Sabe-se que diversas regiões do cérebro humano trabalham em sincronia, mesmo anatomicamente separadas, sugerindo conexões funcionais e estruturais. Dessa forma, nosso cérebro pode ser considerado uma rede que pode ser estudada para diferenças entre indivíduos e entre tarefas, em que os nodos podem ser diferentes regiões e as arestas podem ser medidas de conectividade funcional entre séries temporais de um sinal de ressonância magnética de cada região. Neste estudo, propomos analisar como conectividade funcional e parâmetros de rede cerebral se relacionam com desempenho intelectual e um estado de atenção sustentada. Foram adquiridas imagens de ressonância magnética de 30 indivíduos saudáveis jovens em estado de repouso e de atenção sustentada, a partir delas foram calculadas as conexões funcionais entre 90 regiões cerebrais usando o coeficiente de correlação entre pares de series temporais. Destes sujeitos foram estimados sete índices de inteligência a partir da aplicação do teste WAIS-III. As matrizes de conectividade evidenciariam um comportamento de rede complexa de mundo pequeno para limiares entre 0,2 e 0,5. Não foram encontradas associações entre parâmetros globais das redes ponderadas em estado de repouso e os índices de inteligência. Conectividade funcional e alguns parâmetros de rede locais evidenciaram correlações com pontuações de inteligência, principalmente nas regiões frontal, pré-central, parietal e occipital, giro fusiforme e supramarginal e caudado. Embora o p-valor não-corrigido seja bem pequeno e/ou haja simetria entre hemisférios em alguns resultados, ao ser considerado o efeito de múltiplas comparações para análise inteira não foram encontradas associações estatisticamente significativas, por isso as análises foram corrigidas para cada região (p-valor corrigido pelo FDR<0,05). Ainda assim, possivelmente um aumento do número de sujeitos levaria a resultados mais conclusivos. Não foram encontrados resultados que confirmassem a hipótese de que, para indivíduos normais, haveria uma maior anti-correlação de redes extrínsecas e intrínsecas como um todo para o estado de atenção focada em relação ao estado de repouso. Entretanto, durante o estado de atenção sustentada, foram encontradas algumas diferenças estatisticamente significantes nas conexões locais dentro das redes positivas e negativas à tarefa, evidenciadas por um aumento na magnitude das correlações positivas ou negativas durante a atenção sustentada, além de uma tendência de anti-correlação em conexões entre regiões positivas e negativas à tarefa. / It\'s known that some regions of the human brain work synchronously, even if they are anatomically separated, suggesting functional and structural connections. In this way, our brain can be considered a network that can be studied for individual or task differences and in which nodes can be the different regions and edges can be the measurements of functional connectivity between blood oxygen level-dependent signal time series from each region. In this study, we aim to analyze how functional connectivity and brain network parameters relate to intellectual performance and to sustained attention state. Resonance Magnetic images were acquired in 30 healthy young volunteers in resting and attentional state. The functional connections between 90 brain regions were computed from them using correlation coefficient between pairs of temporal series. Seven intelligence indices were estimated from these subjects through WAIS-III test application and associations between functional connectivity values or brain network parameters were sought. Connectivity matrices evidenced a small-world complex network behavior for thresholds between 0.2 and 0.5. No associations between global parameters using weighted networks were found. Functional connectivity and network parameters have evidenced some correlations with intelligence scores, mainly in frontal, pre-central, parietal, occipital regions, fusiform and supramarginal gyrus and caudate nucleus. Even that the uncorrected p-value was small and/or there was symmetry between hemispheres in several results, statistical significant associations were not found considering multiple comparisons correction for the entire analysis, therefore the analysis were corrected for each region (FDR corrected p-value <0.05). Even, increasing the number of subjects possibly would get more conclusive results. Results corroborant to the initial hypothesis of greater anti-correlation between default mode network and task-positive regions were not found for the sustained attention state. However, during sustained attention state, some statistically significant differences in local connections within task-positive and negative regions were found, evidenced by the increase of the strength of positive and negative correlations, besides of a trend of anti-correlation in connections between task-positive and negative regions.

