FACULDADE DE CIÊNCIAS MÉDICAS
TAMIRES ARAUJO ZANÃO
ESTUDO DA CONECTIVIDADE FUNCIONAL E ESTRUTURAL E SUA RELAÇÃO COM DISTÚRBIOS DE MEMÓRIA EM PACIENTES COM EPILEPSIA DE LOBO
TEMPORAL MESIAL
STUDY OF FUNCTIONAL AND STRUCTURAL CONNECTIVITY AND ITS RELATIONSHIP WITH MEMORY DEFICITS IN PATIENTS WITH MESIAL
TEMPORAL LOBE EPILEPSY
CAMPINAS 2020
ESTUDO DA CONECTIVIDADE FUNCIONAL E ESTRUTURAL E SUA RELAÇÃO COM DISTÚRBIOS DE MEMÓRIA EM PACIENTES COM EPILEPSIA DE LOBO
TEMPORAL MESIAL
STUDY OF FUNCTIONAL AND STRUCTURAL CONNECTIVITY AND ITS RELATIONSHIP WITH MEMORY DEFICITS IN PATIENTS WITH MESIAL
TEMPORAL LOBE EPILEPSY
Tese apresentada à Faculdade de Ciências Médicas da
Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Doutora em Ciências.
Thesis presented to the Faculty of Medical Sciences of the University of Campinas in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor in Science.
ORIENTADOR: FERNANDO CENDES
ESTE TRABALHO CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELA ALUNA TAMIRES ARAUJO ZANÃO E ORIENTADA PELO PROF. DR. FERNANDO CENDES.
CAMPINAS 2020
ORIENTADOR: FERNANDO CENDES
MEMBROS:
1. PROF. DR. FERNANDO CENDES
2. PROF. DR. CARLOS EDUARDO SOARES SILVADO
3. PROFA. DRA. RACHEL PAES GUIMARÃES
4. PROF. DR. LUIZ EDUARDO GOMES GARCIA BETTING
5. PROF. DR. MARCONDES CAVALCANTE FRANÇA JUNIOR
Programa de Pós-Graduação em Fisiopatologia Médica da Faculdade de Ciências Médicas da Universidade Estadual de Campinas.
A ata de defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no SIGA/Sistema de Fluxo de Tese e na Secretaria do Programa da FCM.
processos: FAPESP; 2016/10433-0 e 2018/05383-4).
Ao Prof. Fernando Cendes, pela orientação e oportunidade de realizar este trabalho.
À Prof. Clarissa Yasuda, pelos aprendizados e incentivo.
Aos colaboradores do Laboratório de Neuroimagem que auxiliaram diretamente a realização desta pesquisa: Tatila Martins Lopes, Luciana Ramalho-Silva, Clarissa Lin Yasuda, Brunno Machado de Campos, Mônica Cordeiro e Juliana Francischinelli.
Ao Dr. Sylvain Bouix, Dra. Amanda Lyall, Dra. Martha Shenton, Dra. Amanda Seitz, e demais colaboradores e pesquisadores do Psychiatry Neuroimaging Laboratory pela oportunidade de aprendizado durante o doutorado-sanduíche. (To Professor Sylvain Bouix, Professor Amanda Lyall, Professor Martha Shenton, Dr. Amanda Seitz, the research assistents and the all collaborators of the Psychiatry Neuroimaging Laboratory for the learning opportunity).
Ao Rubens pelo companheirismo, dedicação e apoio ao longo de todo o doutorado.
Aos meus pais e minha irmã por acreditarem e torcerem pelo meu trabalho.
A todos os colegas e amigos do Laboratório de Neuroimagem e Laboratório de Física Médica da Unicamp pelos ensinamentos e bons momentos compartilhados ao longo desses anos.
Mesial (ELTm) e a esclerose hipocampal (EH) é a lesão mais comum nestes pacientes. Ainda, cerca de 20% dos pacientes com ELTm não apresentam sinais na ressonância magnética (RM) de alterações estruturais (RM-negativa). Diferenças importantes existem entre os subgrupos de ELTm quando se considera a presença e o lado da EH. Dentre as “Resting State Networks”, destaca-se a “Default Mode Network” (DMN), compreendendo as regiões do córtex cingulado posterior, córtex precuneus, lobos parietais inferiores bilaterais, córtex pré-frontal medial e lobo temporal mesial e lateral. Evidências sugerem envolvimento do hipocampo no funcionamento da DMN, indicando que a memória episódica pode estar incorporada ao processamento cognitivo da DMN. Além de danos funcionais, as crises epilépticas podem estar associadas a danos microestruturais à substância branca. Estudos de neuroimagem em ELT(m) encontraram anormalidades estruturais que se estendem além do hipocampo e do lobo temporal. Dentre os tratos destacam-se o fascículo do cíngulo, o fascículo arqueado e o fascículo longitudinal inferior. A anisotropia fracionada (AF) é uma medida que tem valores mais altos associados a melhor integridade estrutural, enquanto a AF diminuída sugere camadas de mielina ou de membrana celular reduzidas. Esses tratos são de especial interesse por estarem diretamente ou intimamente conectados ao lobo temporal. Evidências sugerem envolvimento desses tratos em funções cognitivas frequentemente prejudicadas em ELTm, como memória. Investigação de alterações de memória, juntamente com
análises de DMN e
alterações de AF em substância branca podem auxiliar na elucidação de particularidades e padrões de comprometimentos funcionais e estruturais em
pacientes com ELTm, com e sem EH.
Objetivos: Investigar relação entre conectividade funcional DMN e integridade microestrutural por imagem de tensor de difusão (DTI) e distúrbios de memória em
pacientes com ELTm e RM-negativa.
Métodos: Foram coletados dados clínicos e os pacientes passaram por avaliação para confirmação do diagnóstico de ELTm e separação em grupo com ELTm-direita (EH a direita), ELTm-esquerda (EH a esquerda) ou RM-negativa. Foram admitidos controles saudáveis sem doenças neurológicas ou neuropsicológicas prévias e sem
correlação com dados neuropsicológicos foram adicionados ROIs nos hipocampos direito e esquerdo e giro parahipocampal direito e esquerdo. A análise estrutural da substância branca foi feita por meio da análise de anisotropia fracionada. Resultados: Nosso estudo traz evidências de que a ELTm perturba a conectividade funcional da DMN, com redução de recrutamento do hipocampo para os grupos com EH. Em comparação com os controles, todos os grupos de pacientes apresentaram desempenho pior para memória visual e QI, e os grupos com EH para memória verbal. As alterações da DMN correlacionadas aos testes neuropsicológicos foram mais acentuadas na ELTm-esquerda, seguida pela ELTm-direita e RM-negativa. Na análise estrutural (DTI), nossos resultados sugerem que a EH está associada com o comprometimento da anisotropia fracionada, sendo que o grupo ELTm-esquerda apresentou comprometimento bilateral generalizado da substância branca em todos os tratos analisados; seguido pelo grupo ELTm-direita com redução de anisotropia fracionada apenas no hemisfério ipsilateral para fascículo do cíngulo e fascículo longitudinal inferior, sem prejuízos para fascículo arqueado. Discussão e conclusão: A conectividade exacerbada em regiões relacionadas a DMN para os grupos ELTm-direita e RM-negativa, provavelmente envolve uma organização compensatória, enquanto o grupo ELTm-esquerda não foi capaz de se conectar funcionalmente com regiões adjacentes a rede da DMN. Pacientes com EH apresentam alterações da DMN e da AF mais intensas que os pacientes com RMnegativa. No geral, o grupo RM-negativa apresentou valores de AF mais próximos dos controles, em concordância com a ideia de que a ausência de EH está associada a menos danos à substância branca. Os mecanismos envolvidos na perda da integridade da substância branca diferem entre os grupos de ELTm, resultando em consequências distintas para a cognição.
Palavras-chave: epilepsia de lobo temporal mesial, rede de modo padrão, memória, tractografia.
