TP1 EEG e MEG Biofísica Molecular 2012-2013 - Moodle

Cadeira de Biofísica Molecular
Teórico-Práticas 1 e 2
Paula Tavares, FCUL (2012-2013)
1
A cartografia funcional do encéfalo humano
Identificar a função das áreas
encefálicas:
• estímulos analisados.
• informação processada.
fMRI Images
In scan 1, a subject is asked to remember a face. Areas at the rear
of the brain that process visual information are active during this
task, as is an area in the frontal lobe.
In scan 2, the subject is asked to "think about this face."
Surprisingly, the hippocampus is activated - the first time this has
been documented. The hippocampus was already known to be
important for memory, but these results show that this part of the
brain is specifically active during the time when we are
remembering new information.
In scans 3 and 4, the subject was asked to compare another face to
the remembered face. Some of the same visual areas are activated
as during the initial memory task, but other areas, such as part of
the frontal lobe, are involved in making a decision about the
memory.
Credit: Mark D'Esposito and Charan Ranganath Department of
Psychology & Helen Wills Neuroscience Institute University of
California, Berkeley (2000).
http://www.berkeley.edu/news/media/releases/2000/11/20_mri.ht
ml
2
Neuroimagem Funcional
Detecta variações da actividade neuronal durante a execução de tarefas
mentais pré-definidas. O aumento da actividade neuronal numa determinada
área encefálica durante um processo mental é interpretado como
envolvimento dessa área nesse processo ou noutros que lhe são auxiliares.
Aumento
actividade
eléctrica
Activação
duma
Área
Encefálica
Aumento
fluxo
sanguíneo
Aumento
volume
sanguíneo
Electroencefalografia (EEG)
Magnetoencefalografia (MEG)
Aumenta a
oxihemoglobina
desoxihemoglobina
Imagem por Ressonância Magnética
Funcional (fMRI)
Tomografía de Emissão de Positrões (PET)
Tomografía de Emissão de Fotão Único (SPECT)
3
Electroencefalografia
Em 1929, Hans Berger reportou um
conjunto, na altura controverso de
resultados experimentais, nas quais ele
mediu a actividade eléctrica do cérebro
humano ao colocar um eléctrodo no escalpe,
amplificar o sinal, e representá-lo em termos
de alteração de potential ao longo do tempo
(o electroencefalograma).
4
Electroencefalografia
O EEG representa uma mistura de centenas ou
milhares de diferentes fontes neuronais de
actividade eléctrica – isso complica a
identificação dos processos cognitivos
individuais que estão na origem dessa
actividade.
Mede-se a actividade eléctrica dos indíviduos em
duas situações:
(1) Actividade espontânea – a pessoa pode
estar acordada ou a dormir enquanto o EEG
está a ser medido.
(2) Actividade evocada – nestas circunstâncias
são apresentados estímulos ao indivíduo,
aos quais tem de prestar atenção e/ou tomar
decisões. Os sinais daí resultantes chamamse event-related potentials (potenciais
evocados).
5
Electroencefalografia
Rossion et al., 1999, Biol Psychol, 50:173-189.
6
Electroencefalografia – Actividade Evocada
50 imagens de cada
categoria.
Os gráficos
apresentados são a
média, em cada instante
de tempo, do valor de
potencial registado no
eléctrodo em causa,
para as 50 imagens da
categoria.
As ondas ERP resultantes consistem numa
sequência de deflecções do potencial, positivas e
negativas a que se chamam picos ou componentes.
P e N indicam se o pico é positivo ou negativo. O
número pode indicar a posição do pico na onda
ERP (1º, 2º, 3º, etc) ou a latência (instante tempo,
a partir da apresentação do estímulo, em que o
pico atinge a sua amplitude máxima).
7
Electroencefalografia – Actividade Evocada
Itier and Taylor, 2004, Cerebral Cortex, 14: 132-142.
8
Electroencefalografia – Actividade Evocada
Os picos podem ser exógenos ou endógenos.
