Análise volumétrica de regiões corticais e subcorticais em surdez congénita

Dissertação de mestrado integrado em PsicologiaNeuroplasticity reflects the brain’s capacity to reorganize itself due to different events, including sensory deprivation. The debate over how neuroplasticity emerges and which structures can suffer and regulate neuroplastic changes is still fierce. For instance, it has been shown that in congenitally deaf humans the Auditory Cortex (AC), predominantly on the right hemisphere, can be co-opted to process visual input. But how is this visual information rerouted to AC? Here, we performed a volumetric analysis of cortical and subcortical auditory and visual brains regions in deaf and hearing participants in order to find structures that could be responsible for the neuroplastic changes observed in congenital deaf individuals at the functional and behavioral level. In line with what has been shown before, the Heschl’s Gyrus (i.e., primary AC) in deaf individuals was smaller than in hearing. More importantly, given the right lateralized neuroplastic changes observed in the AC, we show hemispheric asymmetries in the deaf but not in the hearing for the Thalamus and the Inferior Colliculus, such that the right counterpart was larger than the left. These results suggest that subcortical regions like the Thalamus and Inferior Colliculi can be responsible for neuroplastically rerouting visual information to the AC.A neuroplasticidade é um processo que reflete a capacidade do cérebro de se reorganizar. O debate acerca de como a neuroplasticidade emerge e quais as estruturas afetadas por este processo encontra-se ainda em aberto. Estudos mostram que, em humanos com surdez congénita, o Córtex Auditivo (CA), predominantemente no hemisfério direito, pode ser cooptado para processar a informação visual. Mas como é que a informação visual é redirecionada para o CA? Neste estudo foi realizada uma análise volumétrica de regiões cerebrais auditivas e visuais (corticais e subcorticais) em participantes surdos e ouvintes, com o objetivo de encontrar possíveis estruturas responsáveis pelas mudanças neuroplásticas observadas ao nível funcional e comportamental em surdos congénitos. Em termos de resultados, o volume do giro de Heschl (i.e., o CA primário) em indivíduos surdos foi menor que nos ouvintes. Mais importante, dadas as alterações neuroplásticas lateralizadas ao nível do hemisfério direito do CA, foram encontradas assimetrias hemisféricas nos surdos, mas não nos ouvintes, para o Tálamo e o Colículo Inferior, de tal forma que o volume direito era maior que o esquerdo. Estes resultados sugerem que, regiões subcorticais como o Tálamo e o Colículo Inferior, podem ser responsáveis pelo reencaminhamento da informação visual para o CA

Uncovering the interaction between hands and tools: are these categories dissociable

