In this report, we evaluate the role of visual areas responsive to motion in the human brain in the perception of stimulus speed. We first identified and localized V1, V3A, and V5/MT+ in individual participants on the basis of blood oxygenation level-dependent responses obtained in retinotopic mapping experiments and responses to moving gratings. Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) was then used to disrupt the normal functioning of the previously localized visual areas in each participant. During the rTMS application, participants were required to perform delayed discrimination of the speed of drifting or spatial frequency of static gratings. The application of rTMS to areas V5/MT and V3A induced a subjective slowing of visual stimuli and (often) caused increases in speed discrimination thresholds. Deficits in spatial frequency discrimination were not observed for applications of rTMS to V3A or V5/MT+. The induced deficits in speed perception were also specific to the cortical site of TMS delivery. The application of TMS to regions of the cortex adjacent to V5/MT and V3A, as well as to area V1, produced no deficits in speed perception. These results suggest that, in addition to area V5/MT+, V3A plays an important role in a cortical network that underpins the perception of stimulus speed in the human brain.

INTRODUÇÃO: A estimulação cerebral profunda (ECP) é usada para tratar a doença de Parkinson (DP) avançada. A estimulação do núcleo subtalâmico (NST) melhora os sintomas de parkinsonismo, mas seu mecanismo de ação permanece pouco compreendido. A ressonância magnética functional (RMf) pode auxiliar no estudo de áreas cerebrais motoras de forma a melhorar o entendimento dos mecanismos de ação da ECP. O objetivo desta tese foi de desenvolver e testar técnicas de RMf para estudo de pacientes com DP tratados com ECP. MÉTODOS: Foram realizados testes para verificar interferência do sistema de ECP nas imagens de RMf e realizadas adaptações de modo a diminuir os artefatos na imagem. A seguir foram examinados pacientes com DP em quatro condições: durante a movimentação da mão direita (antes do implante dos eletrodos para ECP, depois da cirurgia sem estímulo elétrico e depois da cirurgia com estímulo elétrico no NST) e durante o repouso com a estimulação elétrica ligada e desligada. No total foram examinados dez pacientes, dos quais oito foram comparados a voluntários normais. Foram realizadas três sessões de RMf em cada condição, utilizando dois tipos de seqüências: em bloco (BL) e relacionada a eventos (RE). As imagens foram analisadas calculando-se a freqüência de atividade cerebral detectada em 19 áreas sensitivo-motoras. Dados comportamentais durante o exame e a evolução clínica foram analisados. RESULTADOS: Os pacientes não apresentaram complicações decorrentes dos exames de RMf. Após modificações na técnica de implante do eletrodo e ajustes do intervalo pós-cirúrgico para o exame, os artefatos nas imagens foram reduzidos. Nos controles, as sequencias RE mostraram mais atividade que BL nas áreas: área suplementar motora, área pré-motora (pM) direita, cíngulo anterior (Cga), cíngulo posterior (Cgp), tálamo bilateral e putamen direito. Durante a movimentação da mão dominante, comparando as seqüências BL e RE dos pacientes com DP, não houve diferença significativa considerando todos experimentos pré-operatórios e pósoperat órios sem o estímulo elétrico. Com o estímulo elétrico ligado, nas seqüências BL houve maior atividade em relação às RE, na área sensitivomotora primária (SM1) esquerda. Durante o repouso, quando a estimulação elétrica foi ligada houve maior atividade das seguintes áreas: cerebelo direito, SM1 esquerda, Cgp, pM bilateral, mesencéfalo esquerdo e Cga. Houve melhora clínica dos pacientes e tanto a avaliação motora na primeira semana pós-operatória, na fase sem medicação, bem como a avaliação global em seis meses estiveram correlacionadas com os parâmetros motores aferidos durante os exames de RMf. CONCLUSÕES: Foi desenvolvido método para a aplicação da RMf em pacientes com DP submetidos à ECP que permitiu as seguintes observações: as seqüências BL mostraram maior freqüência de atividade na SM1 nos pacientes com DP e ECP ligada, enquanto as seqüências RE mostraram maior freqüência de atividade nos voluntários normais nas áreas motoras primárias e secundárias; e o estímulo elétrico no repouso produziu atividade detectada no cerebelo e nas regiões motoras primárias e secundárias / INTRODUCTION: Deep brain stimulation (DBS) is used to treat advanced Parkinson\'s disease (PD). Stimulation of the subthalamic nucleus (STN) is effective to improve the symptoms related to parkinsonism, but its mechanism of action remains poorly understood. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) can be applied to study brain areas involved in motor activity, as a mean to better understand the effects of DBS. In this work we aimed to develop and test fMRI techniques to study DP patients treated with DBS. METHODS: We have initially performed tests to check the interference of the DBS in image quality and made adaptations that minimized the artifacts. After this initial phase PD patients were examined by fMRI in four different phases: during right hand movement (before surgery to implant DBS electrodes, after the surgery with the electrical stimulation turned off, and after the surgery with the electrical stimulation turned on the STN) and at rest with electrical stimulation turned on. In total, ten patients were examined, eight of them paired to matched normal volunteers. All tasks were performed in three independent sessions for each condition, using two types of runs: blocked (BK) and event-related (ER). The images were analyzed calculating the frequency of activation detected in 19 sensory-motor areas. Behavioral data during fMRI exams and clinical data were also recorded. RESULTS: There were no clinical complications due to fMRI exams. The modifications in the DBS procedure and post-surgical time to fMRI examination resulted in a reduction of the image artifacts. In the controls the ER runs showed more activity than BK in: supplementary motor area, right pre-motor area (pM), anterior cingulated gyrus (aCg), posterior cingulated gyrus (pCg), bilateral thalamus, and right putamen. During the dominant hand movements, when comparing ER and BK runs in PD patients there was no significant difference considering pre and post operative phases without electrical stimulation. When the electrical stimulation was turned on, BK runs showed more activation in the left primary sensory-motor cortex (SM1) compared to ER runs. In the rest state, when the electrical stimulation was turned on, there was more activation in the following areas: right cerebellum, left SM1, pCg, bilateral pM, left mesencephalus and aCg. There was clinical improvement in the patients, and the motor performance in the first post operative week, in the drug withdrawn phase as well as in the global evaluation after six months were correlated with the motor parameters recorded during the fMRI exams. CONCLUSIONS: we have developed a method for fMRI in PD patients with DBS, which enabled the following observations: BK runs showed increased frequency of activity in SM1 in PD patients with electrical stimulation turned on, while the ER runs showed more frequency of activation in normal volunteers in primary and secondary motor regions; the electrical stimulations in rest state produced activity detected in cerebellum, primary and secondary motor regions

While task-based functional magnetic resonance imaging (fMRI) has helped us understand the functional role of many regions in the human brain, many diseases and complex behaviors defy explanation. Alternatively, if no task is performed, the fMRI signal between distant, anatomically connected, brain regions is similar over time. These correlations in “resting state” fMRI have been strongly linked to behavior and disease. Previous work primarily calculated correlation in entire fMRI runs of six minutes or more, making understanding the neural underpinnings of these fluctuations difficult. Recently, coordinated dynamic activity on shorter time scales has been observed in resting state fMRI: correlation calculated in comparatively short sliding windows and quasi-periodic (periodic but not constantly active) spatiotemporal patterns. However, little relevance to behavior or underlying neural activity has been demonstrated. This dissertation addresses this problem, first by using 12.3 second windows to demonstrate a behavior-fMRI relationship previously only observed in entire fMRI runs. Second, simultaneous recording of fMRI and electrical signals from the brains of anesthetized rats is used to demonstrate that both types of dynamic activity have strong correlates in electrophysiology. Very slow neural signals correspond to the quasi-periodic patterns, supporting the idea that low-frequency activity organizes large scale information transfer in the brain. This work both validates the use of dynamic analysis of resting state fMRI, and provides a starting point for the investigation of the systemic basis of many neuropsychiatric diseases.