Sabe-se que diversas regiões do cérebro humano trabalham em sincronia, mesmo anatomicamente separadas, sugerindo conexões funcionais e estruturais. Dessa forma, nosso cérebro pode ser considerado uma rede que pode ser estudada para diferenças entre indivíduos e entre tarefas, em que os nodos podem ser diferentes regiões e as arestas podem ser medidas de conectividade funcional entre séries temporais de um sinal de ressonância magnética de cada região. Neste estudo, propomos analisar como conectividade funcional e parâmetros de rede cerebral se relacionam com desempenho intelectual e um estado de atenção sustentada. Foram adquiridas imagens de ressonância magnética de 30 indivíduos saudáveis jovens em estado de repouso e de atenção sustentada, a partir delas foram calculadas as conexões funcionais entre 90 regiões cerebrais usando o coeficiente de correlação entre pares de series temporais. Destes sujeitos foram estimados sete índices de inteligência a partir da aplicação do teste WAIS-III. As matrizes de conectividade evidenciariam um comportamento de rede complexa de mundo pequeno para limiares entre 0,2 e 0,5. Não foram encontradas associações entre parâmetros globais das redes ponderadas em estado de repouso e os índices de inteligência. Conectividade funcional e alguns parâmetros de rede locais evidenciaram correlações com pontuações de inteligência, principalmente nas regiões frontal, pré-central, parietal e occipital, giro fusiforme e supramarginal e caudado. Embora o p-valor não-corrigido seja bem pequeno e/ou haja simetria entre hemisférios em alguns resultados, ao ser considerado o efeito de múltiplas comparações para análise inteira não foram encontradas associações estatisticamente significativas, por isso as análises foram corrigidas para cada região (p-valor corrigido pelo FDR<0,05). Ainda assim, possivelmente um aumento do número de sujeitos levaria a resultados mais conclusivos. Não foram encontrados resultados que confirmassem a hipótese de que, para indivíduos normais, haveria uma maior anti-correlação de redes extrínsecas e intrínsecas como um todo para o estado de atenção focada em relação ao estado de repouso. Entretanto, durante o estado de atenção sustentada, foram encontradas algumas diferenças estatisticamente significantes nas conexões locais dentro das redes positivas e negativas à tarefa, evidenciadas por um aumento na magnitude das correlações positivas ou negativas durante a atenção sustentada, além de uma tendência de anti-correlação em conexões entre regiões positivas e negativas à tarefa. / It\'s known that some regions of the human brain work synchronously, even if they are anatomically separated, suggesting functional and structural connections. In this way, our brain can be considered a network that can be studied for individual or task differences and in which nodes can be the different regions and edges can be the measurements of functional connectivity between blood oxygen level-dependent signal time series from each region. In this study, we aim to analyze how functional connectivity and brain network parameters relate to intellectual performance and to sustained attention state. Resonance Magnetic images were acquired in 30 healthy young volunteers in resting and attentional state. The functional connections between 90 brain regions were computed from them using correlation coefficient between pairs of temporal series. Seven intelligence indices were estimated from these subjects through WAIS-III test application and associations between functional connectivity values or brain network parameters were sought. Connectivity matrices evidenced a small-world complex network behavior for thresholds between 0.2 and 0.5. No associations between global parameters using weighted networks were found. Functional connectivity and network parameters have evidenced some correlations with intelligence scores, mainly in frontal, pre-central, parietal, occipital regions, fusiform and supramarginal gyrus and caudate nucleus. Even that the uncorrected p-value was small and/or there was symmetry between hemispheres in several results, statistical significant associations were not found considering multiple comparisons correction for the entire analysis, therefore the analysis were corrected for each region (FDR corrected p-value <0.05). Even, increasing the number of subjects possibly would get more conclusive results. Results corroborant to the initial hypothesis of greater anti-correlation between default mode network and task-positive regions were not found for the sustained attention state. However, during sustained attention state, some statistically significant differences in local connections within task-positive and negative regions were found, evidenced by the increase of the strength of positive and negative correlations, besides of a trend of anti-correlation in connections between task-positive and negative regions.

