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Investigação neuroimagiológica de mecanismos de aprendizagem no cérebro humano: novas abordagens metodológicas

A aprendizagem que ocorre ao longo da vida de um organismo produz modificações no seu sistema nervoso que se manifestam a vários níveis da organização neuronal, desde as moléculas e sinapses aos mapas corticais e às redes cerebrais de grande escala. Ao longo das duas últimas décadas, a investigação neuroimagiológica contribuiu já extensamente para o conhecimento da relação entre várias funções sensoriais e cognitivas e estruturas cerebrais específicas. O crescente interesse na caracterização dos mecanismos de plasticidade que acompanham a aprendizagem colocou novos desafios às técnicas neuroimagiológicas, tanto de carácter conceptual como metodológico. Em particular, pensa-se que decorrerão grandes progressos da análise conjunta da actividade neuronal em regiões específicas, assim como da conectividade entre regiões.
Neste Projecto, propômo-nos abordar este assunto por meio do desenvolvimento e implementação de novas metodologias para estudos de neuroimagem focando paradigmas de aprendizagem. Em primeiro lugar, serão implementados métodos de estado-de-arte para a realização de imagem por ressonância magnética funcional (IRMf) num sistema de 1.5 Tesla. Em segundo lugar, serão desenvolvidos protocolos para a integração de métodos de análise da conectividade cerebral funcional, baseados em registos electroencefalográficos (EEG) com IRMf, de modo a permitir a investigação do comportamento neuronal a baixas e a altas frequências.
O método mais convencional de IRMf, baseado no mecanismo de contraste dependente do nível de oxigenação sanguínea (BOLD), demonstrou já a sua utilidade na caracterização da actividade cerebral associada à aprendizagem. No entanto, este método apresenta diversas limitações quando o processo de aprendizagem em estudo se desenrola ao longo de minutos ou horas, ou quando são utilizados desenhos experimentais longitudinais para investigar efeitos em períodos de tempo mais longos. Os métodos de imagem de perfusão por marcação de spins arteriais (ASL) produzem uma medida quantitativa mais estável da actividade cerebral, constituindo pois um complemento interessante ao mecanismo de contraste BOLD. Para além disso, uma nova técnica de imagem de difusão (DWI) parece fornecer uma medida quantitativa independente da actividade neuronal, contribuindo portanto com informação adicional. Serão então desenvolvidos protocolos para a combinação de aquisições IRMf usando contraste BOLD, ASL e DWI, os quais serão validados por meio da aplicação a paradigmas de estimulação visual bem conhecidos.
Pensa-se que a sincronização de respostas neuronais é modificada em função da aprendizagem, representando um possível mecanismo de plasticidade. O estudo da conectividade funcional a partir de dados de IRMf permite investigar processos de sincronizaçao entre regiões do cérebro. Serão implementados protocolos para a combinação de métodos de análise de conectividade functional, baseados nos dados e em modelos inspirados em conhecimentos de neuroanatomia e neurofisiologia, de modo a integrar as vantagens de cada abordagem. É também possível investigar a sincronização neuronal a partir de dados de EEG. A elevada resolução temporal desta técnica permite a avaliação da conectividade em várias bandas de frequências de oscilação, às quais têm sido associados diferentes significados cognitivos. Serão desenvolvidos métodos de análise de séries temporais para a medição da coerência de fase entre canais de EEG, utilizando técnicas de decomposição em tempo-frequência para aceder a bandas de frequências específicas. Adicionalmente, serão implementados protocolos para a aquisição simultânea de EEG e IRMf e para a integração dos dados multimodais. Espera-se que a combinação de EEG e IRMf permita a investigação da conectividade funcional do cérebro durante a aprendizagem numa vasta gama de frequências.
Finalmente, as abordagens metodológicas desenvolvidas neste Projecto serão aplicadas a um paradigma de busca visual envolvendo aprendizagem implícita. Serão primeiro adquiridos dados de BOLD-ASL IRMf para determinar as modificações da actividade cerebral associadas aos mecanismos de aprendizagem em estudo e, desta forma, testar a hipótese de envolvimento de estruturas cerebrais específicas. Serão também realizadas análises de conectividade funcional de modo a identificar as interacções entre as regiões cerebrais participantes. Serão ainda utilizados registos simultâneos de EEG e IRMf para investigar processos de sincronização neuronal relacionados com a aprendizagem em diferentes bandas de frequências.
Em suma, esperamos contribuir com este Projecto para o desenvolvimento de um conjunto de novas ferramentas para a aquisição e análise de dados neuroimagiológicos, com grande utilidade na investigação dos mecanismos cerebrais de aprendizagem. Adicionalmente, acreditamos que este Projecto permitirá a colaboração entre jovens cientistas peritos no campo da Neuroimagem, no âmbito da Rede Nacional de Imagem Funcional do Cérebro recentemente aprovada pela FCT.
Investigadora Principal: Patrícia Figueiredo (IST)