INTRODUÇÃO: A estimulação cerebral profunda (ECP) é usada para tratar a doença de Parkinson (DP) avançada. A estimulação do núcleo subtalâmico (NST) melhora os sintomas de parkinsonismo, mas seu mecanismo de ação permanece pouco compreendido. A ressonância magnética functional (RMf) pode auxiliar no estudo de áreas cerebrais motoras de forma a melhorar o entendimento dos mecanismos de ação da ECP. O objetivo desta tese foi de desenvolver e testar técnicas de RMf para estudo de pacientes com DP tratados com ECP. MÉTODOS: Foram realizados testes para verificar interferência do sistema de ECP nas imagens de RMf e realizadas adaptações de modo a diminuir os artefatos na imagem. A seguir foram examinados pacientes com DP em quatro condições: durante a movimentação da mão direita (antes do implante dos eletrodos para ECP, depois da cirurgia sem estímulo elétrico e depois da cirurgia com estímulo elétrico no NST) e durante o repouso com a estimulação elétrica ligada e desligada. No total foram examinados dez pacientes, dos quais oito foram comparados a voluntários normais. Foram realizadas três sessões de RMf em cada condição, utilizando dois tipos de seqüências: em bloco (BL) e relacionada a eventos (RE). As imagens foram analisadas calculando-se a freqüência de atividade cerebral detectada em 19 áreas sensitivo-motoras. Dados comportamentais durante o exame e a evolução clínica foram analisados. RESULTADOS: Os pacientes não apresentaram complicações decorrentes dos exames de RMf. Após modificações na técnica de implante do eletrodo e ajustes do intervalo pós-cirúrgico para o exame, os artefatos nas imagens foram reduzidos. Nos controles, as sequencias RE mostraram mais atividade que BL nas áreas: área suplementar motora, área pré-motora (pM) direita, cíngulo anterior (Cga), cíngulo posterior (Cgp), tálamo bilateral e putamen direito. Durante a movimentação da mão dominante, comparando as seqüências BL e RE dos pacientes com DP, não houve diferença significativa considerando todos experimentos pré-operatórios e pósoperat órios sem o estímulo elétrico. Com o estímulo elétrico ligado, nas seqüências BL houve maior atividade em relação às RE, na área sensitivomotora primária (SM1) esquerda. Durante o repouso, quando a estimulação elétrica foi ligada houve maior atividade das seguintes áreas: cerebelo direito, SM1 esquerda, Cgp, pM bilateral, mesencéfalo esquerdo e Cga. Houve melhora clínica dos pacientes e tanto a avaliação motora na primeira semana pós-operatória, na fase sem medicação, bem como a avaliação global em seis meses estiveram correlacionadas com os parâmetros motores aferidos durante os exames de RMf. CONCLUSÕES: Foi desenvolvido método para a aplicação da RMf em pacientes com DP submetidos à ECP que permitiu as seguintes observações: as seqüências BL mostraram maior freqüência de atividade na SM1 nos pacientes com DP e ECP ligada, enquanto as seqüências RE mostraram maior freqüência de atividade nos voluntários normais nas áreas motoras primárias e secundárias; e o estímulo elétrico no repouso produziu atividade detectada no cerebelo e nas regiões motoras primárias e secundárias / INTRODUCTION: Deep brain stimulation (DBS) is used to treat advanced Parkinson\'s disease (PD). Stimulation of the subthalamic nucleus (STN) is effective to improve the symptoms related to parkinsonism, but its mechanism of action remains poorly understood. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) can be applied to study brain areas involved in motor activity, as a mean to better understand the effects of DBS. In this work we aimed to develop and test fMRI techniques to study DP patients treated with DBS. METHODS: We have initially performed tests to check the interference of the DBS in image quality and made adaptations that minimized the artifacts. After this initial phase PD patients were examined by fMRI in four different phases: during right hand movement (before surgery to implant DBS electrodes, after the surgery with the electrical stimulation turned off, and after the surgery with the electrical stimulation turned on the STN) and at rest with electrical stimulation turned on. In total, ten patients were examined, eight of them paired to matched normal volunteers. All tasks were performed in three independent sessions for each condition, using two types of runs: blocked (BK) and event-related (ER). The images were analyzed calculating the frequency of activation detected in 19 sensory-motor areas. Behavioral data during fMRI exams and clinical data were also