Os picos exógenos são influenciados pelos parâmetros dos estímulos, como a
luminância. Ex. P100.
Os picos endógenos são influenciados por factores que dependem completamente da
tarefa. Ex. P300.
Exemplos de picos associados com estímulos visuais
C1 Polaridade variável. Aparentemente gerada em V1. Onset ~50 ms. Peak ~90 ms.
P1 Possíveis geradores em MOG and FG. Onset ~75 ms. Peaks ~115 ms.
N1 Peaks ~125 ms. Possíveis geradores na parte
lateral do córtex occipital e córtex parietal.
Influenciada pela atenção espacial. Dependente
tarefa. Amplitudes mais elevadas em tarefas
discriminatórias por comparação com tarefas de
detecção.
N170 Peaks ~170 ms. Geradores extraestriados.
9
Electroencefalografia – Actividade Evocada
O P300 é o exemplo típico dum pico
endógeno.
• É sensível à probabilidade de aparecimento
do alvo: a amplitude aumenta quando a
probabilidade diminui.
• É sensível ao contexto local: a amplitude
aumenta quando o alvo é precedido por um
número maior de não alvos.
Vogel et al. (1998) Journal of
Experimental Psychology. 24: 1656-1674.
• O que interessa é a probabilidade da classe a
que pertence o alvo e não a probabilidade do
•estímulo físico em si. Por exemplo, se se pedir
às pessoas que detectem nomes femininos
embebidos em sequências de nomes
masculinos, o que é relevante é a probabilidade
de aparência da classe e não dum nome em
particular.
10
Electroencefalografia – Actividade Espontânea
A actividade espontânea do cérebro é medida em várias condições, daí
resultando o aparecimento de frequências características no EEG.
O EEG de uma pessoa pode ter tipicamente 5 tipos de frequências:
•Delta (< 3.5 Hz) Walter
(1936)
•Teta (entre as 4-7.5 Hz)
Walter (1936)
•Alfa (entre as 8-13 Hz)
Berger (1929)
•Beta (entre 14-30 Hz)
Berger (1929)
•Gama (> 30 Hz) Jasper
and Andrew (1938)
11
Ondas delta e teta
A classificação actual das fases do sono
(Dement and Kleitman, 1957) divide-o
nas seguintes fases:
• Sonolência (1) – Ondas alfa
diminuem, aparecem ondas teta.
• Sono leve (2) – Caracterizado pela
aparência de complexos K e sleep
spindles.
• Sono pesado e muito pesado (3 e 4) –
Caracterizado pelas ondas delta.
• Sono REM (Rapid Eye Movement)–
ocorre dessincronização do EEG com o
aparecimento de frequências mais
rápidas como as ondas alfa.
12
Ondas alfa e beta
O ritmo alfa (< 100 µV) é caracterizado por ondas sinusoidais, uma minoria
das quais tem um formato aguçado. O ritmo alfa distribui-se na parte posterior
do cérebro, nas regiões occipital, parietal e temporal.
O ritmo alfa é bloqueado pelo influxo de luz (olhos abertos), estímulos vários e
actividade mental. Aparece associado a um estado acordado e relaxado.
O ritmo beta (< 30 µV) é encontrado nos eléctrodos frontais e centrais. É
comum em praticamente todos os adultos saudáveis, de olhos abertos,
submetidos a estímulos externos ou numa actividade mental.
Pensa-se que os geradores do ritmo alfa são corticais (embora já tinha sido
proposta uma origem talâmica), com máximo envolvimento da área occipital.
Existem geradores do ritmo beta no córtex sensorimotor (Jensen et al, 2005,
13
Neuroimage, 26: 347-355).
Origem do EEG
Existem dois tipos principais de actividade
eléctrica associada com os neurónios, potenciais
de acção e potenciais pós-sinápticos.
Camada molecular
Camada granular
Os potenciais de acção produzem variações
deexterna
potencial discretas que viajam do começo do
Camada piramidal externa
axónio até à sinapse, onde são libertados os NT.