In addition, about 20% of patients with MTLE do not show abnormal magnetic resonance (MRI) signals (MRI-negative). Important differences exist between the MTLE subgroups when considering the presence and side of HS. Among the “resting state networks”, the “Default Mode Network” (DMN) include regions of the posterior cingulate cortex, medial prefrontal and medial, lateral, and inferior parietal cortices, cerebellum, and mesial temporal lobe. Evidence suggest involvement of the hippocampus in the functioning of DMN, indicating that memory may be incorporated into the cognitive processing of DMN. In addition to functional damage, seizures microstructural damage the white matter. Neuroimaging studies suggest that MTLE can affect beyond the hippocampus and temporal lobe. Among the highlighted tracts we analyzed fractional anisotropy of cingulum bundle, arcuate fascicle and inferior longitudinal fascicle. The fractional anisotropy can indicate the integrity of white matter. These fascicules are of special interest because they are directly or closely connected to the temporal lobe. Evidences suggest the involvement
of these tracts in
cognitive functions frequently impaired in MTLE, as memory. Investigation of memory alterations, combined with DMN analyzes and fractional anisotropy alterations in the WM can bring enlightenment of particularities and patterns of functional and structural impairments in patients with MTLE, with and without HS.
Objectives: To investigate the relationship between functional DMN connectivity and
the microstructural integrity by diffusion tensor image (DTI) and memory disorders in
patients with MTLE, and MRI-negative.
Methods: Clinical data were collected, and patients underwent to evaluation for
confirming the diagnosis of MTLE. They were classified in group with right-MTLE, leftMTLE or MRI-negative. Healthy controls should not have previous neurological or neuropsychological diseases or contraindication to undergo to MRI acquisition. All participants underwent MRI and all patients and part of the controls participated in neuropsychological assessment. For DMN the seed method was used in the posterior cingulate cortex, and for the correlation with neuropsychological data ROIs were added in the right and left hippocampus and right and left parahipocampal gyrus. We analyzed fractional anisotropy of cingulum, arcuate and inferior longitudinal fasciculus and
correlated the values with neuropsychological data.
Results: Our study provided evidence that MTLE disrupts the functional connectivity
of DMN, with reduced recruitment of the hippocampus within groups with HS. There was also exacerbated connectivity in regions related to DMN for the right-MTLE and MRI-negative groups. In comparison with controls, all groups of patients performed worse for visual memory and IQ, and groups with HS for verbal memory. The changes in the DMN relative to the neuropsychological tests were more intense in left-MTLE,
impairment in all analyzed tracts; followed by the right-MTLE group with reduced fractional anisotropy only in the ipsilateral hemisphere for cingulum and inferior longitudinal fasciculus, without impairment for arcuate.
Discussion and conclusion: The exacerbated connectivity in regions related to DMN
for the right-MTLE and MRI-negative groups probably involve a compensatory organization, while the left-MTLE group was not able to functionally connect with regions adjacent to the DMN network. The presence of HS can interfere in the ipsilateral correlations between DMN (posterior cingulate cortex seed-based) and neurocognitive tests, with cognitive impairments wider than expected by lateralization. HS is also associated to fractional anisotropy impairment. In general, the MRI-negative group showed fractional anisotropy values similar to the controls, in line with the idea that the absence of HS is associated with less damage to the white matter. The mechanisms involved in the loss of white matter integrity differ between the MTLE groups, resulting in different consequences for cognition.
Key-words: mesial temporal lobe epilepsy, default mode network, memory, tractography.
esquerda mostra paciente com ELTM sem esclerose hipocampal e a direita, ELTm com esclerose hipocampal...16
Figura 2 – Imagens de A- fascículo do cíngulo esquerdo; B- fascículo arqueado esquerdo e C- fascículo longitudinal inferior esquerdo...20 Figura 3 - Fluxograma indicando distribuição de controles e pacientes por capítulo...25 Figura 4 - Exemplificação da 1ª apresentação e evocação do sub-teste “Pares verbais associados”, da Escala Wechsler...26
Figura 5 - Imagens ilustrativas e fictícias para explicação do sub teste “Pares visuais associados”, da Escala Wechsler...27
Figura 6 – Exemplificação de história utilizada no sub teste “Memória lógica”, da Escala Wechsler...27
Figura 7 – Exemplos ilustrativos e fictícios de figura similares as memorizadas no sub teste “Memória de figuras”...28
Figura 8 – Exemplo de estímulo a ser memorizado pelo examinando no sub teste “Reprodução de figuras” (Escala Wechsler)...29
Figura 9 – Lista de palavras utilizada no teste Lista de Palavras (Rey Auditory Verbal Learning Test)...30 Figura 10 – Exemplo de imagem apresentada no “teste de nomeação de Boston”...32
BOLD – “blood oxygenation level-dependent signal” DMN – “Default Mode Network”
DTI – “diffusion tensor imaging” EEG – eletroencefalografia EH – esclerose hipocampal ELT – epilepsia de lobo temporal
ELTm – epilepsia de lobo temporal mesial ILAE – “International League Against Epilepsy” RM – ressonância magnética
RM-negativa – paciente com ELTM sem esclerose hipocampal RMf – ressonância magnética funcional
1.1. Epidemiologia da epilepsia...14
1.2. Epilepsia de Lobo Temporal...15
1.3. Conectividade Funcional - “Resting State Networks” em ELT...17
1.3.1. “Default Mode Network” na Epilepsia de Lobo Temporal...18
1.4. Integridade microestrutural – Substância Branca...19
1.5. Memória e Lobo Temporal...20
1.6. Justificativa...22
2. OBJETIVOS...23
2.1. Geral...23
2.2. Específicos...23
3. METODOLOGIA...24
3.1. Aspectos éticos e procedimentos...24
3.2. Participantes...24
3.3. Avaliação clínica...25
3.4. Avaliação neuropsicológica...25
3.5. Aquisição de Imagens de Ressonância Magnética...32
3.5.1. Imagens de Ressonância Magnética Funcional (RMf)...32
3.5.2. Imagens Estruturais...32 3.6. Análise estatística...33 4. RESULTADOS...34 4.1. Capítulo 1...35 4.2. Capítulo 2...51 4.3. Capítulo 3...69 5. DISCUSSÃO GERAL...93 6. CONCLUSÃO...95 7. REFERÊNCIAS...97 8. ANEXO:...102 8.1. Artigo de revisão...102
1. INTRODUÇÃO
1.1. Epidemiologia da epilepsia
A epilepsia é uma condição neurológica prevalente, crônica, não infecciosa, que afeta indivíduos de todo o mundo, de ambos os sexos e em todas as idades. Caracteriza-se principalmente pela recorrência de atividade elétrica cerebral anormal transitória, devido a desordem funcional causada por desequilíbrio entre mecanismos excitatórios e inibitórios, podendo acometer um ou ambos os hemisférios (1, 2). Tal desequilíbrio resulta em alterações comportamentais, refletindo o mecanismo neural envolvido no processo epiléptico (3).
Estimava-se que o número de indivíduos com epilepsia no mundo é de aproximadamente 46 milhões (3). Enquanto em países desenvolvidos a proporção de pessoas com epilepsia é de 4 a 10 por 1000 indivíduos (4), dados em nível nacional sugerem proporção de 11.9 a 21 por 1000 brasileiros (5). Outros estudos indicam que cerca de 80% dos indivíduos com epilepsia vivem em países em desenvolvimento, sendo que desses de 80 a 90% não tem acesso a nenhum tratamento (6). A maior prevalência da epilepsia em países em desenvolvimento é atribuída, entre outros fatores, a piores condições sanitárias que agravam doenças infecciosas e causas parasitárias que podem resultar em epilepsias, como a neurocisticercose (7), infecção do sistema nervoso pela forma larvária da Taenia solium (Cysticercus cellulosae).
A classificação das epilepsias da “International League Against Epilepsy - ILAE” foi revisada em 2017 e segue uma hierarquia em níveis: primeiramente é realizada a classificação do tipo de crise (início focal, generalizado ou desconhecido), seguida pela classificação do tipo de epilepsia (focais, generalizadas, focais e generalizadas combinadas e desconhecidas), cujos diagnósticos podem necessitar de exames complementares, como eletroencefalografia (EEG), vídeo-EEG e neuroimagem e, finalmente, o das síndromes epilépticas, definida por um conjunto de características que tendem a ocorrer em conjunto e englobam tipo de crise, neuroimagem e EEG, podendo variar de acordo com a idade e apresentar comorbidades típicas (8).
Para todas as etapas da classificação são investigadas a etiologia, uma vez que identificar as causas pode auxiliar na conduta terapêutica. As etiologias
são classificadas em estrutural, genética, infecciosa, metabólica, imune e desconhecida. A classificação também potencializa a identificação de agentes precipitantes e informa os riscos de comorbidades, desde dificuldades de aprendizado, deficiência intelectual, manifestações psiquiátricas até risco de morte súbita associada a epilepsia (8).