Attention is a key mental function in everyday life, but unfortunately we easily get distracted. The brain correlates underlying sustained attention, the so-called sustained attention network (SAN), have been well identified, as have the brain correlates underlying mind-wandering, the so-called default mode network (DMN). Nevertheless, even though we know about the underlying brain processes, this knowledge has not yet been translated in advanced brain-based attention training protocols. Here we proposed to use a novel brain imaging technique based on real-time functional magnetic resonance imaging (fMRI) to provide individuals with information about ongoing levels of activity in the attention and the default mode networks. To the best of our knowledge, this is the first study to show that, with the help of that fMRI-neurofeedback, individuals can learn how to improve controlling of, at the same time, SAN activation and DMN deactivation. This learning process was explained mainly in terms of DMN deactivation. Behavioral effects were observed when separating a group with the best learners in an overall measure of attention and specifically in the task-switching ability, controlled by a test-retest group performing the same behavioral tests battery. Neurofeedback-induced functional connectivity changes were also observed in multiple brain regions positively and negatively related to attention. Although the behavioral effects were no longer present two months after training, participants still held the learned ability of controlling self-regulation of the concerned networks. This approach potentially provides a non-invasive and non-pharmacological tool to deliver general enhancements in the attention ability for healthy subjects and it can be potentially beneficial to many neurological and psychiatric patients. We also show in this thesis compelling evidence that brain regions definition and other experimental parameters are crucial for inducing learning of self-regulation via fMRI-neurofeedback, in a similar study also considering differential signal of attention-related competitive networks. We finally present Personode, a useful, easy to use, and open access toolbox to neuroimaging researchers, for independent component analysis maps classification into canonical resting-state networks and regions-of--interest definition in individual and group levels. We also show that the toolbox leads to better results for task-induced activation and functional connectivity analyses. / A atenção é uma função mental crucial na vida cotidiana, mas infelizmente distrai-se facilmente. Os fundamentos cerebrais que sustentam a atenção, a chamada rede de atenção, foram satisfatoriamente identificados, assim como os fundamentos cerebrais que sustentam a divagação, a chamada rede de modo padrão. Entretanto, embora tais processos sejam conhecidos, este conhecimento ainda não foi transformado em protocolos avançados de treinamento de atenção baseado na atividade cerebral. Portanto, é proposto o uso de uma nova técnica baseada em imageamento por ressonância funcional (fMRI) em tempo real para proporcionar aos indivíduos informação sobre os níveis de atividade cerebral atuais nas redes de atenção e de modo padrão. Segundo nosso conhecimento atual, esse é o primeiro estudo a mostrar que, com o auxílio do neurofeedback baseado em fMRI, indivíduos podem aprender como melhorar o controle da ativação da rede de atenção e da desativação da rede de modo padrão ao mesmo tempo. Este processo de treinamento poderia ser explicado principalmente em termos da desativação da rede de modo padrão. Efeitos comportamentais foram observados, ao separar um grupo com os melhores aprendizes, em uma medida de atenção geral e, especificamente, na habilidade de alternação de tarefas, controlado por um grupo teste-reteste realizando a mesma bateria de testes comportamentais. Alterações em conectividade funcional induzidas por neurofeedback foram também reveladas em múltiplas regiões cerebrais positiva e negativamente relacionadas à atenção. Embora os efeitos comportamentais não puderam ser constatados depois de dois meses após o treinamento, os participantes ainda mantiveram a habilidade de controlar a autorregulação das redes em questão. Esse método provê uma ferramenta não-invasiva e não-farmacológica para proporcionar melhorias gerais na habilidade de atenção para sujeitos saudáveis, o que pode ser potencialmente benéfico para muitos pacientes de desordens neurológicas e psiquiátricas. Nesta tese, são mostradas evidências convincentes de que a definição de redes cerebrais e outros parâmetros experimentais de neurofeedback baseado em fMRI são decisivos para a indução do aprendizado de autorregulação, em um estudo similar, também considerando o sinal diferencial de redes competitivas relacionadas à atenção. Finalmente, é apresentado Personode, uma ferramenta útil, de fácil utilização e de livre acesso direcionado a pesquisadores em neuroimagem, para classificação de mapas produzidos por uma análise de componentes independentes em redes de repouso canônicas e definições de regiões de interesse em níveis individuais e de grupo. É também mostrado que a ferramenta conduz a melhores resultados para análises de ativação induzida à tarefa e conectividade funcional.