recorded. RESULTS: There were no clinical complications due to fMRI exams. The modifications in the DBS procedure and post-surgical time to fMRI examination resulted in a reduction of the image artifacts. In the controls the ER runs showed more activity than BK in: supplementary motor area, right pre-motor area (pM), anterior cingulated gyrus (aCg), posterior cingulated gyrus (pCg), bilateral thalamus, and right putamen. During the dominant hand movements, when comparing ER and BK runs in PD patients there was no significant difference considering pre and post operative phases without electrical stimulation. When the electrical stimulation was turned on, BK runs showed more activation in the left primary sensory-motor cortex (SM1) compared to ER runs. In the rest state, when the electrical stimulation was turned on, there was more activation in the following areas: right cerebellum, left SM1, pCg, bilateral pM, left mesencephalus and aCg. There was clinical improvement in the patients, and the motor performance in the first post operative week, in the drug withdrawn phase as well as in the global evaluation after six months were correlated with the motor parameters recorded during the fMRI exams. CONCLUSIONS: we have developed a method for fMRI in PD patients with DBS, which enabled the following observations: BK runs showed increased frequency of activity in SM1 in PD patients with electrical stimulation turned on, while the ER runs showed more frequency of activation in normal volunteers in primary and secondary motor regions; the electrical stimulations in rest state produced activity detected in cerebellum, primary and secondary motor regions

INTRODUÇÃO: Apesar da importância dos medicamentos antidepressivos no tratamento dos transtornos de humor e de ansiedade, sua ação sobre sistemas cerebrais responsáveis pela expressão emocional ainda não foram claramente estabelecidos. Estudos recentes têm examinando o sinal dependente de nível de oxigenação sanguínea (do inglês, \"BOLD\") durante estímulos emocionais em indivíduos saudáveis sob uso de antidepressivos. Nesse estudo, pretendemos estender essa avaliação às alterações do humor e comportamento emocional devido ao uso prolongado de um antidepressivo bloqueador de serotonina e noradrenalina em pessoas saudáveis. MÉTODOS: foram selecionados dezesseis voluntários, sem antecedentes psiquiátricos pessoais ou familiares, que participaram de um ensaio farmacológico simples-cego de quatro semanas de doses baixas de clomipramina (até 40 mg/dia). Ao final desse período, dez sujeitos foram selecionados como não responsivos, e os restantes seis sujeitos foram selecionados como responsivos por apresentarem claras mudanças em três dos quatro seguintes critérios: tolerância interpessoal, eficiência, bem estar, e mudança substancial em sua auto percepção. O grupo de sujeitos classificados como responsivos foram submetidos a um ensaio controlado duplo-cego confirmatório. A aquisição de imagens cerebrais ocorreu após quatro semanas de uso de medicação (simples cego) e quatro semanas após a sua suspensão, ao final da participação no ensaio farmacológico. O imageamento cerebral foi realizado durante a indução de estados afetivos de felicidade, irritabilidade e neutros por relatos autobiográficos. A resposta emocional desses estados foi obtida por escalas de auto avaliação de ansiedade, irritabilidade e felicidade. As diferenças de sinal entre os estados afetivos foram utilizadas para a análise estatística da interação dos efeitos estado medicamentoso e grupo por testes ANOVA. RESULTADOS: Foi encontrada uma interação significativa entre o efeito de grupo e o estado medicamentoso sobre os estados afetivos de irritabilidade, mas não sobre os de felicidade. Se observou redução na auto avaliação de ansiedade no grupo responsivo com o uso de medicação na diferença entre os estados induzidos de irritabilidade e felicidade, em comparação com o efeito no grupo não responsivo; e também, redução na auto avaliação de felicidade com o uso de clomipramina na totalidade da amostra, na diferença entre o estados induzidos de irritabilidade e neutro. A alteração sobre o efeito BOLD (p < 0,005) foi localizada em regiões adjacentes à junção frontoparietal para a indução de irritabilidade em relação à felicidade e em relação aos estados neutros, no grupo responsivo em relação ao não responsivo, durante o período em uso relativo àquele sem uso de clomipramina, e na junção têmporo-paríeto-occipital, exclusivamente para a diferença