Assim, a epilepsia é uma doença com sintomas complexos que variam de acordo com as áreas corticais afetadas, sendo importante causa de incapacidades e de mortalidade (3). Ainda, aspectos da vida diária dos indivíduos com epilepsia são afetados, trazendo consequências psicológicas, neurobiológicas, cognitivas e sociais (9, 10). Frequentemente, pessoas com epilepsia não contam com apoio social ou familiar, sendo alvos de estigma e preconceito. Este contexto desfavorável está associado a evasão escolar, prejuízos no desenvolvimento intelectual e na estabilidade psicológica, refletindo em dificuldades de autonomia e piores condições de emprego (11).
1.2. Epilepsia de Lobo Temporal
A epilepsia de lobo temporal (ELT) é a epilepsia focal mais frequente em adultos humanos, podendo ser sub classificadas em: 1- epilepsia de lobo temporal neocortical, caracterizada pela ocorrência de crises com origem na região do córtex temporal, ou 2- epilepsia de lobo temporal mesial (ELTm), com início das crises em porção mesial do lobo temporal (12).
A ELTm é o subtipo mais frequente, correspondendo a aproximadamente 60% das ELT (13). Usualmente, a ELTm apresenta etiologia estrutural, com associações entre as crises mesiais do lobo temporal e a esclerose hipocampal (EH) (8), sendo esta última a lesão mais comum nestes pacientes (4, 14). A identificação da esclerose e do foco epiléptico são importantes, pois tornam maiores as chances de sucesso cirúrgico. Outras causas incluem tumores, displasias corticais focais e malformações vasculares. Ainda, aproximadamente 20% das ELTm não apresentam alterações em exame de imagem de ressonância magnética (RM-negativa) (15). O grupo RM-negativa apresenta especificidades e distinções em relação aos grupos com EH (16).
Figura 1 – Presença e ausência de esclerose hipocampal em ELTm. Imagem a esquerda mostra
paciente com ELTM sem esclerose hipocampal e a direita, ELTm com esclerose hipocampal. Imagem do banco de dados do Laboratório de Neuroimagem – UNICAMP.
Dentre as características da ELTm figuram baixas taxas de farmacoresponsividade, com cerca de 1/3 das ELT não apresentando remissão de crises com o uso de drogas antiepilépticas (17), correspondendo a menores frequências de epilepsias autolimitadas, fazendo desses pacientes potenciais candidatos à cirurgia. Devido ao papel do hipocampo e de estruturas adjacentes (como cortex entorrinal, subículo e córtex para-hipocampal) no sistema de memória do lobo temporal, é frequente que pacientes com ELTm apresentem prejuízos de memória como comorbidade (18, 19).
Os hemisférios cerebrais apresentam particularidades funcionais, sendo que para a maioria dos indivíduos o hipocampo direito está relacionado a funções cognitivas visuais/espaciais ou não verbais, enquanto que o hipocampo esquerdo é majoritariamente responsável por funções cognitivas verbais. Assim, a identificação do hemisfério correspondente ao foco epiléptico é fundamental para a ELTm, visto que o hemisfério acometido pode interferir no tipo de prejuízo cognitivo apresentado (20, 21).
Estudos de neuroimagem e eletroencefalografia indicam que a ELTm faz parte de uma rede que vai além do hipocampo, envolvendo estruturas do sistema límbico como córtices entorrinal e perirrinal e a amígdala, além de regiões sub e neocorticais, destacando-se lobo frontal, giros superior, médio e inferior do lobo temporal (22-24). Assim, embora a ELTm seja uma epilepsia focal, ela de fato envolve grandes porções do cérebro (25), causando alterações tanto estruturais como funcionais para além das regiões do lobo temporal (26-28). Tais anormalidades apresentam assimetrias entre os dois hemisférios (17) e há indícios de que a presença e o lado da EH tem influência nos prejuízos de ordem
estrutural e funcional (29-31). Assim, grupos com EH unilateral a direita (ELTm-direita), esclerose hipocampal unilateral a esquerda (ELTm-esquerda) e RM-negativa apresentam especificidades próprias em diversos aspectos como conectividade, alterações de substância branca, substância cinzenta e prejuízos cognitivos que não estão completamente esclarecidas (16, 18, 29, 30, 32).
1.3. Conectividade Funcional - “Resting State Networks” em ELT As “resting state networks” (RSN) foram inicialmente identificadas por Biswal e colaboradores (33), em 1995, durante investigação de ruídos de ressonância magnética funcional (RMf) em uma tarefa motora simples. O paradigma experimental alternava tarefas de “finger tapping”, em que o sujeito era solicitado a pressionar com o dedo um aparato, com momentos de repouso. Os pesquisadores observaram flutuações de baixa frequência no sinal da RMf do córtex motor durante o período de repouso, sem que essas estivessem relacionadas a sinais vitais, como batimento cardíaco ou respiração. Ainda, as flutuações apresentavam alto grau de correlação com o hemisfério contralateral (33, 34).
Flutuações coerentes similares também foram identificadas por Biswal e colegas em outras áreas cerebrais e foi constatado que são causadas por mudanças espontâneas do sinal do nível dependente de oxigenação do sangue (“blood oxygenation level-dependent signal, BOLD, em inglês). O sinal BOLD se altera de acordo com as propriedades magnéticas da hemoglobina oxigenada, gerando um índice de nível de oxigenação e de fluxo sanguíneo dependente da atividade neural e glial. Como a oxi e a desoxi-hemoglobina apresentam respostas magnéticas distintas, é possível gerar contrastes ponderados de sinal da RMf através de suas concentrações relativas (31).
Quando os sinais BOLD apresentam flutuações similares, há indicação de que essas áreas, ainda que distantes, estejam funcionalmente conectadas, compondo uma RSN (31, 34, 35). Embora as RSN tenham sido identificadas durante o repouso, os seus funcionamentos são relevantes para vários outros aspectos do funcionamento normal do cérebro e são moduladas por estímulos externos ou internos (25).
Em resumo, as RSN são redes formadas por grupos de estruturas cerebrais que apresentam atividade síncrona espontânea durante repouso e que
são moduladas frente a determinadas tarefas. Basicamente, podem ser classificadas de acordo com suas diferentes respostas diante de comportamentos específicos, sendo: 1- redes envolvidas em processos motores e sensoriais e 2- redes envolvidas em funções cerebrais de ordem superior. Salienta-se que algumas estruturas cerebrais participam de mais de uma rede (31).
Estudos indicam que a ELT interfere na atividade espontânea das RSN (25), ainda que essas redes envolvam áreas distantes do hipocampo ou que não sejam consideradas como parte da “rede da ELT”(23). Embora haja evidências de prejuízos em redes envolvidas em processos motores e sensoriais, são as redes envolvidas em funções cerebrais superiores, como consciência, atenção e cognição que são possivelmente mais afetadas pela ELT, provavelmente devido as suas características de envolverem estruturas diversas e difusas (25). Esta evidência é importante pois possibilita entender a ELT como uma doença que afeta as RSN, ampliando as perspectivas para compreensão de complicações psiquiátricas e cognitivas que ocorrem frequentemente na ELT.
1.3.1 – “Default Mode Network” na Epilepsia de Lobo Temporal
A “Default Mode Network” (DMN) foi a primeira RSN a ser identificada (36) e é uma rede envolvida em funções cognitivas, relacionada a atividades introspectivas, como recuperação de memórias, planejamento futuro, julgamentos e interpretação de crenças (37). Sua atividade é aumentada na ausência de tarefas guiadas por estímulos exteriores (37-40).
A DMN possui um sistema cerebral de anatomia definida, compreendendo as regiões do córtex cingulado posterior, córtex precuneus, lobos parietais inferiores bilaterais, córtex pré-frontal medial, lobos temporal mesial e lateral (37, 38), incluindo o hipocampo (41). Entre as regiões da DMN destaca-se o córtex cingulado posterior como uma região chave para a identificação desta rede, devido a suas altas taxas metabólicas em indivíduos saudáveis, durante repouso (36, 42).
Evidências que sugerem envolvimento do hipocampo no funcionamento da DMN, esta rede passa a ser de especial interesse para a ELTm. O envolvimento do hipocampo também indica que a memória episódica pode estar
incorporada ao processamento cognitivo da DMN (37, 43) e que é importante para a performance cognitiva (44, 45).
