Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, em 2018O ser humano é diariamente exposto a situações onde é necessária a deteção de movimento. Esta capacidade de deteção da velocidade e direção de um objeto em movimento é considerada vital para a perceção, reação e adaptação a todos os eventos dinâmicos com que nos deparamos no meio ambiente próximo. O middle temporal cortex (hMT+) é conhecido como a região central de processamento e deteção de eventos visuais em movimento, cuja velocidade pode ser descrita como resultado de propriedades inerentes: frequência espacial e temporal. Estudos prévios apresentam resultados conflituosos no que diz respeito ao mecanismo de codificação e resposta a estímulos visuais em movimento. Em primatas foi observada uma predominância de neurónios do MT+ cuja resposta apresenta preferência para combinações específicas de frequências espaciais e temporais. Ou seja, a resposta para estímulos visuais no MT+ é dependente das propriedades da velocidade e não da velocidade em si. Contudo, outros estudos em humanos demonstram exatamente o contrário: a existência de uma resposta preferencial para certos valores de velocidade independentemente das frequências espaciotemporais usadas para gerar tal velocidade. Este projeto tem como objetivo a caracterização da resposta neuronal a estímulos com diferentes frequências espaciotemporais no hMT+ por uso de uma técnica não invasiva, utilizando ressonância magnética funcional de modo a avaliar padrões de ativação BOLD (Blood-oxygen-level dependent). Pretende-se inferir se a resposta das populações neuronais depende da velocidade do estímulo em questão ou das suas componentes (frequência temporal e espacial). As aquisições de resposta BOLD foram feitas num scanner 7 Tesla a voluntários sem patologias durante uma tarefa específica perante um estímulo visual. Este estímulo consistia num alvo subdividido em porções pretas e brancas bem distintas que se expande a partir de um ponto central durante 1 segundo. O estímulo foi repetido em seis scans, cada scan apresentando combinações diferentes de frequências espaciotemporais. O estímulo foi criado via script de MATLAB e é apresentado ao voluntário através da sua reflexão num ecrã espelhado presente junto da porção posterior do voluntário. O primeiro dos seis scans obtido durante a aquisição de scans de ressonância magnética funcional é designado de localizer devido à sua utilização na localização funcional do hMT+ de uma maneira independente e não regressiva. Assim, ao realizar o pré-processamento nestes primeiros scans localizer é possível obter clusters de ativação que representarão a área de estudo dos restantes cinco scans adquiridos. Nos restantes cinco scans de ressonância magnética funcional foram apresentados estímulos com três velocidades diferentes (3 graus/segundo, 9 graus/segundo e 15 graus/segundo), sendo que duas destas velocidades estão codificadas por duas combinações diferentes de frequências espaciais e temporais: 3 graus/segundo é codificado utilizando 1 grau/ciclo e 3 Hz e 3 graus/ciclo e 1 Hz; 15 graus/segundo é codificado utilizando tanto 3 graus/ciclo e 5 Hz como 5 graus/ciclo e 3 Hz. Desta forma, após o pré-processamento da data adquirida e a extração da resposta hemodinâmica e a análise do sinal BOLD podem-se tecer conclusões relativamente ao perfil seguido pelo hMT+. Inicialmente, após extração da resposta hemodinâmica, a média da amplitude da mesma sobre todos os clusters de ativação identificados pelo scan localizer foi calculada e comparada entre os vários scans com diferentes características spaciotemporais. Contudo, não foi conclusivo quer a teoria de um perfil no hMT+ baseado na seleção de frequências espaciotemporais, nem um perfil baseado na seleção de velocidades do estímulo. Contudo, foi possível verificar a existência de certas variações entre as várias respostas hemodinâmicas de cada scan dentro das regiões de interesse criadas pelos localizers. Devido à natureza do projeto (o estudo é efetuado num scanner de 7T com a aplicação de uma coil de superfície capaz de trazer grande resolução espacial e rácio signal-to-noise elevado) foi-nos possível partir para uma análise da amplitude máxima da resposta hemodinâmica em cada voluntário dentro das regiões de interesse (clusters). Ao comparar os máximos da resposta hemodinâmica para cada run foram identificadas diferenças significativas na resposta hemodinâmica entre runs cuja velocidade do seu estímulo visual em movimento é a mesma, simplesmente codificada com combinações diferentes de frequência espacial e temporal. Ou seja, entre os 10 hemisférios cerebrais presentes no estudo (cada scan pode ser dividido por hemisfério, perfazendo os 10 hemisférios mencionados) foi possível observar uma diferença significativa de atividade entre as mesmas velocidades codificadas com frequências diferentes, em pelo menos 7 (na velocidade 3 graus/segundo) e 5 (na velocidade 15 graus/segundo). Esta diferença de resposta em hemisférios expostos à mesma velocidade de estímulos visuais, ainda que insuficiente para uma conclusão acerca do perfil de codificação presente no hMT+, aponta para uma codificação em torno das componentes da velocidade (frequência espacial e temporal). Isto significaria que o córtex temporal médio apresenta preferência para processar estímulos com certas frequências espaciotemporais. Com o intuito de investigar o modo como esta preferência por determinadas frequências espaciais e temporais estaria disposta no hMT+ uma análise de voxel por voxel foi de seguida efetuada. Cada voxel presente nos clusters de atividade identificados pelo scan localizer foi classificado conforme o estímulo visual apresentado que resultaria numa diferença maior de atividade (maior amplitude na resposta hemodinâmica). Após representação dos clusters de atividade em superfícies inflacionadas representativas do córtex individual do voluntario foi possível tecer considerações acerca da presença de um mapa geral para a preferência de frequências espaciais