Tese de Doutoramento em Psicologia, especialidade em Neuropsicologia, apresentada à Faculdade de Psicologia e Ciências da Educação da Universidade de Coimbra.Introduction: Cognitive neuroscientists have long been trying to understand how we recognize objects. One of the main avenues of research in this area has been on trying to understand how object knowledge is organized in the brain. Evidence has been reported for the existence of particular brain regions that are highly specialized for the processing of various categories such as hands, tools, faces, and animals. The classical theories focus on the visual properties and object domains to explain the specialization of these brain regions. Nevertheless, these different theories share a major tenet: that conceptual representations are mainly dependent on local computations. However, recent findings suggest that other factors (e.g., connectivity constrains) may play an important role in the functional organization of these regions and that distal computations play a role in local conceptual representation. Most of research in this field has been focusing on brain regions that respond to a single category, but an overlap region (i.e., a region that responds to more than one category) could offer the possibility of looking for dissociating connectivity constrains. Here I focused on two categories that are functionally connected – hands and manipulable objects (i.e., tools) - and that show an anatomical overlap in two regions of the brain, left inferior parietal lobe (IPL) and left lateral occipitotemporal cortex (LOTC). Methodology: In this thesis I applied a multi-method approach, using different techniques such as functional magnetic resonance imaging (fMRI), transcranial direct current stimulation (tDCS), and electroencephalography (EEG). Both univariate and multivariate analyses were used to examine the data, providing for more precise and sensitive results. My main goal was to explore the organizational principles underlying hand and tool representations within the left IPL and left LOTC, and remaining nodes of the category-specific networks. Main results: According to the first fMRI study, both IPL and LOTC have different category-specific connectivity fingerprints - processing within each region is dependent on category-specific connectivity constraints from distal regions that are part of a functional network. The second study (using fMRI and tDCS) shows how we can boost the processing towards one of the categories in an overlap region and thus further expose category-specific connectivity fingerprints. Finally, in the third study (an EEG study), I assessed the temporal dynamics of hand and tool processing and found both differences and similarities in their time-courses. Despite the fact that hands and tools are processed in different ways at different times, they eventually reach a time point where category-specific neural representations of tools are informative of the neural representations of hands. Conclusions: Overall, these results show that, despite the spatial overlap shared by hands and tools, the connectivity fingerprints from those regions depend on the category being processed, revealing the crucial role of distal connectivity in local conceptual representation and overall object representation. The findings here also demonstrate when hand and tool processing diverge and when they converge.Introdução: Os neurocientistas cognitivos há muito que tentam perceber como é que nós reconhecemos os objetos. Uma das principais questões de investigação nesta área tem sido tentar entender como é que o conhecimento sobre objetos está organizado no cérebro. Os dados reportados mostram a existência de regiões cerebrais específicas altamente especializadas no processamento de várias categorias, tais como mãos, ferramentas, faces e animais. As teorias clássicas focam-se nas propriedades visuais e em domínios dos objetos para explicar a especialização destas regiões cerebrais. Ainda assim, estas diferentes teorias partilham um princípio importante: que as representações conceptuais dependem principalmente de computações locais. No entanto, descobertas recentes sugerem que outros fatores (por exemplo, constrangimentos impostos pela conectividade) podem desempenhar um papel importante na organização funcional destas regiões e que as computações distais desempenham um papel na representação conceptual local. A maior parte da investigação neste campo tem-se centrado em regiões cerebrais que respondem a uma única categoria, mas uma região de sobreposição (ou seja, uma região que responde a mais de uma categoria) poderá oferecer a possibilidade de procurar dissociações nos constrangimentos impostos pela conectividade. O trabalho desta tese focou-se em duas categorias que estão funcionalmente ligadas – mãos e objetos manipuláveis (isto é, ferramentas) – e que mostram uma sobreposição anatómica em duas regiões do cérebro, no lóbulo parietal inferior (IPL, do inglês inferior parietal lobule) esquerdo e no córtex occipito-temporal lateral (LOTC, do inglês lateral occipitotemporal cortex) esquerdo. Metodologia: Nesta tese apliquei uma abordagem multi-método, utilizando diferentes técnicas como a ressonância magnética funcional (RMf), a estimulação transcraniana por corrente contínua (ETCC) e a eletroencefalografia (EEG). Tanto a análise univariada como a análise multivariada foram utilizadas para examinar os dados, proporcionando resultados mais sensíveis e precisos. O meu principal objetivo foi explorar os princípios organizacionais subjacentes às representações das mãos e ferramentas dentro do IPL esquerdo e o LOTC esquerdo, assim como das restantes regiões pertencentes às redes neuronais de cada categoria. Resultados principais: De acordo com o primeiro estudo de RMf, tanto o IPL como o LOTC revelam diferentes identidades de conectividade que são específicas para cada categoria – ou seja, o processamento em cada uma das duas regiões depende dos constrangimentos impostos pela conectividade (específicos para cada categoria) provenientes de regiões distais que fazem parte de uma rede funcional. O segundo estudo (utilizando a RMf e a ETCC) mostra como podemos estimular o processamento em direção a uma das categorias numa região de sobreposição e, assim, expor ainda mais as identidades de conectividades específicas para cada categoria. Finalmente, no terceiro estudo (um estudo de EEG), eu avaliei a dinâmica temporal do processamento de mãos e ferramentas e encontrei diferenças e semelhanças nas suas séries temporais. Apesar de as mãos e as ferramentas serem processadas de diferentes formas em diferentes momentos, acabam por chegar a um ponto temporal em que a representação neural específica das ferramentas é informativa da representação neural das mãos. Conclusões: Globalmente, estes resultados mostram que, apesar da sobreposição anatómica partilhada por mãos e ferramentas, as identidades de conectividade dessas regiões dependem da categoria que está a ser processada, revelando o papel crucial da conectividade distal na representação conceptual local e na representação de objetos no geral. Os resultados desta tese demonstram também quando é que o processamento de mãos e de ferramentas diverge e quando é que os dois convergem

Overlapping but distinct: Distal connectivity dissociates hand and tool processing networks

The processes and organizational principles of information involved in object recognition have been a subject of intense debate. These research efforts led to the understanding that local computations and feedforward/feedback connections are essential to our representations and their organization. Recent data, however, has demonstrated that distal computations also play a role in how information is locally processed. Here we focus on how long-range connectivity and local functional organization of information are related, by exploring regions that show overlapping category-preferences for two categories and testing whether their connections are related with distal representations in a category-specific way. We used an approach that relates functional connectivity with distal areas to local voxel-wise category-preferences. Specifically, we focused on two areas that show an overlap in category-preferences for tools and hands-the inferior parietal lobule/anterior intraparietal sulcus (IPL/aIPS) and the posterior middle temporal gyrus/lateral occipital temporal cortex (pMTG/LOTC) - and how connectivity from these two areas relate to voxel-wise category-preferences in two ventral temporal regions dedicated to the processing of tools and hands separately-the left medial fusiform gyrus and the fusiform body area respectively-as well as across the brain. We show that the functional connections of the two overlap areas correlate with categorical preferences for each category independently. These results show that regions that process both tools and hands maintain object topography in a category-specific way. This potentially allows for a category-specific flow of information that is pertinent to computing object representations

Compensatory plasticity in the congenitally deaf for visual tasks is restricted to the horizontal plane

Congenitally deaf individuals, compared to hearing individuals, typically show differential performance (improvements or impairments) on certain nonauditory tasks. Concomitantly, their auditory cortex is recruited to process information from the spared senses. Are these compensatory behavioral strategies equally observable across the sensory fields of each particular unaffected sense (e.g., across the full visual field for vision-related compensatory plasticity)? There are neural data in human and nonhuman mammals that may be suggestive of there being a differential processing advantage for stimuli presented in the horizontal visual plane than in the vertical visual plane. To test for these visual field asymmetries in compensatory behavioral performance, we used a direction of motion discrimination task and found that deaf participants were better at determining the direction of motion of dot patterns presented in the horizontal plane compared to those presented in the vertical plane and in the center-that is, we show that the neuroplasticity-induced bias toward the horizontal plane is also present in the behavioral advantage that deaf individuals present. These data may suggest that the neuroplastically changed auditory cortex of deaf individuals is functionally responsible for the enhanced processing of information from the spared senses. (PsycINFO Database Recor