1.4. Integridade microestrutural – Substância Branca
Embora as atividades epilépticas se iniciem na substância cinzenta, as crises epilépticas podem causar danos microestruturais à substância branca (46, 47). Além disso, os axônios formam a via de transmissão do cérebro, integrando a rede epiléptica. Para acessar o mapa das conectividades estruturais utiliza-se a técnica de imagem por tensor de difusão – DTI (em inglês diffusion tensor imaging), que permite estimar os tratos das fibras de substância branca por meio da tractografia in vivo (48).
Em um meio livre, a difusão da água refere-se a movimentação translacional aleatória (movimento browniano) de moléculas resultantes da energia térmica transportada pelas mesmas (49). No cérebro, não há barreiras no sentido paralelo da difusão, mas perpendicularmente a impermeabilidade ou semipermiabilidade das membranas dos axônios e a mielina impedem a livre circulação da água. Quando há alterações na integridade dessas barreiras as medidas de difusão se alteram. Assim, a quantificação da difusão pode ser indicativa da integridade celular ou da existência de patologias (50). O DTI é, portanto, importante por permitir a investigação e compreensão do desenvolvimento cerebral, suas funções no desenvolvimento saudável e em adoecimento, como descrito em diversos estudos (51-53). A anisotropia fracionada (AF) vai de zero a um e valores mais altos indicam melhor integridade estrutural, enquanto a AF diminuída sugere camadas de mielina ou de membrana celular reduzidas (54, 56).
Estudos de neuroimagem em ELT e ELTm encontraram anormalidades estruturais que se estendem além do hipocampo e do lobo temporal (30, 49, 54, 57-59). Embora algumas pesquisas indiquem redução bilateral da integridade da substância branca, os prejuízos parecem ser mais proeminentes no hemisfério ipsilateral à origem das crises, enquanto informações acerca do hemisfério contralateral são inconclusivas. A identificação de prejuízos de substância branca é um potencial biomarcador para farmacoresistência (60) e identificação de foco epiléptico (61), pode ser útil para planejamento cirúrgico e indicador de déficits cognitivos pós-cirúrgicos (62).
Dentre os tratos destacam-se o fascículo do cíngulo, o fascículo arqueado e o fascículo longitudinal inferior (55, 57, 58, 63, 64). Esses tratos são de especial interesse por, entre outros, estarem diretamente conectados (fascículo do cíngulo) ou intimamente conectados (fascículo arqueado e o fascículo longitudinal inferior) ao lobo temporal (65). Como será visto a seguir, pacientes com ELTm usualmente apresentam prejuízos de memória e de linguagem. Estudos indicam associação entre os domínios cognitivos de memória verbal, linguagem e memória visuo espacial com a AF do fascículo do cíngulo em outras doenças neurológicas (66-68). A AF do fascículo arqueado está relacionada com a memória, habilidade de nomeação, fluência verbal, constituindo a principal via dorsal da linguagem (67, 69-71), enquanto a AF do fascículo longitudinal inferior também está relacionado à linguagem (72, 73).
Figura 2 – Imagens de A- fascículo do cíngulo esquerdo; B- fascículo arqueado esquerdo e C-
fascículo longitudinal inferior esquerdo.
1.5. Memória e Lobo Temporal
Os primeiros estudos empíricos da cognição em epilepsia foram publicados no início dos anos 1900. Desde então, a compreensão dos processos neurobiológicos de funções cognitivas na ELT foram intensificadas, em especial com o auxílio de avaliações neuropsicológicas pré e pós cirúrgica em serviços de cirurgia (18).
Prejuízos cognitivos, principalmente de memória, são bastante comuns em pacientes com ELT e ELTm, interferindo na qualidade de vida destes indivíduos. Uma pesquisa que incluiu mais de mil pessoas com epilepsia, por exemplo, apontou que tanto médicos como pacientes consideram os prejuízos cognitivos como as piores complicações associadas à doença (74), indicando a importância de sua investigação.
As primeiras cirurgias para redução da frequência de crises visavam evitar a remoção do hipocampo, uma vez que remoção bilateral dessas estruturas em animais resultaram em alterações comportamentais indesejadas (18). No entanto, com a posterior identificação de que estruturas do lobo temporal mesial estão criticamente envolvidas na rede epiléptica, a remoção de porção “mais profunda, inferior e mesial” do lobo temporal passou a ser recomendada (75), auxiliando na compreensão das funções do hipocampo.
Identificou-se que ressecção hipocampal bilateral, embora geralmente resulte em preservação da capacidade intelectual, é usualmente acompanhada de extensa perda de memória anterógrada (ou seja, a capacidade de armazenar novas informações fica comprometida). Já a ressecção temporal unilateral costuma gerar declínios menos graves da capacidade de memória (76).
A ressecção unilateral também indica que os hipocampos direito e esquerdo apresentam especificidades em relação à suas funções de memória: o hemisfério esquerdo, dominante para a linguagem na grande maioria das pessoas, está mais intimamente relacionado com memória verbal, enquanto hemisfério direito associa-se mais diretamente a memória não verbal (20, 21, 77, 78).
Sabe-se, portanto, que o comprometimento de estruturas temporais está relacionado a prejuízos de memória, um déficit especialmente problemático e frequente nestes pacientes. No entanto, os prejuízos cognitivos podem ser bastante heterogêneos, se estendendo além das funções da memória, afetando diversas habilidades como a linguagem, a atenção e a capacidade de resolução de problemas (18).
Evidências do envolvimento de estruturas temporais mesiais em funções de memória e anormalidades anatômicas encontradas em regiões distantes do lobo temporal podem estar associadas a tais prejuízos. Pesquisas tem correlacionado os prejuízos cognitivos abrangentes em ELT e ELTm com anormalidades anatômicas para além do lobo temporal (18). Investigação de alterações de memória, juntamente com análises de DMN e alterações de AF em substância branca podem auxiliar na elucidação de particularidades e padrões de comprometimentos funcionais e estruturais em pacientes com ELTm, com e sem EH.
1.6. Justificativa
A epilepsia é uma doença com sintomas complexos que variam de acordo com as áreas corticais afetadas, podendo interferir de modo importante em aspectos da vida diária dos indivíduos, com consequências em diversos âmbitos, incluindo prejuízos psicológicos, neurobiológicos e cognitivos (3). Mesmo considerando um mesmo tipo de epilepsia, a ELTm, diferenças importantes existem entre os subgrupos que ainda não foram completamente compreendidas.
Entre os prejuízos na ELTm, destaca-se os déficits cognitivos, principalmente de memória, indicados por médicos e pacientes como as piores complicações associadas à epilepsia (74). Estudos de neuroimagem sugerem que a ELTm faz parte de uma rede que vai além do hipocampo, envolvendo estruturas do sistema límbico, de regiões sub e neocorticais (22-24). Deste modo, a ELTm envolve grandes porções do cérebro (25), causando alterações tanto estruturais como funcionais para além das regiões do lobo temporal (26-28) e apresentando assimetrias entre os dois hemisférios (17, 29-31).
Diferenças entre hipocampo direito e esquerdo e suas particularidades na função da memória, juntamente com assimetrias funcionais e estruturais entre os hemisférios (16, 18, 29, 30, 32) sugerem que, possivelmente, mecanismos diferentes estão envolvidos na ELTm com EH-direita e EH-esquerda (17, 26, 30). Menos ainda se sabe sobre ELTm RM-negativa (16).
O presente estudo realizou análises funcionais e estruturais e as relacionou com avaliação cognitiva em pacientes com ELTm, com e sem EH, buscando compreender as singularidades de cada subgrupo.
2. OBJETIVOS 2.1. Geral
Investigar relação entre conectividade funcional da DMN e a integridade microestrutural dos tratos fascículo do cíngulo, fascículo arqueado e fascículo longitudinal inferior por imagem de tensor de difusão (Diffusion Tensor Imaging – DTI) e distúrbios de memória em pacientes com ELTm com ELTm-direita, ELTm-esquerda e RM-negativa.
2.2. Específicos
a. Investigar diferentes padrões de DMN em pacientes com ELTm, com e sem esclerose hipocampal,
b. Relacionar DMN com dados neuropsicológicos em pacientes com ELTm,
c. Investigar AF da substância branca nos tratos do fascículo do cíngulo, fascículo arqueado e fascículo longitudinal inferior em pacientes com ELTm, com e sem esclerose hipocampal,
d. Relacionar alterações de anisotropia fracionada nos tratos do fascículo do cíngulo, fascículo arqueado e fascículo longitudinal inferior com avaliação neuropsicológica em pacientes com e sem esclerose hipocampal.
