebro é um órgão complexo. A especialização biológica dele é receber, analisar, processar, armazenar, recuperar, sintetizar e enviar informações, desde e até os mais distantes ou sutis locais do corpo humano. Estas informações são transmitidas entre as unidades funcionais do cérebro, os neurônios, por processos eletroquímicos. A cada instante, o somatório das diferenças de energia elétrica entre os neurônios emerge da caixa óssea que contém o cérebro, o crânio, e determina diferenças de potencial elétrico entre pontos diferentes do escalpo ou entre estes e um ponto neutro de referência. A eletroencefalografia reflete as populações de oscilações sincronizadas e dessincronizadas da atividade elétrica em curso no cérebro, principalmente atividade dendrítico-cortical. As diferentes bandas de freqüência da eletroencefalografia (delta, teta, alfa, beta) proporcionam um índice de diferentes níveis de excitação e de ativação [Gordon, 1999].
Os potenciais relacionados a eventos (ERPs) - potenciais exógenos e endógenos - refletem os potenciais elétricos transientes fixados no tempo (time-locked) ante a repetida apresentação de estímulos discretos. Consistem de uma atividade elétrica produzida pelo cérebro em resposta a um estímulo sensorial associado a tarefas motoras, cognitivas ou psicofisiológicas. Essas são ondas discretas que estão relacionadas com algum estímulo ou evento motor, e que se encontram presentes no eletroencefalograma (EEG) [Durand-Rivera, 2004; Van Boxtel, 1998; Handy, 2004].
As medidas de eletroencefalografia e dos ERP são facilmente accessíveis e não invasivas, e os potenciais são registrados através de eletrodos colocados no couro cabeludo (relativo a um ponto de referência na cabeça). As correntes elétricas medidas são
20
principalmente geradas perpendicularmente ao crânio e parcialmente amortecidas pelas resistências do crânio e do couro cabeludo [Gordon, 1999, Van Boxtel, 1998; Handy, 2004].
2.2
O Eletroencefalograma
O Eletroencefalograma (EEG) é um registro da atividade elétrica cerebral, o qual é
feito com ajuda de um arranjo de eletrodos colocados sobre o escalpo [Thakor, 2004]. Estes eletrodos de metal colocados sobre o couro cabeludo transformam a atividade elétrica em padrões comumente chamados de ondas ou ritmos cerebrais, os quais são formas de ondas recorrentes de forma e duração semelhantes [Nunez, 2005]. Após a amplificação, o sinal é gravado num formato digital ou gráfico (transmitindo-se a uma tela de um computador).
O primeiro EEG humano foi registrado por Hans Berger, em 1929. Berger foi capaz
de registrar os traços de EEG de um canal fronto-occipital usando a técnica de registro bipolar. Os registros duraram somente uns minutos e foram feitos em papel fotográfico com um galvanômetro de dupla bobina [Niedermeyer, 1999].
2.2.1
Sinais elétricos do cérebro
O sinal EEG reflete o somatório espaço-temporal dos potenciais pós-sinápticos na vizinhança de um eletrodo de registro [Medvedev, 2002]. O EEG do escalpo proporciona uma medida em grande escala da função dinâmica neocortical. Um único eletrodo fornece uma média estimada da ação sináptica de uma massa tecidual contendo entre 10 milhões e
1 bilhão de neurônios [Nunez, 2000]. A base de todos os sinais bioelétricos é a
transformação dos sinais não elétricos para um sinal elétrico na membrana celular ativa.
Um processo químico, que envolve o fluxo de entrada e saída de íons de potássio (K+) e
sódio (Na+), inicia-se com o potencial de ação (PA) (Fig. 2.1). Estes sinais chegam ao neurônio através de um mecanismo químico que ocorre nos dendritos. Se um neurônio dispara, o potencial de ação viaja através do axônio ao terminal extremo deste para ativar
21
outros neurônios. A junção entre um axônio e o adjacente chama-se sinapse. Esta é o canal que o neurônio usa para comunicar-se com outro. A informação desde o corpo celular viaja através do axônio como um potencial de ação elétrico, logo alcança o fim de um axônio pré-sináptico, liberando as chamadas moléculas de neurotransmissores no espaço sináptico, que atravessam este para a próxima célula nervosa ou célula muscular [Malmivuo, 1995].
A parte da sinapse sobre o axônio é chamado de terminal pré-sináptico, e a parte do lado receptor é chamado de terminal pós-sináptico. O espaço entre estes dois lados, a fenda sináptica, e suas propriedades químicas são responsáveis para que a informação na sinapse viaje numa única direção [Malmivuo, 1995].
