Neuroadaptation After Cataract And Refractive Surgery

Important causes of dissatisfaction after cataract surgery are dysphotopsia (glare, halos, starbursts), requiring intraocular lens (IOL) exchange in 5.7% of cases. Optical parameters per se cannot explain why symptoms are different among patients, as no differences have been found in light scatter, aberrations, residual sphere and cylinder. Attempts to link optical outcomes and dysphotopsia have not proven an association between measurable aberrations and symptoms. This suggests the involvement of other mechanisms, possibly at the neural level. Because these symptoms tend to improve over time, it is thought that the brain adapts to those unwanted stimuli (neuroadaptation). In fact, our vision is determined by how the brain processes incoming retinal input, as vision involves “constructive” perception and not merely the analysis of an optically perfect image. Neuroplasticity is the ability of the brain to reorganize its connections in response to the changing patterns of inputs from the environment. Functional magnetic resonance imaging (FMRI) has opened an unprecedented opportunity for studying brain activity. We used FMRI to identify changes in neural activity patterns after multifocal IOL implantation over time and their relation with objective and qualitative aspects of visual function. We enrolled a cohort of patients implanted with multifocal IOLs after cataract surgery and age- and gender-matched healthy controls, without cataract or previous ocular surgery. Patients underwent functional MRI at post-operative intervals of 3 weeks and 6 months. Controls were evaluated at the same time intervals. Functional stimuli consisted in sinusoidal gratings with threshold contrast and a light source to induce disability glare. Subjective quality of vision and reading performance were assessed and wavefront analyses were conducted in both groups. To set up the experiment we designed a contrast assessment psychophysical task and a functional MRI task, created a proprietary magnetic resonance compatible LED frame with associated dimmer and an innovative psychophysical set up that allows contrast sensitivity evaluation under a glare source. We also developed the Portuguese version of the Radner Reading Tests (Radner-Coimbra Charts) to evaluate reading performance in our patients. With the first visit data (3rd week) we demonstrated the association between patient reported subjective difficulties and FMRI outcomes, independently of optical parameters and psychophysical performance. The increased activity of cortical areas dedicated to attention (frontoparietal circuits), learning and cognitive control (cingulate) and to task goals (caudate) likely represented the beginning of the neuroadaptation process to multifocal intraocular lenses. In addition, we investigated the relation between optical properties, visual function, subjective quality of vision and population receptive fields (PRF). PRF are the aggregate receptive field of the neurons within an FMRI voxel that respond to stimulation of a particular retinal location. Smaller PRFs reflect more fine-tuned visual processing, effectively increasing the spatial resolution of the visual system, while large PRFs reflect a coarser neural representation of visual space. We found that optical properties of the eye influenced PRF sizes. Aberrations of the visual system had a negative influence on visual cortical processing. Moreover, we reported the dissociation between subjective quality of vision and PRF sizes, indicating that patients with better cortical resolution may have improved perception of dysphotic phenomena, and consequently more quality of vision complaints, in spite of the improved optical quality. These findings complement the aforementioned results, concerning the absence of correlation between subjective quality of vision complaints and optical properties. Finally, using the same set up of the first study visit, we studied all study subjects five months later, to allow comparison between early results and those obtained after neuroadaptation is likely to be fully implemented. Patients no longer showed increased activity of cortical areas involved in visual attention, procedural learning, effortful cognitive control and goal oriented behavior at 6 months. There were no differences between visits in aberrations, Strehl ratio or modulation transfer function. There were significant improvements in questionnaire symptom scores, visual acuity and reading performance. The control group remained unchanged. In conclusion, our work contributed to identify that neuroadaptation to multifocal IOLS takes place initially through recruitment of visual attentional and procedural learning networks. Thereafter, a form of long-term adaptation/functional plasticity occurs, leading to brain activity regularization towards a non-effort pattern. Our neuroimaging findings are consistent with functional and questionnaire outcomes and are unrelated to optical properties, which reinforce the crucial adaptive role of higher-level brain regions in our perceptual construction of vision. Such information provides background knowledge for the identification of therapeutic targets and of intraocular lens characteristics that are more likely to trigger neuroadaptation circuits effectively and, hence, lead to practical clinical use.As disfotópsias (brilhos, halos, riscos estrelados) são uma causa importante de insatisfação após cirurgia de catarata, levando à substituição da lente intraocular (IOL) implantada