3. METODOLOGIA
3.1. Aspectos éticos e procedimentos
Os participantes foram instruídos sobre as etapas constituintes da pesquisa e informados de que sua participação era totalmente voluntária, sem implicações ou prejuízos para qualquer tratamento presente ou futuro na UNICAMP.
Os participantes que concordaram em participar assinaram termo de consentimento livre e esclarecido. As aquisições de dados e análises do presente estudo fazem parte da pesquisa maior intitulada “Avaliação de linguagem e memória em epilepsia de lobo temporal mesial: correlações com neuroimagem estrutural e funcional”, que obteve aprovação do Comitê de Ética em Pesquisa da UNICAMP (parecer 3.917.158, em anexo).
Não foram realizados procedimentos invasivos e todas as intervenções estavam de acordo com os princípios éticos descritos pela Declaração de Helsinki. Todos os participantes passaram por avaliação clínica e realizaram exames de RM e todos os pacientes e parte dos controles foram submetidos à avaliação neuropsicológica, como será descrito a seguir.
3.2. Participantes
Foram incluídos no presente estudo pacientes, maiores de 18 anos, que realizavam tratamento ou acompanhamento médico no Ambulatório de Neurologia do Hospital de Clínicas da UNICAMP (HC-UNICAMP). Todos possuíam diagnóstico de ELTm seguindo os critérios diagnósticos da ILAE (79, 80) atribuído por neurologista experiente do serviço de epilepsia, com EH unilateral à direita ou à esquerda, ou sem EH , confirmado por imagens de RM. Exames EEG normais não foram utilizados como critério de exclusão quando evidências clínicas confirmavam o diagnóstico de ELTm.
Foram excluídos indivíduos que apresentavam: alteração extra-hipocampal ou extra-temporal nos exames de neuroimagem, cirurgia neurológica prévia, retardo no desenvolvimento neuropsicomotor diagnosticado por avaliação prévia, transtornos de personalidade, presença de outra lesão possivelmente epileptogênica (como tumores) e contraindicação para realização de RM, como presença de clipes cerebrais, marca passo ou fobia grave para realização do exame. Ainda, excluímos
pacientes que não aceitaram ou não puderam realizar avaliação neuropsicológica, por não serem alfabetizadas em português ou apresentarem déficits intelectuais que os impedissem de compreender as instruções da avaliação.
Incluímos controles saudáveis, pareados em idade e sexo com os pacientes e sem histórico prévio de doenças neurológicas ou transtornos psiquiátricos. Foram excluídos controles que apresentassem contraindicação para realização de RM. Todos os controles foram convidados a realizar avaliação neuropsicológica, embora a não aceitação em fazê-la não constituiu em critério de exclusão. Foram incluídos no total 115 controles e 119 pacientes, distribuídos pelos capítulos como indicado abaixo:
Figura 3 - Fluxograma indicando distribuição de controles e pacientes por capítulo. 3.3. Avaliação clínica
Dados clínicos foram coletados dos prontuários médicos ou diretamente com os pacientes, entre os quais destacam-se: idade de início das crises, frequência de crises, uso de drogas antiepilépticas (81) e dominância manual através do Inventário de Edinburgh (82).
3.4. Avaliação neuropsicológica
A avaliação neuropsicológica foi composta por sub-testes que visam mensurar desempenho em funções cognitivas frequentemente prejudicadas em pacientes com ELTm, incluindo linguagem e memória verbal e não verbal:
Escala Wechsler (83)– os sub testes utilizados estão descritos a seguir: I. Pares verbais associados: avalia memória verbal. O sub-teste consiste
em uma lista com 8 grupos de palavras, lidas duas a duas (ou seja, são duplas de palavras que devem ser memorizadas juntas). O psicólogo instrui o paciente a prestar atenção enquanto o psicólogo as lê, explicando que em um momento posterior o psicólogo irá ler a primeira palavra de cada dupla e o participante deverá recordar qual a palavra que a acompanhava. Os pares de palavras são sempre os mesmos, mas a ordem em que elas ocorrem varia. É apresentado ao participante no máximo seis sets das palavras associadas com suas respectivas evocações e somente é interrompido se a partir do terceiro set o examinando acerta todas as associações. Após 20 minutos é lida somente a primeira coluna de palavras e solicita-se ao examinando que diga qual foi a outra palavra que a acompanhou. O escore é dado para cada resposta correta até o terceiro set totalizando um máximo de 24 pontos para as evocações imediatas e oito pontos para a evocação tardia.
Figura 4 - Exemplificação da 1ª apresentação e evocação do sub-teste “Pares verbais
associados”, da Escala Wechsler.
II. Pares Visuais Associados: avalia o aspecto visual da memória. Seis desenhos com linhas abstratas são apresentados, um por vez, acompanhado de uma cor, específica e única para desenho. O psicólogo solicita ao participante que observe atentamente o desenho e a cor associada a ele, instruindo-o de que após a apresentação dos pares será mostrado somente o desenho e o examinando deverá recordar qual cor acompanhava a figura apresentada. Os pares de figuras são sempre os mesmos, mas são apresentados em ordem diferente a cada set. É
1a Apresentação (1par/3”) 1a Evocação (resposta 5”/ Feedback: dizer a
correta) Pontos
Metal Ferro Fruta
Bebê Choro Obedecer
Espremer Escuro Rosa
Escola Drogaria Bebê
Rosa Flor Repolho
Obedecer Centímetro Metal
Fruta Maçã Escola
Repolho Caneta Espremer
apresentado ao participante no máximo seis sets das figuras associadas às cores com suas respectivas evocações, interrompendo o teste se a partir do terceiro set o examinando acertar todas as associações. Após 20 minutos são mostradas somente as figuras e solicita-se ao examinando que novamente relate a cor que acompanhava a figura. O escore é dado para cada resposta correta até o terceiro set 36 totalizando um máximo de 18 pontos para as evocações imediatas e seis pontos para a evocação tardia.
Figura 5 - Imagens ilustrativas e fictícias para explicação do sub teste “Pares visuais
associados”, da Escala Wechsler.
III. Memória Lógica: este teste consiste na leitura de duas histórias curtas, A e B, com várias informações detalhadas dos personagens como nomes, datas, locais e acontecimentos. Ao final da leitura de cada uma das histórias o participante é solicitado a contar a história com suas próprias palavras, utilizando o maior número possível de palavras da história original. Após 20 minutos realizando outros testes o sujeito é novamente requerido a contar as histórias de memória. A pontuação se dá pela similaridade das informações, sendo de 50 pontos no máximo para a memória imediata e 50 pontos para a memória tardia (25 pontos para cada história).
Exemplificação - História A:
Ana / Soares, / do Sul / do Paraná, / empregada / como faxineira / num prédio / de escritórios, / relatou / na delegacia / de polícia / que tinha sido assaltada / na Rua do Estado/ na noite anterior / e roubada / em 150 reais. / Ela disse que tinha quatro / filhinhos, / o aluguel não tinha sido pago / e eles não comiam / há dois dias. / Os policiais / emocionados com a história da mulher / juntaram algum dinheiro / para ela.
Figura 6 – Exemplificação de história utilizada no sub teste “Memória lógica”, da Escala Wechsler.
IV. Memória de Figuras: é dito ao participante que será apresentado uma ou mais figuras geométricas a ele e que depois de um determinado tempo de observação da imagem ele deverá identificar, a seguir, as figuras anteriormente apresentadas entre outras figuras similares. Primeiramente é apresentado apenas uma imagem por cinco segundos para ser posteriormente identificada entre três imagens similares, sendo que apenas uma é idêntica a figura inicial. Em seguida são apresentadas três figuras geométricas por dez segundos que devem ser memorizadas para, em seguida, serem identificadas entre nove figuras parecidas (três dessas idênticas aos originais). Este procedimento é realizado uma vez com uma figura e três vezes com três figuras diferentes. A cada figura identificada corretamente soma-se 1 ponto, totalizando 10 pontos.
Figura 7 – Exemplos ilustrativos e fictícios de figura similares as memorizadas no sub teste “Memória de figuras”.