Fig 2.1 A célula nervosa (figura retirada de
http://infook.blogspot.com/2007/08/como-funciona-o-crebro.html)
2.2.2
Fontes neurais do sinal EEG
O cérebro é um sistema extremamente complexo, realizando constantemente transferência e processamento de informação. Os trabalhos do sistema neural são realizados através das interações entre os conjuntos grandes dos neurônios no sistema nervoso central (CNS) e no sistema neural periférico. Ao nível celular, os neurônios transferem e
22
processam a informação através dos potenciais de ação e dos disparos neurais (conhecidos também como spikes). Quando este tipo de atividade elétrica se transmite à superfície do córtex e à superfície do escalpo, nós podemos registrar isto com o EEG.
Os potencias de ação são demasiado rápidos (duram somente entre 1 e 2 ms) e são incapazes de se somarem de forma coerente no intervalo de tempo de EEG com suficiência para serem diretamente observados no EEG. No entanto, os PA causam potenciais pós-sinápticos (PPS) em diferentes células. Comparados com os PA, os PPS são muito mais demorados ou longos, aproximadamente entre 10-250 ms [Lopes da Silva , 1999]. Os PPS são a fonte primária dos campos potenciais extracelulares, i.e., os potenciais que são medíveis com métodos não invasivos [Speckmann, 1999]. Eles podem se somar espacial e temporalmente, o que torna possível registrá-los usando EEG. Os ritmos de EEG registrados no couro cabeludo são o resultado do efeito da soma de muitos potenciais pós-sinápticos excitatórios e inibitórios (EPSPs e IPSPs) produzidos na capa piramidal do córtex cerebral.
Nos seres humanos, o tálamo poderia ser o sítio principal da origem das atividades de EEG (bandas alfa e beta) [Hughes, 1999]. As oscilações talâmicas ativam o disparo dos neurônios corticais. A despolarização (principalmente na camada IV) cria um dipolo com negatividade na camada IV e positividade nas camadas mais superficiais. Os eletrodos do couro cabeludo detectam um pequeno, mas perceptível potencial de campo distante, que representa as flutuações potenciais somadas [Misulis, 1997]. Em condições clínicas e experimentais, EEG é o registro da diferença de potencial entre dois eletrodos (EEG bipolar) ou um eletrodo do couro cabeludo e outro de ouvido, como referência (EEG
unipolar). Os eletrodos do couro cabeludo não podem detectar cargas fora de 6 cm2 da área
superficial cortical correspondente, e a profundidade eficaz do registro é de vários milímetros.
Severas limitações afetam a detecção dos sinais EEG. Primeiro os potenciais têm que ser sincrônicos. Segundo, os neurônios têm que estar alinhados para os potenciais se somarem, pois de outro modo os potenciais se cancelam uns com outros (Fig. 2.2) [Niedermeyer, 2004].
23
Fig 2.2. Geração de potenciais sobre o escalpo pela somatória de correntes.
2.2.3 A natureza do EEG
Em primeira aproximação, o EEG é gerado por uma grande população de neurônios piramidais (Fig. 2.2) orientados perpendicularmente ao córtex cerebral, localizados nas camadas II, III, V e VI (Fig. 1.6). Estes neurônios piramidais separam espacialmente os
inputs excitatórios e inibitórios sobre sua superfície, sendo os potenciais pós-sinápticos
excitatórios e inibitórios que, somando-se sobre os neurônios piramidais, dão origem ao sinal EEG [Ebersole, 2003].
Fig 2.3 Representação esquemática de um neurônio piramidal cortical (Figura retirada de: Epilepsy as a Dynamic Disease, J. Milton et al, editors, capítulo 5, p. 55).
24
Para melhor entender a natureza deste fenômeno, consideraremos a contribuição da atividade de um único neurônio para o EEG, examinado um circuito cortical simplificado e alguns princípios elétricos básicos (Fig. 2.3). Neurônios piramidais são os neurônios de principal projeção sobre o córtex. Os dendritos apicais das células piramidais, os quais estão situados perpendicularmente à superfície celular, recebem vários inputs sinápticos. A atividade sináptica das células piramidais é a principal fonte da atividade EEG.