Os potenciais pós-sinápticos produzem variações
de potencial quando os NT se ligam aos
Camada piramidal interna
receptores da membrana pós-sináptica,
Camada polimorfa
provocando a abertura ou fecho de canais iónicos,
e conduzindo a uma variação gradual do potencial
através da membrana.
Camada granular interna
Células horizontais
de Cajal
(Células piramidais)
(Células
estreladas ou granulares)
Célula de Martinotti
Célula Fusiforme
Os eléctrodos de superfície não conseguem
detectar os potenciais de acção devido à sua curta
duração e ao arranjo espacial dos axónios.
14
Origem do EEG
Quando um potencial de acção é gerado, a corrente flui rapidamente para dentro
(Na+) e para fora (K+) num determinado ponto do axónio. Este tipo de fluxo propagase ao longo do axónio de tal maneira que a porção seguinte de axónio se encontrará
com uma distribuição iónica diferente da anterior, e assim sucessivamente até o
potencial de acção atingir a terminação nervosa.
Se dois neurónios enviarem os seus potenciais de acção ao longo de axónios dispostos
paralelamente, e se o potencial de acção ocorrer ao mesmo tempo, as variações de
potencial de ambos os neurónios sumar-se-ão.
Mas se pelo contrário houver um ligeiro desfasamento no disparo dos neurónios,
porções adjacentes dos axónios poderão ter cargas externas distintas, uma positiva,
outra negativa, que tendem a cancelar-se. É isso que tipicamente acontece, pelo que o
15
sinal de EEG não resulta da combinação dos potenciais de acção.
Origem do EEG
Os potenciais pós-sinápticos duram
de dezenas a centenas de ms.
Confinados às dendrites e corpo
celular. Estes factores permitem que
os potenciais deles resultantes se
somem e se consigam medir a grande
distância – sobre o escalpe.
Se um NT excitatório for libertado
nas dendrites da célula piramidal, a
corrente flui do espaço extracelular
para o espaço intracelular, fazendo
com que a parte exterior da célula
fique negativa nessa zona
comparativamente ao restante espaço
extracelular. Isso dá origem a um
dipolo.
16
Origem do EEG
O dipolo produzido por um único neurónio é
demasiado pequeno, pelo que sería impossivel
detectá-lo a partir dum eléctrodo colocado sobre
o escalpe.
Mas em certas condições estes dipolos somamse, e torna-se possível medir o potencial
resultante na superfície do escalpe. Para isso as
variações de potencial tem de ocorrer
simultaneamente e na ordem dos milhares a
milhões de dipolos de neurónios individuais,
devidamente alinhados espacialmente.
Se os neurónios estiverem orientados
aleatóriamente uns em relação aos outros, a
positividade de um neurónio cancelará a
negatividade de outro neurónio. As células mais
bem posicionadas para isso não acontecer são as
células piramidais, dispostas paralelamente
entre si e perpendiculares à superfície do córtex.
17
Origem do EEG
A sumação dos neurónios individuais é
complicada pelo facto do córtex não ser plano,
e enrolar-se sobre si próprio – 2/3 do córtex
encontram-se no interior dos sulcos.
A soma de muitos dipolos é equivalente a um
único dipolo formado pela soma dos vários
dipolos (tendo em conta o ângulo que formam
uns com os outros). Isso dá origem ao
Equivalent Current Dipole.
No entanto, quando os dipolos individuais
fazem mais do que 90º entre si começam a
cancelar-se. Assim, em superfícies corticais
extremamente enroladas, os dipolos cancelamse uns aos outros e o potencial à superfície é
nulo. Isto acontece com o cerebelo.
40 ×
http://biology.clc.uc.edu/fankhauser/Labs/Anatomy_&_Physiology/A&P202/CNS_Histology/Brain_Histology.htm
18
Origem do EEG
Quando um dipolo se encontra presente num meio
condutor tal como o cérebro, a corrente é conduzida
através do meio até aos seus limites (neste caso o
escalpe). A isto se chama condução de volume.