A influência da atenção em processos de tomada de decisões é frequentemente avaliada através da tarefa denominada \"two-alternative choice\", em que os animais são treinados a emitir respostas baseadas na detecção e discriminação de dois estímulos discretos. Pela sua própria natureza, as possibilidades de se manipular a demanda atencional nessas tarefas é relativamente restrita. O desenho experimental básico adotado no presente conjunto de experimentos almejou possibilitar a variação das demandas atencionais durante o desempenho de uma tarefa que envolve discriminação auditiva, por meio da apresentação de sequências variáveis de \"beeps\" de mesma frequência (estímulos sonoros não informativos de 6 kHz) apresentados bilateralmente, seguidos de um estímulo informativo, um beep distinto de 3 ou 10 kHz, apresentado (1) bilateralmente, cuja frequência sinaliza a resposta a ser emitida (Experimento 1), ou (2) unilateralmente, cujo local de apresentação sinaliza a resposta a ser emitida (Experimento 2). No Experimento 1 observou-se uma redução dos tempos de reação para os estímulos alvo e uma redução da porcentagem de erros de comissão em função do aumento do número de estímulos não informativos, para ambos os estímulos informativos numa primeira fase e apenas para o de 10 kHz após a reversão da resposta inicialmente treinada. Curiosamente, os tempos de reação para o estímulo alvo de 10 kHz foram maiores em relação aos exibidos para o estímulo alvo de 3 kHz. Por outro lado, a redução da porcentagem de erros de comissão foi mais acentuada nas tentativas envolvendo o estímulo alvo de 10 kHz. No Experimento 2 houve aumento dos tempos de reação em função do aumento do número de estímulos não informativos apresentados. Os tempos de reação para o estímulo alvo de 10 kHz apresentado no lado esquerdo foram maiores em relação ao lado direito e também em relação ao estímulo alvo de 3 kHz apresentado no lado esquerdo ou direito. No mesmo sentido, houve menor percentagem de respostas corretas e maior percentagem de erros de comissão quando o estimulo alvo de 10 kHz foi apresentado no lado esquerdo. A porcentagem de respostas corretas assim como a redução dos tempos de reação são maiores no Experimento 2 em relação ao Experimento 1, sugerindo que nas presentes condições experimentais a identificação da fonte sonora é mais prontamente detectada do que a diferença de frequência dos estímulos alvo. Em conjunto os resultados obtidos mostram que o engajamento e manutenção de recursos atencionais longo do tempo variam em função da natureza periférica ou simbólica do estímulo alvo utilizado. A variação da frequência sonora dos estímulos alvo apresentados após uma sequência de estímulos não informativos também influencia o desempenho dos animais / The influence of attention in decision making processes is usually evaluated using two-alternative choice tasks in which the subjects react relying on detection and discrimination of two discrete stimuli. The possibilities of manipulating attentional demands in this kind of task is relatively restricted. The experimental design employed in the present experiments aimed at providing ways to manipulate the attentional demands during performance of an auditory task. This was achieved by presenting variable sequences of non-informative 6 kHz beeps, bilaterally, followed by one distinctive (either 3 or 10 kHz) informative beep presented either (1) bilaterally such that the frequency identifies the required response (Experiment 1) or (2) unilaterally such that the place of presentation identifies the required response (Experiment 2). In Experiment 1 data showed a decrease in both reaction times for target stimuli and percentage of comission errors as a function of the number of non-informative stimuli. These effects occurred early in training for both, 3 and 10 kHz target stimuli, and only for 10 kHz target stimulus after reversal of training. Interestingly, reaction times for 10 kHz target stimuli were longer relative to those seen for 3 kHz target stimuli. In contrast, reduction of the percentage of comission errors was stronger in trials using 10 kHz target stimuli. In Experiment 2 reaction times increased as a function of the increase in the number of non-informative stimuli. In addition, reaction times for 10 kHz target stimuli presented in the left side were longer as compared to both 10 kHz target stimuli presented in the right side and 3 kHz stimuli presented in both sides. Congruently, a smaller percentage of correct responses and a greater percentage of comission errors were seen when the 10 kHz target stimuli were presented in the left side. The percentage of correct responses and reaction times reduction were greater in the Experiment 2 as compared to Experiment 1, suggesting that in the present experimental conditions, identification of the place for stimulus presentation is prompter as compared to the difference in the frequency of the target stimuli. Together these results show that engagement and maintenance of attentional resources along time vary as a function of the peripheral and simbolic nature of the target stimuli. The frequency of target stimuli presented after a variable sequence of non-informative stimuli also interferes in performance of the subject