e temporais especificas dentro do hMT+. Deste modo foi-nos possível identificar uma organização espacial dentro do hMT+ com possibilidade de separação do mesmo em subáreas previamente sugeridas noutros estudos mesentéricos do córtex visual: MT (área médio temporal) e MST (área superior temporal). Estes resultados vão contra as conclusões retiradas de estudos prévios em torno do hMT+ com uso de ressonância magnética funcional: Chawla et al e Lingnau et al. Contudo, no caso de Chawla et al, as diferentes conclusões podem ser justificadas pela natureza dos estímulos utilizados durante o seu estudo (pontos em movimento aleatório). Este tipo de estímulos é conhecido por não permitir selecionar a frequência espacial nas várias velocidades demonstradas nos estímulos, eliminando a possibilidade de fazer conclusões quanto ao perfil de codificação baseado em frequência do hMT+. No caso de Lingnau et al. o paradigma para adaptação foi baseado em estímulos de pouco contraste o que leva a que outras populações neuronais tenham sido incitadas ao invés das propostas (hMT+). Contudo, os resultados apresentados vão de encontro a estudos feitos por Gaglianese, A. com electrocorticografia em pacientes. O que torna este estudo uma extensão dos resultados prévios obtidos em electrocorticografia, mas utilizando agora um método não invasivo (fMRI) numa população saudável. No entanto, mesmo após resultados promissores, o projeto encontra ainda uma panóplia de desafios que têm prioridade em ser corrigidos de modo a tornar os resultados mais robustos e melhores. Em primeiro lugar a seleção das regiões de interesse onde a analise do estudo se baseou pode ser de futuro efetuada de maneira menos restrita e com a ajuda de atlas anatómicos. Isto poderia permitir a utilização dos voxeis que foram selecionados de modo a obter esquemas de distribuição de clusters de ativação sobre o córtex humano motor mais completos. Para além disso o tempo dispensado no pre-processamento poderia ser estandardizado pelo uso de funções automáticas no que diz respeito à remoção de artefactos fisiológicos. No que diz respeito à direção do projeto para um futuro próximo: devido aos resultados demonstrados neste relatório de tese de mestrado, existem fortes possibilidades de efetuar estudos completos no sentido a obter clusters suficientemente definidos, que possibilitam a separação do córtex temporal médio em duas subdivisões que podem estar relacionadas com funcionamentos específicos e especificidade no que diz respeito a padrões de codificação de estímulos: MT e MST. Esta divisão poderá permitir tecer novas conclusões no que diz respeito à importância do hMT+ no que diz respeito a casos em que o V1 (córtex visual primário) se encontra danificado, mas a codificação de movimento ainda é efetuada (blindsight).Motion detection comes to humans as an important component in our daily life. Knowing the direction and speed of a moving object helps in understanding, reacting, and adapting to sudden dynamic events in our environment. Among other regions, the middle temporal cortex hMT+ in the human brain is the core region involved in the detection and processing of moving stimuli. The speed of a moving object depends on the ratio of the change in position in between time samples, or, the spatial and temporal frequencies of a moving object. Therefore, motion can be encoded by speed per se or by separate and independent tuning of the specific different spatial and temporal frequencies components. A recent study using ECoG in humans and complex visual stimuli using square wave gratings at different spatial and temporal frequencies has proven that specific recorded hMT+ neuronal populations exhibited separable selectivity for spatial and temporal frequencies rather than speed tuning. However, due to specific confined localization of the ECoG grid it remains elusive whether this selectivity comprises a spatial organization within the hMT+. Thanks to the advent of new neuroimaging techniques such as ultra-high field MRI at 7T it is now possible to visualize in unprecedent detail the human brain in vivo (0.8mm). Compared to commonly used field strengths, 7T allows for a gain in sensitivity and signal-to-noise, allowing to map for the first time non-invasively, the mesoscopic architecture of brain regions and measuring non-invasively neuronal responses via BOLD. The aim of this project is to characterize the neural response to stimuli with different temporal and spatial frequencies in the hMT+ in a non-invasive method with the use of 7T fMRI via evaluation of patterns of blood-oxygen-level dependent imaging activation. We investigated whether the response preferences of the neural populations present in the human middle temporal cortex depend on the stimulus speed or to the independent spatial and temporal frequency components. The 7 Tesla blood-oxygen-level dependent functional magnetic resonance imaging responses were collected from healthy human volunteers on a Philips 7 Tesla scanner using advanced channels and techniques such as two 16-channel surface coils and gradient echo-planar imaging sequence. This was done during a specific task that consists on a visual stimulus (a high-contrast black-and-white dartboard) that’s expanded from the fixation point for one second, presented in six scans (one used to localize the activity region – hence designated localizer – and the remaining five to study said activity), while having a baseline of a homogeneous grey background. Each run consisted on different spatial and temporal frequencies of the dartboard that have been previously used in the mentioned ECoG study. After computation of the BOLD signal using a deconvolution approach, the results showed that the human middle temporal cortex separates motion into its spatial and temporal components rather than decoding speed directly. Moreover, clusters of activity for specific combinations of spatial and temporal frequencies suggest a spatial organization within the human middle temporal cortex