O potencial em cada ponto da superfície do escalpe
irá depender da posição do dipolo, da orientação do
dipolo e da resistência dos vários componentes da
cabeça ao fluxo de corrente.
Como se pode ver a corrente espalha-se
em círculos à volta do dipolo gerador, e
tende a seguir os percursos de menor
resistência. Na figura ao lado observase como o mesmo dipolo gera
diferentes distribuições de potencial
dependendo do meio que atravessa.
Volume currents for a thalamic dipole source computed in the
finite element volume conductor model and visualized on a coronal
cut through the models. Wolters et al, 2006, NeuroImage, 30:81319
826.
Localização das fontes do EEG
Problema directo (forward problem)
Calcular, a partir dum dipolo conhecido
(ponto de aplicação, amplitude, direcção e
sentido), a distribuição de potencial que se
observa à superfície do escalpe.
Problema inverso (inverse problem)
Calcular, a partir duma distribuição de
potencial registada por eléctrodos à
superfície do escalpe, o ou os dipolos que a
geraram.
The 3-layer head
model, dipole source,
and resulting brain and
scalp potentials. The
scale of the scalp
potential is 1/10th of
the scale of the brain
potential.
http://peili.hut.fi/BEM/e
xamples.html
O problema inverso é um problema
indeterminado. Ou seja, é infinito o número
de soluções possíveis para uma dada
distribuição de potencial. Portanto, é
impossível saber qual é a solução que gerou
os resultados experimentais que foram
recolhidos (Helmholtz, 1853).
20
Localização das fontes do EEG
Se só um dipolo estivesse presente (e
não houvesse ruído), ou seja, se a
distribuição de potencial registada num
instante de tempo X ms após o
estímulo, fosse devida à activação duma
área cortical limitada, seria possível
determinar os pârametros que permitem
caracterizar o dipolo.
Para isso, comparar-se-ía a distribuição
de potencial gerada à superfície por um
um dipolo pré-definido com a
distribuição de potencial medida
experimentalmente, e ajustar-se-ía os
parâmetros do dipolo pré-definido até
anular a discrepância entre as duas
distribuições.
21
Localização das fontes do EEG
Equivalent current dipole category
O brain electric source analysis (BESA) é
um exemplo deste tipo de algoritmos.
Assume que a distribuição de potencial
pode ser gerada por um número < 10 de
dipolos.
O algoritmo começa por colocar os
dipolos em locais e orientações prédefinidas, mas de amplitude
desconhecida.
Numa primeira fase, o modelo atribui amplitudes a este conjunto de dipolos de
maneira a gerar um distribuição inicial o mais parecida com a experimental.
Numa segunda fase, através de várias iteracções, ele ajusta os parâmetros de
cada um dos dipolos até optimizar a distribuição final de dipolos.
22
Localização das fontes do EEG
Distributed Source Category
O método low-resolution electromagnetic
tomography (LORETA) é um exemplo deste
tipo de algoritmos.
Realiza-se uma MRI estrutural ao voluntário,
que é utilizada para diferenciar o córtex (onde
se encontram as fontes) do restante cérebro.
O córtex é depois parcelado em inúmeros voxeis. A cada voxel associam-se três
dipolos perpendiculares entre si.
O algoritmo calcula o conjunto de amplitudes que melhor se adequam à
distribuição experimental de potenciais.
Como existem mais vóxeis do que medições de potencial, constrangimentos
adicionais são impostos ao algoritmo de maneira a encontrar-se uma solução.
No exemplo do LORETA, assume que o potencial varia gradualmente através
do cérebro e através da superfície cortical.
23
Localização das fontes do EEG
17 adultos saudáveis
Observaram fotografias de casas e de rostos
humanos.
Duas experiências independentes: fMRI e
EEG.
• Os cluster de activação obtidos
por EEG são maiores que os
obtidos por fMRI.
• O número de vóxeis
sobrepostos é pequeno.
