Muitas operações cognitivas requerem velocidade de processamento de informação (VPI) suficiente para serem executadas dentro do prazo permitido, sendo que VPI retardada geralmente está subjacente a déficits atencionais. A desaceleração no tempo de resposta é particularmente evidente em pacientes com traumatismo crânio-encefálico, doença de Parkinson, depressão, demência e esclerose múltipla (EM). A importância de compreender os déficits de VPI e o desenvolvimento de programas efetivos de reabilitação é, portanto, crítico. Devido à sua alta validade preditiva e à sua fácil administração, o Symbol Digit Modalities Test (SDMT) é um dos testes clínicos mais amplamente utilizados para a avaliação cognitiva de pacientes com menor VPI. No entanto, além de avaliar a presença e gravidade de seus déficits, é interessante determinar as regiões cerebrais responsáveis por essa função e sua integração. Devido à sua não invasividade e ao seu bom nível de confiabilidade, a técnica de Imagem de Ressonância Magnética Funcional Dependente do Nível de Oxigenação no Sangue (BOLD-fMRI) é a ferramenta mais apropriada para esse fim. Logo, o objetivo do presente estudo foi o mapeamento funcional cerebral de VPI durante o desempenho de uma tarefa (SDMT) adaptada para o ambiente da ressonância em um grupo de voluntários saudáveis jovens. 16 controles saudáveis destros foram recrutados e submetidos à avaliação cognitiva com a versão oral do SDMT antes da aquisição de imagens. IRM foi adquirida em um sistema de 3T (Philips Achieva). Imagens funcionais (BOLD) foram adquiridas com uma sequência EPI. O experimento consistiu de seis blocos de 30 s de controle intercalados com cinco blocos de 30 segundos de tarefa (SDMT). Durante os blocos de tarefa, um símbolo foi apresentado a cada 2 segundos e ao participante foi requerido que associasse o número correspondente ao símbolo apresentado baseando-se em uma chave de resposta. Durante os blocos de controle, um número foi apresentado a cada 2 segundos e ao participante foi requerido que lesse silenciosamente o número em questão. Mapas paramétricos estatísticos foram obtidos para estudo de localização funcional utilizando o Modelo Linear Geral com um regressor boxcar convoluído com uma função de resposta hemodinâmica canônica (p-FDR < 0,01). Foi realizada a correlação bivariada entre as séries temporais médias das regiões associadas à tarefa para estudo de integração funcional (p-FDR < 0.0001). As informações de localização e integração funcionais foram inseridas em analise de conectividade efetiva. Ativações foram observadas na rede frontoparietal e no córtex occipital para análises individual e em grupo. Análise de conectividade efetiva para a arquitetura do sistema revelou o declive em posição serial com o giro lingual, o cúneo e duas regiões paralelas (pré-cúneo e lóbulo parietal superior), a partir do qual a informação converge para o giro frontal inferior e se bifurca para os giros frontais médios esquerdo e direito. Um modelo de rede envolvendo áreas relacionadas à VPI foi obtido e pode servir como referência para investigações futuras deste processo cognitivo em grupos clínicos, combinadas com estudos de neuroplasticidade cerebral. / Many cognitive operations require sufficient information processing speed (IPS) to be executed within the allowed time frame, with delayed IPS often underlining attentional deficits. The deceleration in response time is particularly evident in patients with traumatic brain injury, Parkinson\'s disease, depression, dementia and multiple sclerosis (MS). The importance of understanding IPS deficits and developing effective rehabilitation programs is therefore critical. Because of its high predictive validity and easy administration, the Symbol Digit Modalities Test (SDMT) is one of the most widely used clinical tests for the cognitive assessment of patients with lower IPS. However, in addition to evaluating the presence and severity of its deficits, it is interesting to determine the brain regions responsible for this function and its integration. Because of its non-invasiveness and its good level of reliability, the BOLD-fMRI technique is the most appropriate tool for this purpose. Therefore, the aim of the present study was the functional brain function mapping of IPS during the performance of a task (SDMT) adapted to the resonance environment in a group of healthy young volunteers. 