V. Reprodução de Figuras: neste teste o examinador apresenta um cartão por vez com figuras abstratas e o participante observa a imagem por 10 segundos. Em seguida o examinador retira o cartão da frente do participante. Com lápis, borracha e sulfite A4, o participante deve reproduzir de memória a figura recém apresenta. Não há limite de tempo para a realização do desenho, que pode ser apagado e desenhado novamente, quando o examinando julgar necessário. Esse processo é repetido para 4 figuras, uma após a outra e os desenhos aumentam em complexidade. Após 20 minutos realizando outros testes o participante deve reproduzir as figuras novamente, de memória, sem que os cartões sejam reapresentados. A pontuação se dá por reprodução correta de elementos importantes dos desenhos. A pontuação é dada para memória
imediata e para memória tardia, sendo o valor máximo de 46 pontos para cada uma.
Figura 8 – Exemplo de estímulo a ser memorizado pelo examinando no sub teste “Reprodução de figuras” (Escala Wechsler).
A composição dos escores de Memória Verbal e Memória Visual apresentados nos artigos da sessão “Resultados” foram gerados através da somatória dos subitens de evocação imediata, que foram convertidos em indexes a partir da consulta de dados normativos apropriados para a idade de cada participante. A Memória Verbal é obtida a partir dos subitens Pares verbais associados e Memória lógica, e a Memória Visual a partir de Memória de figuras, Pares visuais associados e Reprodução de figuras.
Rey Auditory Verbal Learning Test (RAVLT) (84): este teste consiste em duas listas de 15 palavras que são lidas pelo examinador, uma por segundo. Primeiramente a lista A é lida pelo psicólogo enquanto o examinando somente as ouve atentamente para que logo após a leitura possa repetir todas as palavras que se lembrar, em qualquer ordem, no tempo de um minuto. Esta lista é repetida cinco vezes, na mesma ordem, com suas respectivas evocações imediatas realizadas pelo examinando. Uma outra lista de interferência (lista B) também com 15 palavras diferentes da primeira lista é lida para o examinando com as mesmas instruções que foram dadas para a primeira lista, com respectiva evocação imediata no tempo também de um minuto. Após a lista de interferência, o examinando é indagado sobre quais palavras da primeira lista ele consegue se lembrar em um minuto, sem que o examinador as leia novamente. A evocação tardia da primeira lista é solicitada após 20 minutos e logo após é lido ao examinando uma lista contendo 50 palavras para que ele reconheça quais
palavras foram ditas previamente na primeira lista, aquela lida e recordada por cinco vezes. Diferentes pontuações são obtidas considerando-se diferentes propósitos da avaliação: aprendizagem (A1 a A5) - número de acertos somados das cinco evocações da primeira lista; interferência (B1) - pontuação consiste no número de palavras corretamente evocadas da segunda lista (máximo de 15 pontos) e evocação tardia (A7) – palavras recordadas da primeira lista após 20 minutos. A lista de reconhecimento pontua as respostas corretas subtraindo-se os falsos positivos (palavras que o examinando disse estar presente na primeira lista que na realidade não estavam).
Lista de Palavras (Rey Auditory Verbal Learning Test)
lista A A1 A2 A3 A4 A5 lista B B1 A6 A7 tambor carteira cortina guarda sino ave café sapato escola forno pai montanha lua óculos jardim toalha chapéu nuvem cantor barco nariz carneiro peru canhão cor lápis casa igreja rio peixe
1min 1min 1min 1min 1min 1min 1min 1min
Total corretas:
Reconhecimento:
Figura 9 – Lista de palavras utilizada no teste Rey Auditory Verbal Learning Test.
sino lar toalha barco óculos
janela peixe cortina estola bota
chapéu lua flor pai sapato
música pino cor Água professor
guarda rua carteira cantor forno
nariz ave canhão Bule ninho
chuva montanha giz nuvem filho
escola café igreja casa tambor
papel asa peru feixe Rapé
QI estimado (WAIS-R)
I. Vocabulário: neste teste o participante deve explicar o significado de uma lista de palavras, uma a uma, como se estivesse dando a denotação de um dicionário. São atribuídos pontos de 0 a 2 para cada uma das palavras, de acordo com a similaridade da definição dada pelo manual do WAIS-R. A pontuação máxima é de 70 pontos.
Exemplo de respostas e respectivas pontuações para palavra “cama”: a) objeto usualmente feito de madeira ou metal, que fica no quarto, com colchão, utilizado para dormir e descansar = 2 pontos; (b) para dormir = 1 ponto.
II. Cubos: são oferecidos cubos ao examinando, todos eles iguais, sendo dois lados vermelhos, dois lados brancos e 2 lados divididos na diagonal, com um lado vermelho e outro branco. Inicialmente o examinador faz uma figura com os cubos e o participante deve reproduzi-la, também com cubos que tem a sua disposição. Depois, o examinador oferece um caderno com as imagens impressas que devem ser reproduzidas, em 2D, e o participante deve reproduzi-las com os cubos. A pontuação se dá através do tempo que o mesmo leva para realizá-las de modo correto (quanto mais rápido maior a pontuação). A pontuação máxima é de 51 pontos.
Teste de Nomeação de Boston (Boston Naming Test):
Consiste em teste para avaliação de alterações de linguagem, mais especificamente a capacidade de nomeação. São apresentadas imagens uma a uma e o examinando tem 20 segundos para dizer o nome correto da imagem. Caso não saiba o nome, o examinador oferece uma pista semântica, dizendo para que a figura ou objeto pode ser utilizado ou significa, e novamente o examinando é inquerido sobre o nome da imagem. Por último, caso ainda não tenha acertado, o examinador oferece uma pista fonêmica, dizendo a primeira sílaba da palavra.
Figura 10 – Exemplo de imagem apresentada no teste de nomeação de Boston. 3.5. Aquisição de Imagens de Ressonância Magnética
As imagens foram adquiridas no aparelho de RM 3T Achieva-Intera PHILIPS®, release 2.6.1.0., no Laboratório de Neuroimagem da UNICAMP de acordo com os seguintes parâmetros:
3.5.1. Imagens de Ressonância Magnética Funcional (RMf)
- Imagens com gradient echo planar ponderadas em T2* enquanto o participante se mantém em repouso com os olhos fechados durante um período de 6 minutos.
As imagens desta etapa foram processadas e analisadas utilizando a ferramenta UF2C (User Friendly Functional Connectivity;
http://www.lni.hc.unicamp.br/app/uf2c/) desenvolvida em nosso laboratório (26), especificado nos artigo 1 e 2, apresentado nos resultados.
3.5.2. Imagens Estruturais
- Imagens de difusão (DTI) axial com 32 direções: 2 mm espessura; Tempo de repetição (TR), 8500; tempo de eco (TE), 60; fator-b, 1000; matriz, 116x115; e “field of view” (FOV), 232x232;
- Imagens coronais, perpendicular ao eixo longo do hipocampo, definido a partir da imagem sagital: (a) imagem ponderada em T2 multi-echo 3mm de espessura; TR, 3300; TE, 30/60/90/120/150; Matriz, 200X176; FOV, 1802X180; (b) Imagem ponderadas em T1 do
tipo “inversion recovery”: 3mm de espessura; TR 3550; TE, 15; tempo de inversão, 400; fator TSE, 7; matriz de 240X229; e FOV 180X180; - Imagens axiais paralelas ao eixo longo do hipocampo: FLAIR (fluid attenuation inversion recovery) com supressão de gordura; 4 mm de espessura;;TR, 12000; TE, 140; matriz, 224x160; e FOV, 220X186; - Imagem volumétrica ponderadas em T1: imagem ponderada em T1 e gradiente eco com voxels isotrópicos de 1mm, adquiridos no plano sagital (1mm de espessura; flip angle, 8°; TR, 7.1; TE, 3,2; matriz, 240x240; e FOV, 240x240;
- Imagem volumétrica ponderadas em T2: imagem ponderada em T2 com voxels isotrópicos de 1,5mm, adquiridos no plano sagital (TR, 1800; TE, 342; matriz, 140X139; e FOV, 210x210;
As imagens estruturais (DTI) foram analisadas no Psychiatry Neuroimaging Laboratory, Brigham and Women’s Hospital, Harvard Medical School, durante doutorado-sanduíche realizado na instituição referida (FAPESP BEPE Processo 2018/05393-4). Os detalhes das análises podem ser encontrados no manuscrito 3 apresentado na sessão “resultados”.
3.6. Análise Estatística
4. RESULTADOS
Capítulo 1, Artigo 1 – Publicado na revista Epilepsy and Behaviour, 2019. A revista não solicita autorização ao autor para inclusão do artigo em tese, desde que não seja publicada comercialmente, como especificado na imagem abaixo.