24
Comparação EEG com as outras técnicas
2-3 mm
> 2 s fMRI
> 1 min PET
1 ms
25
Magnetoencefalografia
A magnetoencefalografia permite
medir o campo magnético resultante
da actividade cerebral. Tal como a
EEG, permite medir quer a
actividade espontânea, quer a
actividade evocada.
Foi o físico holandês Christian
Ørsted (XIX) que descobriu que
correntes eléctricas induzem
campos magnéticos.
A Lei de Biot-Savart permite
calcular campo magnético gerado
por uma corrente eléctrica.
r µ 0 idsr × rr
dB =
⋅
4π
r3
26
Magnetoencefalografia
Tal como acontece
com a EEG, o sinal
de MEG resulta da
actividade póssináptica (mais
longa, os sinais não
se cancelam).
Um dipolo eléctrico está sempre rodeado dum campo magnético, e estes campos
somam-se da mesma forma que se somam as d.d.p.
Ao contrário do que acontece com as d.d.p., o tecido vivo e o crânio são
transparentes ao magnetismo, e consequentemente os campos magnéticos não
diminuem de amplitude por acção dos componentes do cérebro. Isto faz com que
a MEG tenha maior resolução espacial da que é possível com os potenciais
eléctricos.
Mede-se em MEG o event-related magnetic field (ERMF).
27
Magnetoencefalografia
As primeiras medições de MEG foram feitas por
David Cohen (1968) na Universidade de Illinois
utilizando para isso uma espira de cobre – e feitas
no interior dum quarto blindado.
Quarto blindado porque os campos magnéticos
produzidos pela actividade cerebral (pico Tesla) são
muito pequenos em comparação com os campos
magnéticos gerados pelos competidores (toda a
espécie de aparelhos eléctricos e fios condutores, e
ainda o campo magnético terrestre ).
28
Magnetoencefalografia
O desenvolvimento do SQUID
(superconducting quantum
interference device) e a sua aplicação à
medição de sinais biológicos
(Zimmerman e colegas, década de 70)
marcaram o começo da era da MEG tal
como hoje a conhecemos. Estes
sensores convertem o fluxo de campo
magnético numa corrente eléctrica.
Comparação de EEG e de MEG:
• A MEG não depende de um ponto de referência, como a EEG no qual todas as
d.d.p. são medidas por comparação com um eléctrodo de referência.
• A MEG só é sensível a dipolos de correntes tangentes à superfície do córtex
(devido à orientação dos SQUID em relação ao escalpe), ao contrário de EEG que
é sensível a todas as orientações.
• Inomogeneidades eléctricas concêntricas são insensiveis para o MEG mas
afectam consideravelmente o sinal de EEG.
29
Magnetoencefalografia
Medição da actividade cerebral
com MEG de 18 participantes
saudáveis enquanto eles
realizaram três experiências:
Pre-feedback: Observar rostos
e decidir se as pessoas são
flexíveis ou determinadas.
Feedback (20 min): Observar rostos e decidir se as pessoas são flexíveis ou
determinadas. Após resposta do voluntário era dado um feedback sobre se a resposta
tinha sido correcta ou incorrecta (dependendo da distância entre os dois olhos –
informação desconhecida para o voluntário).
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Post-feedback: Observar rostos e decidir se as pessoas são flexíveis ou determinadas.
Magnetoencefalografia
Em termos
comportamentais os
voluntários não alteram a
suas respostas em função
da fase de feedback.
Mean ERF (event-related magnetic field ) difference between large and
small inter-eye distance faces in pre-feedback (top) and post-feedback
(bottom) phases.
Lateral
temporal
Orbitofrontal
Pólo
temporal
Três áreas corticais são sensíveis à categorização
inconsciente que foi feita na fase de feedback:
Lateral Temporal – Áreas involvidas na
identificação de rostos.
Pólo Temporal – Conhecimento conceptual de
comportamentos sociais.
Orbitofrontal – Associa emoções (positivas ou
negativas) a estímulos.
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