Neurofeedback de fMRI em tempo real baseado na conectividade funcional inter-hemisférica: um paradigma de imaginação motora

Trabalho de Projeto do Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica apresentado à Faculdade de Ciências e TecnologiaA técnica de imagem usando ressonância magnética funcional (IRMf) é uma abordagemeficaz para medir a função cerebral, uma vez que pode medir o sinal dependente do nível de oxigéniono sangue (BOLD), uma medida indireta da atividade neural. Recentes avanços permitiram odesenvolvimento de IRMf em tempo real (rt-fMRI), em que o sinal BOLD de uma (ou mais regiões)está disponível em tempo real. Neurofeedback (NF) é um tipo de biofeedback em que umarepresentação visual, auditiva ou outra de natureza cognitiva, da atividade cerebral medida (regiãoespecífica de interesse - ROI - ou correlação de dois substratos neurais de uma rede funcional) éapresentada ao participante para facilitar a auto-regulação desses correlatos neurais. Há evidênciascrescentes de que há mudanças patológicas na interação entre regiões cerebrais associadas adistúrbios psiquiátricos e neurológicos. Uma experiência rt-fMRI-NF pode permitir a manipulação nainteração funcional entre regiões, representando assim uma maneira de estudar a relação entrecomportamento e auto-regulação de medidas de conectividade. NF baseado em conectividade foipreviamente sugerido como uma abordagem promissora, possivelmente fornecendo um melhorindicador de um aumento na dificuldade da tarefa, bem como uma ferramenta valiosa para melhorara aprendizagem e neuroreabilitação. Este projeto visa projetar e testar um protocolo que permita aosparticipantes auto-regular a conectividade funcional em tempo real, calculada com uma Correlaçãode Pearson com janelas deslizantes, entre regiões que se sobrepõem durante performance motora(MP) e imaginação motora (MI), como o córtex premotor bilateral (PMC). Para este fim, osparticipantes são encorajados a adaptar tarefas de imaginação motora. A nossa hipótese é baseadana noção de que controlo de aprendizagem sobre substratos neuronais específicos (ou interaçõesentre regiões), modifica comportamentos específicos, função cerebral e neuro plasticidade, podendorepresentar uma estratégia terapêutica para distúrbios relacionados à conectividade. Os resultadosmostram que os participantes foram capazes de modular conectividade inter-hemisférica obtendorepresentação visual do valor de correlação entre PMC bilateral como neurofeedback em tempo real.Isto suporta a ideia de que é possível criar uma aplicação terapêutica de treino motor em indivíduoscom diminuição da conectividade inter-hemisférica, como doentes com que sofreram de AVC.Functional magnetic resonance imaging technique (fMRI) is an effective approach to measurebrain function since it can measure blood oxygenation level-dependent (BOLD) signal, an indirectmeasure of neural activity. Recent advances allowed the development of real-time fMRI (rt-fMRI), inwhich the BOLD signal of one (or more regions) is available in real-time. Neurofeedback (NF) is a typeof biofeedback in which a visual, auditory or cognitive representation of the measured neural activity(specific region of interest - ROI - or correlation of two neural substrates of a functional network ispresented to the participant to facilitate self-regulation of the neural correlates. There is increasingevidence that there are pathological disturbances in the functional interaction between brain regionsassociated to psychiatric and neurological disorders. A Real-time Functional Magnetic ResonanceImaging Neurofeedback (rt-fMRI-NF) experiment might enable the manipulation of interactionsbetween regions, and thus represents a way of investigating the relationship between behavior andself-regulation of connectivity measures. Connectivity-based NF has previously been confirmed as asuitable approach for neurofeedback implementation and possibly a valuable tool to enhance motorlearning and rehabilitation. This project aims to design and test a framework that enables theparticipants to self-regulate the functional connectivity, calculated with a windowed PearsonCorrelation, between regions that overlap during motor performance (MP) and motor imagery (MI)such as bilateral premotor cortex (PMC) in real time. To this end, participants are encouraged to usea adaptive motor imagery task. Our hypothesis is based on the notion of learning control over specificneural substrates (or interactions between regions) changes specific behaviors, brain function andneuroplasticity, and may represent a therapeutic strategy for connectivity-related disorders. The resultsshow that the participants were able to modulate interhemispheric connectivity while getting visualrepresentation of the value of correlation between bilateral PMC as real-time neurofeedback. Thissupports the idea that it is possible the design a motor training as a therapeutical application in subjectswith decreased interhemispheric connectivity such as stroke patients