Patterns of default mode network in temporal lobe epilepsy with and
without hippocampal sclerosis
Tamires Araujo Zanão, Tatila Martins Lopes, Brunno Machado de Campos, Clarissa Lin Yasuda, Fernando Cendes⁎
Laboratory of Neuroimaging, Department of Neurology, University of Campinas– UNICAMP, Campinas, SP, Brazil
a b s t r a c t a r t i c l e i n f o Article history: Received 12 April 2019 Revised 22 August 2019 Accepted 23 August 2019 Available online xxxx
The default mode network (DMN) consists of the deactivation of specific regions during the performance of cog-nitive tasks and activation during resting or mind wandering. Several pieces of evidence indicate the impairment of DMN in patients with mesial temporal lobe epilepsy (MTLE). However, most of these studies combined differ-ent underlying etiologies, failing to disdiffer-entangle the influence of seizures and presence and side of hippocampal sclerosis (HS). We included 119 patients with MTLE divided into right-HS (n = 42), left-HS (n = 46), and mag-netic resonance imaging (MRI)-negative MTLE (n = 31) and controls (n = 59). All underwent resting-state seed-based functional connectivity (FC), with a seed placed at the posterior cingulate cortex (PCC), an essential node for the DMN. To access group inferences, we used an SPM (Statistical Parametric Mapping) full-factorial model to compare patterns of activation using pairwise comparisons among all groups. Our results indicate a different pat-tern of DMN FC when controlling for side and presence of HS. The group with right-HS had increased FC in the left angular gyrus and the left middle occipital gyrus, when compared to controls, and increased FC of the left campus when compared to the group with left-HS. The MRI-negative group had increased FC of the left hippo-campus, left ventral diencephalon, and left fusiform gyrus as compared to left-HS, but did not show any areas of reduced FC compared to controls. By contrast, the group with left-HS did not show areas of increased FC com-pared to controls or the right-HS and had reduced FC in the left hippocampus comcom-pared to controls. Hence, the right-HS presented increased FC in areas related to the DMN in the left hemisphere; the MRI-negative group also showed increased FC in left-sided structures close to temporal lobe when compared to left-HS, probably indicat-ing engagement in a compensatory system. In a subanalysis considerindicat-ing only the MRI-negative with left-sided EEG (electroencephalogram) subgroup, we found differences against controls, with left angular gyrus more con-nected in thefirst group, but no significant differences when compared to the group with left-HS. We conclude that the origin of seizures on the left hemisphere seems to engender a less prominent capacity of recruiting other neighbor areas related to DMN as compared to right-HS and controls. Considering recent studies that have revealed the importance of DMN for cognitive skills and memory, ourfindings may indicate that deficiencies exhibited by patients with left-HS temporal lobe epilepsy (TLE) in connecting to the DMN could be a surrogate marker of their known worse neuropsychological performance. Further studies with direct comparisons between cognitive tests and FC within the DMN are needed to validate thesefindings, especially for MRI-negative patients. This article is part of the Special Issue“NEWroscience 2018”
© 2019 Elsevier Inc. All rights reserved.
Keywords:
Temporal lobe epilepsy Default mode network
MRI-negative temporal lobe epilepsy Hippocampus
Neuroimage
1. Introduction
It is not surprising that recent studies have been investigating differ-ent brain networks in mesial temporal lobe epilepsy (MTLE) given the widespread, extratemporal structural, and functional alterations
observed in these patients[1,2]. One particular network, the default mode network (DMN)[3–5], has been the focus of interest since the temporal lobe is vastly connected with this system; and hippocampus has both structural and functional connectivity to the posterior DMN
[3,6–9]. Default mode network itself encompasses medial prefrontal and medial, lateral, and inferior parietal cortices, cerebellum, precuneus, and the mesial temporal lobe[3,6]; and it is characterized to be more connected during introspective thoughts, as the theory of mind, daydreaming, and imagination and less connected during oriented tasks[1–3].
⁎ Corresponding author at: Department of Neurology FCM, UNICAMP Cidade Universitária, Campinas, SP 13083-887, Brazil.
E-mail address:fcendes@unicamp.br(F. Cendes).
https://doi.org/10.1016/j.yebeh.2019.106523
1525-5050/© 2019 Elsevier Inc. All rights reserved.
Epilepsy & Behavior
j o u r n a l h o m e p a g e :w w w . e l s e v i e r . c o m / l o c a t e / y e b e h
Please cite this article as: T.A. Zanão, T.M. Lopes, B.M. de Campos, et al., Patterns of default mode network in temporal lobe epilepsy with and without hippocampal sclerosis, Epilepsy & Behavior,https://doi.org/10.1016/j.yebeh.2019.106523
in specific nodes of the DMN in patients with MTLE. While the general functional connectivity showed decreased activity within the DMN, areas as the posterior cingulate cortex (PCC) and right middle frontal cortex were hyperconnected compared with healthy subjects[5]. In ad-dition, connectivity analyses with different techniques detected abnor-mal interactions between DMN and other networks in patients with MTLE[10–12].
Also, other pathologies as Alzheimer's disease and schizophrenia that also have temporal lobe injuries have been proven to present DMN deficiencies[13,14]. Overall, given the important connections be-tween hippocampus and key structures of DMN[3,6,15,16], it is tempt-ing to speculate that the DMN impairment observed in MTLE could be associated with cognitive impairments of higher-order brain functions. Although some studies have disclosed DMN abnormalities in MTLE, most combined different underlying etiologies, failing to evaluate pa-tients with and without hippocampal sclerosis (HS) separately. Also, quite a few have analyzed the impact of the side of hippocampal atro-phy on DMN alterations. Specifically, in MTLE associated with HS[15], side of hippocampal atrophy plays a key role in cognitive performance
[6]; and understanding how the DMN function is affected by MTLE lat-eralization may bring enlightenment. Hippocampus is known for having an important role in memory consolidation, declarative memory forma-tion, episodic memory, and spatial representation[17]; and because of the epileptic activity and the subsequent hippocampal cell loss, the ma-jority of patients with MTLE suffer from anterograde memory deficits
[18]. These learning and memory impairments are side-related of the epileptogenic focus, with left-sided hippocampal damage affecting mainly language and verbal abilities and right-sided damage being re-lated mostly to nonverbal memory impairments[19,20]. Besides the side specificity of left and right hippocampus, several studies indicate that left HS has more severe cognitive damage than right HS[21–23]. Furthermore, little is known about magnetic resonance imaging (MRI)-negative MTLE, even with this group corresponding to an impor-tant proportion of patients with MTLE. Despite the extensive literature on electrophysiological, neuropathology, and surgical data in MTLE
[24], there is still a lack of studies that aimed to characterize DMN pat-terns considering the presence and side of HS. In the present study, we used resting-state seed-based connectivity method to analyze the DMN. To identify the DMN, we placed a seed in the PCC, which was pre-viously described as an essential node for the DMN[16,25]. To investi-gate the impact of both side and presence of MRI-defined HS in the DMN, we divided the patients with MTLE into unilateral right-HS, uni-lateral left-HS, and MRI-negative (MTLE without HS). Our objective was to characterize the DMN changes that are intrinsic to MRI-negative patients and unilateral right and left HS, and our main hypothesis was that DMN would be disrupted in patients with MTLE, presenting differ-ent patterns according to the presence, side, or absence of HS. 2. Materials and methods
2.1. Subjects
We included 128 patients with MTLE, but three right-HS, four left-HS, and two MRI-negative were excluded because of fMRI acquisition spatial discrepancies that could affect the accuracy of our data during image processing. Therefore, we analyzed 119 patients (age range: 21–70, 79 females, mean age of 46 years) divided into right-HS (n = 42) and left-HS (n = 46) and MRI-negative (n = 31) (Table 1). They were recruited at the outpatient epilepsy clinic, University of Campinas - UNICAMP (Campinas - São Paulo, Brazil). As almost 55% of MRI-nega-tive patients were left-sided (17/31) by EEG (electroencephalogram), we performed separated comparisons with this subset too. From the 69 healthy controls enrolled, we excluded nine because of spatial
discrepancies in the fMRI acquisition; thus, a total of 59 controls were included (age range: 23–63, 37 females, mean age of 44 years).