em 5.7% dos casos. Os diversos parâmetros óticos não explicam per se as diferenças nas queixas subjetivas dos doentes, já que não são encontradas diferenças em termos de dispersão da luz, aberrações, esfera ou cilindro residuais. Não existe uma associação clara entre aberrações óticas e sintomas, o que sugere o envolvimento de outros mecanismos, provavelmente a nível neuronal. Atendendo a que as disfotópsias tendem a melhorar ao longo do tempo, pensa-se que o cérebro se adapta à presença destes estímulos indesejados (neuroadaptação). De facto, a nossa visão é determinada pela forma como o cérebro processa estímulos provenientes da retina, já que a visão envolve uma perceção construtiva e não apenas a receção de uma imagem oticamente perfeita. Neuroplasticidade é, justamente, a capacidade de o cérebro reorganizar as suas conexões em resposta às modificações provenientes do exterior. A ressonância magnética funcional (FMRI) permite estudar a atividade do cérebro in vivo. No presente estudo recorremos à FMRI para identificar modificações nos padrões de atividade neuronal após implante de lentes multifocais, ao longo do tempo, bem como a sua relação com aspetos objetivos e qualitativos de função visual. Avaliámos uma coorte de doentes submetidos a cirurgia de catarata com implante de lentes multifocais e controlos saudáveis, ajustados à idade e ao género, sem catarata nem antecedentes cirúrgicos oftalmológicos. Os doentes foram submetidos a FMRI 3 semanas e 6 meses após a cirurgia. Os controlos foram examinados nos mesmos intervalos temporais. O estímulo funcional consistiu em riscas sinusoidais com contraste limiar e uma fonte de luz para induzir brilhos. As aberrações óticas, a qualidade de visão subjetiva e o desempenho na leitura foram avaliadas em ambos os grupos. Para a execução da tarefa experimental procedemos ao desenho das tarefas de FMRI e psicofísica, criámos uma moldura de LED com reóstato compatível com ressonância magnética e um teste psicofísico inovador, que permite determinar o limiar de contraste sob fonte de luz. Desenvolvemos ainda a versão portuguesa do teste de leitura de Radner (Tabelas de Leitura de Radner-Coimbra). Os resultados obtidos demonstram uma associação entre as dificuldades reportadas pelos doentes e os dados de FMRI, independentemente dos parâmetros óticos. A maior ativação relativa de áreas corticais dedicadas à atenção (circuitos frontoparietais), aprendizagem e controlo cognitivo (córtex cingulado) e aos objetivos da tarefa (caudado) representam provavelmente o início do processo de neuroadaptação às lentes multifocais intra-oculares. Além disso, investigámos a relação entre propriedades óticas, função visual, qualidade de visão subjetiva e os campos recetores populacionais (PRF). Os PRF são o conjunto dos campos recetores dos neurónios de um voxel de FMRI que respondem à estimulação de determinado local retiniano. Campos mais pequenos refletem um processamento visual mais perfeito, aumentando a resolução espacial do sistema visual, enquanto PRF maiores refletem uma representação neuronal mais grosseira do espaço visual. Descobrimos que as propriedades óticas do olho influenciam o tamanho dos PRF. As aberrações do sistema visual têm um impacto negativo no processamento visual cortical. Adicionalmente, reportámos a dissociação entre qualidade visual subjetiva e tamanho dos PRF, indicando que doentes com melhor resolução cortical podem ter melhor perceção de fenómenos disfóticos, e, consequentemente, mais queixas no que respeita à qualidade visual, apesar da melhor qualidade ótica. Os resultados do estudo dos PRF complementam assim os achados previamente descritos, sobre a relativa independência entre qualidade de visão subjetiva e propriedades óticas do olho. Finalmente, usando a mesma metodologia empregue na primeira visita, avaliámos todos os participantes do estudo 5 meses depois, para permitir a comparação entre os resultados iniciais e os obtidos numa altura em que a neuroadaptação já estará implementada. Os doentes apresentam, na segunda visita, uma normalização das áreas ativadas preferencialmente na primeira visita (áreas de atenção, aprendizagem processual, controlo cognitivo e comportamento orientado para os objetivos). Não houve alterações significativas entre visitas no que respeita a aberrações óticas, rácio de Strehl ou função de transferência modular, apesar da melhoria significativa na pontuação dos questionários, acuidade visual e desempenho na leitura. O grupo controlo não apresentou alterações ao longo das visitas. Em conclusão, este trabalho contribuiu para estabelecer que a neuroadaptação às lentes multifocais intraoculares ocorre inicialmente através do recrutamento de redes neuronais ligadas à atenção e à aprendizagem processual. Estabelece-se uma forma de adaptação a longo prazo/ plasticidade neuronal, levando à normalização da atividade neuronal no sentido de um padrão de não-esforço. Os achados de neuroimagem são consistentes com a desemprenho funcional e com os resultados do questionário, independentemente das propriedades óticas, o que reforça o papel crucialmente adaptativo das áreas de alto-nível do cérebro na construção percetual da visão. Os conhecimentos assim obtidos proporcionam as bases para a identificação futura de agentes terapêuticos em casos de não adaptação e das características presentes nas lentes intra-oculares que mais eficazmente possam ativar circuitos de neuroadaptação, levando, assim, à sua aplicação na prática clínica.Gabinete de Apoio à Investigação da Faculdade de Medicina de Coimbr