irritabilidade-felicidade. CONCLUSÕES: a modificação favorável que sujeitos saudáveis apresentaram ao uso prolongado de um antidepressivo bloqueador da serotonina e noradrenalina, pode estar relacionada à modificação no processamento cerebral da memória autobiográfica de emoções negativas / INTRODUCTION: despite the importance of antidepressant agents to the treatment of anxiety and depressive disorders, there is not yet a clear understanding of their actions upon specific brain systems relevant to emotional processing. Recent studies have examined blood oxygen level dependent (BOLD) signal during emotion stimuli in healthy individuals in antidepressant use. The study intends to extend these measures to the changes over mood and emotional behavior by prolonged use of a serotonin and noradrenaline blocker antidepressant. METHODS: we selected sixteen subjects, with no personal or family history of psychiatric disorders, which participated of a four-week single-blind trial with low doses of clomipramine (up to 40mg/day). After this period, ten subjects were classified as non responsives, the remaining six subjects being classified as responsives because clomipramine provided positive changes in three of four of the following criteria: interpersonal tolerance, self-efficacy, mood and self-perception of a substantial change. Responsives were included in a placebo-controlled confirmatory trial. Imaging sessions occurred at the end of the four-week course of clomipramine and again after a four-week clomipramine washout period, at the end of pharmacological trial. Subjects were scanned during the induction of irritability, happiness and neutral affective states by autobiographical recall. Self-report assessment was performed for each induction by anxiety, irritability and happiness scales. Inter-condition differences (affective induction) were used in the analysis of interaction of medication status and group effects by ANOVA tests. RESULTS: A significant interaction was found between group and treatment during irritability, but not during happiness emotions. It was observed a reduction in the scale of self-evaluation of anxiety in responsive group with the use of medication to the difference between irritability-happiness states, compared to the non responsive group; and a reduction in auto evaluation of happiness, in the totality of the sample in use of clomipramine, in difference irritability-neutral. There was a significant increase of BOLD effect in the responsive group during use relative to the period without use of clomipramine, compared to the effect on non-responsive group (p < 0.005). This effect was located in regions that surround the frontoparietal junction to the irritability relative to happiness and to irritability relative to neutral induction, and in the temporo-parieto-occipital junction, exclusively to the irritability relative to happiness induction. CONCLUSIONS: The favorably changes in healthy subjects who respond to prolonged serotonin and noradrenaline blocker use, may relate to changes in neural processes of autobiographical memory of negative emotions

INTRODUÇÃO: Apesar da importância dos medicamentos antidepressivos no tratamento dos transtornos de humor e de ansiedade, sua ação sobre sistemas cerebrais responsáveis pela expressão emocional ainda não foram claramente estabelecidos. Estudos recentes têm examinando o sinal dependente de nível de oxigenação sanguínea (do inglês, \"BOLD\") durante estímulos emocionais em indivíduos saudáveis sob uso de antidepressivos. Nesse estudo, pretendemos estender essa avaliação às alterações do humor e comportamento emocional devido ao uso prolongado de um antidepressivo bloqueador de serotonina e noradrenalina em pessoas saudáveis. MÉTODOS: foram selecionados dezesseis voluntários, sem antecedentes psiquiátricos pessoais ou familiares, que participaram de um ensaio farmacológico simples-cego de quatro semanas de doses baixas de clomipramina (até 40 mg/dia). Ao final desse período, dez sujeitos foram selecionados como não responsivos, e os restantes seis sujeitos foram selecionados como responsivos por apresentarem claras mudanças em três dos quatro seguintes critérios: tolerância interpessoal, eficiência, bem estar, e mudança substancial em sua auto percepção. O grupo de sujeitos classificados como responsivos foram submetidos a um ensaio controlado duplo-cego confirmatório. A aquisição de imagens cerebrais ocorreu após quatro semanas de uso de medicação (simples cego) e quatro semanas após a sua suspensão, ao final da