Para entender a contribuição de um único neurônio para o EEG, considere o fluxo de corrente produzido por um EPSP (excitatory postsinaptic potencial) sobre o dendrito apical de um neurônio piramidal cortical (Fig. 2.4). As correntes fluem no dendrito no local da geração do EPSP, criando uma corrente de vazamento. Então, deveria completar um laço fluindo abaixo do dendrito e retirar-se através da membrana para outros sítios, criando uma fonte de corrente. A intensidade da voltagem criada pela corrente sináptica é dada aproximadamente pela Lei de Ohm (V = IR, V: voltagem, I: corrente e R: Resistência). A resistência da membrana (Rm) é muito maior do que a da solução salina, que constitui o meio extracelular (Re). Por esse motivo, a voltagem registrada através da membrana com um eletrodo intracelular (1) é também maior que num eletrodo extracelular (2).
Fig. 2.4 Padrão do fluxo de corrente elétrica para um EPSP sobre um dendrito apical de um neurônio piramidal no córtex cerebral (Figura extraída de Principles of Neural Science
25
No lugar da geração do EPSP, o eletrodo extracelular detecta correntes fluindo longe do eletrodo dentro do citoplasma como uma deflexão para baixo. No entanto, um eletrodo extracelular perto da fonte tem polaridade oposta ( compare os eletrodos 2 e 3, Fig. 2.4). A situação é inversa se o lugar da geração do EPSP está sobre um dendrito proximal. No córtex, inputs excitatórios do hemisfério contralateral contactam (interagem com) os neurônios piramidais, principalmente sobre as partes distais do dendrito nas camadas 2 e 3. No entanto, inputs talamo-corticais terminam na camada 4. A atividade medida na superfície do eletrodo do EEG terá polaridades opostas para estes dois inputs (Fig. 2.5) [Kandel, 2000].
Fig. 2.5 Polaridade dependente da posição da sinapse
(http://www.acm.org/conferences/sac/sac2000/Proceed/FinalPapers/BC-07/)
2.2.4
Potenciais relacionados a eventos (ERP)
Estudos de EEG geralmente são focados ou sobre ritmos espontâneos cerebrais ou sobre potenciais relacionados a eventos, ERPs (ou também chamados potenciais evocados EP). A banda de freqüência do sinal EEG está numa faixa que se estende aproximadamente de 0-70 Hz. Enquanto os EP e ERP têm amplitudes próximas de dezenas de microvolts
26
(µV), os ritmos espontâneos podem atingir centenas de microvolts [ Handy, 2004; Thakor, 2004].
Os ritmos espontâneos incluem descargas epilépticas e outros eventos que ocorrem aperiodicamente, assim como ritmos periódicos definidos [Cooper et al., 1980]. Por exemplo, ondas alfa oscilando entre 8 e 13 Hz são geradas na maioria de adultos sadios quando eles têm seus olhos fechados. Estas ondas são observadas na parte posterior do cérebro, que corresponde às áreas visuais [Nunez, 2001].
Os EP e ERP ocorrem quando o cérebro responde a estímulos, os quais podem ser de origem exógena (EP) ou endógena (ERP). No entanto, a resposta de um evento individual num sinal EEG é muito pequena para ser confiavelmente detectada, devido ao ruído e ritmos espontâneos do EEG. Conseqüentemente, o estímulo é repetido várias vezes, entre 100-200, e os sinais EEG são promediados com respeito ao início do estímulo para recuperar o EP obtido.
Os ERP podem ser obtidos por diversos tipos de estímulos, por exemplo um flash de luz. Este tipo de potencial é chamado de potencial evocado visual (VEP). Um exemplo de estímulo auditivo é o chamado potencial evocado auditivo (AEP), apresentado como um estímulo sonoro [Cooper,1980].
2.2.5 Resolução espacial e temporal do EEG
No domínio do tempo, o sinal EEG é visto como uma função do tempo, o que permite uma análise visual da forma, amplitude e período das ondas nele encontradas. É a forma clássica de registro e leitura do EEG, desde Hans Berger, permanecendo como base indispensável para qualquer investigação de EEG até os dias de hoje.
No domínio da freqüência, o sinal EEG é visto como uma função da freqüência, o que
permite uma análise quantitativa do espectro de freqüências de que é composto. É uma nova forma de leitura do EEG, só tornada possível pelo computador, devido ao grande número de cálculos necessários em curto tempo.
O sinal EEG tem baixa resolução espacial, mas ele tem excelente resolução temporal da ordem de milissegundos. No entanto, novas técnicas de imageamento cerebral,
27
tais como CT e MRI, podem prover alta resolução espacial. Assim, a combinação do EEG com outras técnicas de imageamento cerebral pode oferecer ambas resoluções temporal e espacial (Fig. 2.6).