All patients had ictal semiology described by a close relative or docu-mented by the medical staff during regular visits or video-EEG monitor-ing. In addition, all had clinical, and EEG features consistent with the diagnosis of MTLE according to the International League Against Epilepsy classification[26], and had no otherfindings suggesting extratemporal
MRI-neg group
1
Left temporal Left
2
Right temporal Right
3
Right temporal Right
4
Left temporal Left
5
Left temporal Left
6
Left temporal Left
7
Left temporal Left
8
Left temporal Left
9
Left temporal Left
10
Left temporal Left
11
Left temporal Left
12
Temporal Undefined
13
Left temporal Left
14
Temporal Undefined
15
Left temporal Left
16
Temporal Undefined
17
Right temporal Right
18
Temporal Undefined
19
Temporal Undefined
20
Left temporal Left
21
Right temporal Right
22
Left temporal Left
23
Left temporal Left
24
Temporal Undefined
25
Left temporal Left
26
Temporal Undefined
27
Left temporal Left
28
Left temporal Left
29
Temporal Undefined
30
Right temporal Right
31
Right temporal Right
Undefined: Patients had bitemporal EEG abnormalities or rare EEG changes over either temporal lobe that did not permit clear lateralization.
Please cite this article as: T.A. Zanão, T.M. Lopes, B.M. de Campos, et al., Patterns of default mode network in temporal lobe epilepsy with and without hippocampal sclerosis, Epilepsy & Behavior,https://doi.org/10.1016/j.yebeh.2019.106523
gists from our epilepsy center, independently of the MRI diagnosis. Video-EEG was performed in a subset of patients, duringfive consecutive days and repeated during anotherfive days if seizures were not recorded. Withdrawal of the antiepileptic drug (AED) was individualized depend-ing on the type of AED, seizure frequency and type, and the presence of generalized tonic–clonic seizures and comorbidities. The following criteria were met: (1) the clinical manifestations were indicative of MTLE, including stereotyped focal seizures with déjà vu or epigastric sen-sation, associated or not with fear and other autonomic symptoms (auras), followed by impaired awareness seizure, some with motor symp-toms consisting of staring and oral automatisms, accompanied or not by hand automatisms and contralateral arm dystonia; (2) the EEGs during wakefulness showed no clear-cut epileptiform abnormalities outside the temporal lobe electrodes; and (3) there were epileptiform EEG abnormal-ities over temporal regions on interictal EEGs.
The HS was defined by visual MRI analysis and confirmed by hippo-campal volumetry as described previously[28]. Hippocampal sclerosis signs were defined as hippocampal atrophy, hyperintense T2 Fluid-At-tenuated Inversion Recovery (FLAIR) signal, and other MRI signs of HS, including loss of internal architecture in the hippocampus[15]. All sub-jects included are literate Brazilian Portuguese native speakers and were submitted to structural and functional brain imaging. The UNICAMP ethical committee approved the study, and all participants signed informed consent forms.
2.2. Interventions 2.2.1. MRI data
All images were acquired with a 3 T Philips Achieva (Philips, Best, the Netherlands) at the Neuroimaging Laboratory - LNI, UNICAMP, with an eight-channel head coil.
2.2.1.1. Functional images. Subjects were instructed to keep their eyes closed and to avoid goal-oriented thoughts. They underwent to an echo-planar image (EPI) acquisition with isotropic voxels of 3 mm, axial plane with 40 slices, no gap, matrix = 80 × 80,flip angle = 90°, repetition time (TR) = 2 s, echo time (TE) = 30 ms (6 min scan), resulting in 180 dynamics.
2.2.1.2. Structural images. The MRI protocol included 3D-T1 weighted images (isotropic voxels of 1 mm for reconstruction in any plane, ac-quired in the sagittal plane; 180 slices, 1 mm thick,flip angle = 8°, TR = 7.0 ms, TE = 3.2 ms, matrix = 240 × 240), T2 weighted multi-eco coronal images (voxel sizes: 0.9 × 1 × 3 mm, TR = 3300 ms, TE = 30/ 60/90/120/150 ms, matrix = 200 × 180), as well as 3 mm thick coronal T1-inversion recovery perpendicular to the long axis of hippocampus (voxel sizes: 0.7 × 0.7 × 3 mm, TR = 3550 ms, TE = 15 ms, IR delay = 400 ms, matrix = 240 × 230) and FLAIR coronal and axial images (voxel sizes: 1 × 1 × 4 mm, TR = 11,000 ms, TE = 150 ms, IR delay = 2800 ms, matrix = 232 × 192 for both plans).
2.2.2. Image processing
Image preprocessing, analysis, and statistical inferences were per-formed using the UF2C toolbox (http://www.lniunicamp.com/uf2c/) standard pipeline[29]. The toolbox runs within MATLAB MATLAB 2014b (The MathWorks Inc) with SPM12 (Statistical Parametric Map-ping 12,http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/). Briefly, the preprocessing was based on functional images realignment to thefirst image, spatial coregistration between the functional mean image and the T1 weighted image (T1WI), tissue segmentation and bias correction, T1WI and fMRIs normalization to the Montreal Neurological Institute template (MNI) 152 template, and fMRI smoothing (6 × 6 × 6 mm3at the full width at half maximum (FWHM)). Sequentially, the postprocessed fMRIs were
detrended (to remove for linear trends), regressed for the six realign-ment parameters and white matter and cerebrospinalfluid (CSF) global signals, andfinally filtered (bandpass filter, 0.008–0.1 Hz)[29]. To guar-antee for seed positioning and resultant maps spatial reproducibility, we performed additional postprocessing steps in the UF2C toolbox to exclude outliers as described in the Supplemental data.
2.2.3. Seed-based functional connectivity
The seed-based method consists of selecting regions of interest (ROI) and correlating the time-series signals of the ROI with the rest of the brain. Blood-oxygen-level dependent (BOLD) similarity and syn-chronicity between different gray matter areas indicate positive correla-tion[30–32], generating individual statistical maps. To obtain individual DMN maps (first-level analysis), a seed (1 cm3) was placed at the PCC (MNI coordinate: 0,−51, 15) (Fig. 1). For the ROI time-series extrac-tion, UF2C[29]used the average time series of all ROI voxels that matched the two following consecutive criteria: i) being included in the subject Gray matter (GM) mask and ii) if its correlation with the av-erage time series is higher than the avav-erage minus the standard devia-tion of all correladevia-tions between the ROI-masked voxels[29]. With the outliers' exclusion and these two cumulative procedures, we guarantee reliable functionally representative ROI average time series and consis-tent PCC-related DMN maps. To access group inferences (second-level analysis), SPM full-factorial model was used to compare patterns of ac-tivation for each group and between them. Twelve main comparisons were defined, between all pair combinations of groups (right-HS × con-trols; controls × right-HS; left-HS × concon-trols; controls × left-HS; MRI-negative × controls and controls × MRI-MRI-negative; left-HS × right-HS; right-HS × left-HS; left-HS × MRI-negative; MRI-negative × left-HS; right-HS × MRI-negative; MRI-negative × right-HS). All results reported were thresholded with an initial uncorrected voxel-level alpha of 0.001 and subsequent data-drivel cluster-level threshold of 0.05 false discov-ery rate (FDR) corrected (MRIcroGL:www.mccauslandcenter.sc.edu/ mricrogl/home).
Fig. 1. In blue, seed-based placed at PCC and in yellow/red, the correlations of this ROI with other brain regions. The darker colors indicate stronger similarities in BOLD between PCC and the whole brain. (For interpretation of the references to color in thisfigure legend, the reader is referred to the web version of this article.)
Table 2
Demographic and clinical information.
Right HS Left HS MR-negative Controls Gender (female/male) 31/11 30/16 18/13 37/22 Age 46.45 ± 9.02 45.37 ± 10.07 46.35 ± 12.4 43.64 ± 11.38 School years 7.6 ± 4.23 7.3 ± 4.2 9.35 ± 4.40 10.56 ± 3.68 Duration of epilepsy (years) 29.6 ± 13.17 32.4 ± 12.2 28.42 ± 13.66 n/a Total 42 46 31 59
Right-HS; right temporal lobe epilepsy, left-HS; left temporal lobe epilepsy, MR-negative; magnetic resonance imaging negative, SD; standard deviation.
Please cite this article as: T.A. Zanão, T.M. Lopes, B.M. de Campos, et al., Patterns of default mode network in temporal lobe epilepsy with and without hippocampal sclerosis, Epilepsy & Behavior,https://doi.org/10.1016/j.yebeh.2019.106523