A influência da atenção em processos de tomada de decisões é frequentemente avaliada através da tarefa denominada \"two-alternative choice\", em que os animais são treinados a emitir respostas baseadas na detecção e discriminação de dois estímulos discretos. Pela sua própria natureza, as possibilidades de se manipular a demanda atencional nessas tarefas é relativamente restrita. O desenho experimental básico adotado no presente conjunto de experimentos almejou possibilitar a variação das demandas atencionais durante o desempenho de uma tarefa que envolve discriminação auditiva, por meio da apresentação de sequências variáveis de \"beeps\" de mesma frequência (estímulos sonoros não informativos de 6 kHz) apresentados bilateralmente, seguidos de um estímulo informativo, um beep distinto de 3 ou 10 kHz, apresentado (1) bilateralmente, cuja frequência sinaliza a resposta a ser emitida (Experimento 1), ou (2) unilateralmente, cujo local de apresentação sinaliza a resposta a ser emitida (Experimento 2). No Experimento 1 observou-se uma redução dos tempos de reação para os estímulos alvo e uma redução da porcentagem de erros de comissão em função do aumento do número de estímulos não informativos, para ambos os estímulos informativos numa primeira fase e apenas para o de 10 kHz após a reversão da resposta inicialmente treinada. Curiosamente, os tempos de reação para o estímulo alvo de 10 kHz foram maiores em relação aos exibidos para o estímulo alvo de 3 kHz. Por outro lado, a redução da porcentagem de erros de comissão foi mais acentuada nas tentativas envolvendo o estímulo alvo de 10 kHz. No Experimento 2 houve aumento dos tempos de reação em função do aumento do número de estímulos não informativos apresentados. Os tempos de reação para o estímulo alvo de 10 kHz apresentado no lado esquerdo foram maiores em relação ao lado direito e também em relação ao estímulo alvo de 3 kHz apresentado no lado esquerdo ou direito. No mesmo sentido, houve menor percentagem de respostas corretas e maior percentagem de erros de comissão quando o estimulo alvo de 10 kHz foi apresentado no lado esquerdo. A porcentagem de respostas corretas assim como a redução dos tempos de reação são maiores no Experimento 2 em relação ao Experimento 1, sugerindo que nas presentes condições experimentais a identificação da fonte sonora é mais prontamente detectada do que a diferença de frequência dos estímulos alvo. Em conjunto os resultados obtidos mostram que o engajamento e manutenção de recursos atencionais longo do tempo variam em função da natureza periférica ou simbólica do estímulo alvo utilizado. A variação da frequência sonora dos estímulos alvo apresentados após uma sequência de estímulos não informativos também influencia o desempenho dos animais / The influence of attention in decision making processes is usually evaluated using two-alternative choice tasks in which the subjects react relying on detection and discrimination of two discrete stimuli. The possibilities of manipulating attentional demands in this kind of task is relatively restricted. The experimental design employed in the present experiments aimed at providing ways to manipulate the attentional demands during performance of an auditory task. This was achieved by presenting variable sequences of non-informative 6 kHz beeps, bilaterally, followed by one distinctive (either 3 or 10 kHz) informative beep presented either (1) bilaterally such that the frequency identifies the required response (Experiment 1) or (2) unilaterally such that the place of presentation identifies the required response (Experiment 2). In Experiment 1 data showed a decrease in both reaction times for target stimuli and percentage of comission errors as a function of the number of non-informative stimuli. These effects occurred early in training for both, 3 and 10 kHz target stimuli, and only for 10 kHz target stimulus after reversal of training. Interestingly, reaction times for 10 kHz target stimuli were longer relative to those seen for 3 kHz target stimuli. In contrast, reduction of the percentage of comission errors was stronger in trials using 10 kHz target stimuli. In Experiment 2 reaction times increased as a function of the increase in the number of non-informative stimuli. In addition, reaction times for 10 kHz target stimuli presented in the left side were longer as compared to both 10 kHz target stimuli presented in the right side and 3 kHz stimuli presented in both sides. Congruently, a smaller percentage of correct responses and a greater percentage of comission errors were seen when the 10 kHz target stimuli were presented in the left side. The percentage of correct responses and reaction times reduction were greater in the Experiment 2 as compared to Experiment 1, suggesting that in the present experimental conditions, identification of the place for stimulus presentation is prompter as compared to the difference in the frequency of the target stimuli. Together these results show that engagement and maintenance of attentional resources along time vary as a function of the peripheral and simbolic nature of the target stimuli. The frequency of target stimuli presented after a variable sequence of non-informative stimuli also interferes in performance of the subject