Fig 2.6. Diagrama comparando a performance espacial e temporal de quatro técnicas de neuroimagem minimamente invasivas. A diagonal “inclinada” representa o melhoramento na resolução espacial com o
tempo crescente da medida, uma característica das quatro modalidades [Strangman, 2002].
2.2.6 Os ritmos do EEG
Os ritmos cerebrais são formas de ondas eletromagnéticas produzidas pela atividade elétrica das células cerebrais (neurônios). Sabe-se que as ondas cerebrais mudam freqüentemente em função da atividade elétrica dos neurônios. Essas alterações estão relacionadas com mudanças de estados de consciência (concentração, relaxamento, meditação, etc.).
Cada indivíduo tem a sua própria característica de atividade de ritmos cerebrais, possui um padrão, conforme as suas atividades diárias. Com a interação de determinadas situações físicas ou emocionais, esses ritmos podem variar. Os principais ritmos cerebrais são:
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Delta
Delta é a mais baixa de todas as freqüências de ondas cerebrais. Está associada com o sono profundo, e também ocorre na infância. Algumas freqüências na faixa Delta liberam o hormônio do crescimento humano (HGH), que é muito benéfico para a regeneração celular. Acredita-se que se originam no córtex e no tálamo. A faixa das ondas Delta está entre 0-4 Hz, e sua amplitude varia entre 10-50µV.
Teta
São ondas rítmicas ou arrítmicas. Relaciona-se a processos de criatividade e memória. O estado Teta propicia flashes de imagens do inconsciente, criatividade e acesso a memórias há muito tempo esquecidas. Quando um indivíduo entra num estado sonolento a predominância de ondas teta aumenta. A excessiva presença de ondas Teta está relacionada a um déficit de atenção. A faixa das ondas Teta está entre 4-7 Hz e sua amplitude varia entre 50-100µV.
Alfa
São encontradas em quase todas as pessoas adultas normais quando elas estão acordadas o no estado de repouso. Relaciona-se a processos de relaxamento, visualização, meditação. Quando alguém está relaxado, sua atividade cerebral baixa do padrão beta, que é rápido, para as ondas alfa que são mais lentas, e experimenta uma sensação de paz e bem-estar.
O estado Alfa funciona como um portal para estados de consciência mais profundos. A faixa de ondas Alfa está entre 7-13 Hz e sua amplitude varia entre 15-45µV [Evans, 2009; Kropotov, 2009]. Esta faixa de freqüência teoricamente é gerada pelo córtex principalmente, mas também se discute e assume-se a possibilidade de estarem envolvidos os sistemas: corticotalâmico e corticocortical. “Nenhuma teoria neurofisiológica ou psicofisiológica do ritmo alfa têm ainda uma aceitação geral. Ainda existem incertezas
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sobre a origem e o significado psicofisiológico deste notável fenômeno. No entanto, nossas introspecções da natureza do ritmo alfa têm-se aprofundado” [Niedermeyer, 2005].
Beta
Relaciona-se a processos de atenção, concentração, cognição. No estado beta, os neurônios transmitem as informações rapidamente, permitindo atingir estados de concentração. O ritmo beta é usado por terapeutas de biofeedback para tratar um problema de aprendizagem e concentração chamado de transtorno de déficit de atenção (TDA) [Evans, 2009; Kropotov, 2009].
A faixa de ondas Beta está entre 13-30 Hz e sua amplitude varia entre 5-30µV. O estado Beta está associado com concentração, atenção aumentada, melhor acuidade visual e coordenação.
As freqüências Beta 13 Hz e 18 Hz, Gama 40 Hz (30-80 Hz, 3-10µV) e Alta Gama (80-150 Hz) atuam em funções cognitivas complexas.
2.2.7
Aquisição de dados do EEG
Para realizar a aquisição e a análise quantitativa do EEG (qEEG), os eletrodos são posicionados em pontos definidos sobre o couro cabeludo. Durante a fase de aquisição de dados, cada eletrodo coleta sinais elétricos do CNS. O registro do sistema inclui (I) eletrodos e head stage, (II) pré-processamento e qEEG, e (III) armazenagem de dados e resultados (Fig 2.7):
1. Eletrodos: O eletrodo do EEG é um sensor de potencial elétrico.
2. Aquisição e amplificação: A largura de banda do sinal de EEG é 0,5 – 100Hz em freqüência (mais importantes as menores de 30Hz) e as amplitudes típicas estão no intervalo de 10-300 µV.
3. Filtragem: Um EEG de rotina é geralmente amostrado a uma freqüência de aproximadamente 250Hz ou 500Hz, o qual teoricamente cobre a banda de 0 a 125Hz,