participação no ensaio farmacológico. O imageamento cerebral foi realizado durante a indução de estados afetivos de felicidade, irritabilidade e neutros por relatos autobiográficos. A resposta emocional desses estados foi obtida por escalas de auto avaliação de ansiedade, irritabilidade e felicidade. As diferenças de sinal entre os estados afetivos foram utilizadas para a análise estatística da interação dos efeitos estado medicamentoso e grupo por testes ANOVA. RESULTADOS: Foi encontrada uma interação significativa entre o efeito de grupo e o estado medicamentoso sobre os estados afetivos de irritabilidade, mas não sobre os de felicidade. Se observou redução na auto avaliação de ansiedade no grupo responsivo com o uso de medicação na diferença entre os estados induzidos de irritabilidade e felicidade, em comparação com o efeito no grupo não responsivo; e também, redução na auto avaliação de felicidade com o uso de clomipramina na totalidade da amostra, na diferença entre o estados induzidos de irritabilidade e neutro. A alteração sobre o efeito BOLD (p < 0,005) foi localizada em regiões adjacentes à junção frontoparietal para a indução de irritabilidade em relação à felicidade e em relação aos estados neutros, no grupo responsivo em relação ao não responsivo, durante o período em uso relativo àquele sem uso de clomipramina, e na junção têmporo-paríeto-occipital, exclusivamente para a diferença irritabilidade-felicidade. CONCLUSÕES: a modificação favorável que sujeitos saudáveis apresentaram ao uso prolongado de um antidepressivo bloqueador da serotonina e noradrenalina, pode estar relacionada à modificação no processamento cerebral da memória autobiográfica de emoções negativas / INTRODUCTION: despite the importance of antidepressant agents to the treatment of anxiety and depressive disorders, there is not yet a clear understanding of their actions upon specific brain systems relevant to emotional processing. Recent studies have examined blood oxygen level dependent (BOLD) signal during emotion stimuli in healthy individuals in antidepressant use. The study intends to extend these measures to the changes over mood and emotional behavior by prolonged use of a serotonin and noradrenaline blocker antidepressant. METHODS: we selected sixteen subjects, with no personal or family history of psychiatric disorders, which participated of a four-week single-blind trial with low doses of clomipramine (up to 40mg/day). After this period, ten subjects were classified as non responsives, the remaining six subjects being classified as responsives because clomipramine provided positive changes in three of four of the following criteria: interpersonal tolerance, self-efficacy, mood and self-perception of a substantial change. Responsives were included in a placebo-controlled confirmatory trial. Imaging sessions occurred at the end of the four-week course of clomipramine and again after a four-week clomipramine washout period, at the end of pharmacological trial. Subjects were scanned during the induction of irritability, happiness and neutral affective states by autobiographical recall. Self-report assessment was performed for each induction by anxiety, irritability and happiness scales. Inter-condition differences (affective induction) were used in the analysis of interaction of medication status and group effects by ANOVA tests. RESULTS: A significant interaction was found between group and treatment during irritability, but not during happiness emotions. It was observed a reduction in the scale of self-evaluation of anxiety in responsive group with the use of medication to the difference between irritability-happiness states, compared to the non responsive group; and a reduction in auto evaluation of happiness, in the totality of the sample in use of clomipramine, in difference irritability-neutral. There was a significant increase of BOLD effect in the responsive group during use relative to the period without use of clomipramine, compared to the effect on non-responsive group (p < 0.005). This effect was located in regions that surround the frontoparietal junction to the irritability relative to happiness and to irritability relative to neutral induction, and in the temporo-parieto-occipital junction, exclusively to the irritability relative to happiness induction. CONCLUSIONS: The favorably changes in healthy subjects who respond to prolonged serotonin and noradrenaline blocker use, may relate to changes in neural processes of autobiographical memory of negative emotions