16 healthy right controls were recruited and submitted to cognitive assessment with the oral version of SDMT prior to image acquisition. MRI was acquired in a 3T system (Philips Achieva). Functional images (BOLD) were acquired with an EPI sequence. The experiment consisted of six blocks of 30 s of control intercalated with five blocks of 30 seconds of task (SDMT). During the task blocks, a symbol was displayed every 2 seconds and the participant was required to associate the number corresponding to the displayed symbol based on a response key. During the control blocks, a number was displayed every 2 seconds and the participant was required to silently read the number in question. Statistical parametric maps were obtained for functional localization study using the General Linear Model with a boxcar regressor convolved with a canonical hemodynamic response function (p-FDR <0.01). The bivariate correlation between the mean time series of the regions associated with the task for functional integration study (p-FDR <0.0001) was performed. The functional location and integration information was inserted into effective connectivity analysis. Activations were observed in the frontoparietal network and in the occipital cortex for individual and group analyzes. Effective connectivity analysis for the system architecture revealed the declive in serial position with the lingual gyrus, the cuneus and two parallel regions (precuneus and superior parietal lobule), from which the information converges to the inferior frontal gyrus and bifurcates to the left and right middle turns. A network model involving areas related to IPS has been obtained and may serve as a reference for future investigations of this cognitive process in clinical groups, combined with studies of cerebral neuroplasticity.

Orientador: Prof. Dr. João Ricardo Sato / The brain is a complex system organized in structurally segregated and functionally specialized regions. The brain areas are composed of neuronal networks interconnected by axonal pathways that integrate through correlated neural activity. Recent studies on neural connectivity using graph theoretical analysis have revealed that brain networks interact through densely connected regions with high topological value called hubs. Previous studies of Default Mode Network (DMN), one of the most important resting-state networks, have improved the understanding of the intrinsic neuronal activity and the dynamics of the human brain. Spontaneous brain activity and Resting-State Functional Connectivity (RSFC) patterns of Resting-State Network (RSN) are essential for the comprehension of the brain function. Neuroimaging techniques such as functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) make these studies possible. Thus, the main objective of this study was to investigate the RSFC using Eigenvector Centrality (EVC) measure of graph theory in fNIRS data. This work has demonstrated the effectiveness of the graph analysis for detection of hubs and mcommunities, and identified brain regions associated with rich-club, that integrates highly interconnected hubs and plays a central role in the flow and integration of Information throughout the brain. One can also conclude from the RSFC analysis the existence of functional hubs associated with DMN. / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia da Informação, 2017. / O cérebro é um sistema complexo organizado em regiões segregadas estruturalmente e especializadas funcionalmente que são compostas por redes neuronais interconectadas por vias axonais que se integram através de atividade neural correlacionada. Estudos recentes sobre conectividade neural usando teoria de grafos revelaram que as redes cerebrais interagem através de regiões densamente conectadas e com alto valor topológico denominadas hubs. Dentre as redes existentes destaca-se, por sua contribuição para a melhor compreensão do funcionamento do cérebro humano, a rede de modo padrão (Default Mode Network, DMN). A atividade espontânea do cérebro e os padrões de conectividade funcional (Resting-State Functional Connectivity, RSFC) das redes cerebrais na condição de repouso (Resting-State Network, RSN) também se tornam essenciais nos estudos que visam compreender a função desse órgão, estudos esses possibilitados graças às técnicas de neuroimagem destacando-se a espectroscopia funcional no infravermelho próximo (functional Near Infrared Spectroscopy, fNIRS). Assim, o objetivo principal deste estudo foi investigar a RSFC usando a medida de centralidade do autovetor (Eigenvector Centrality, EVC), técnica pertencente à teoria de grafos, em dados de fNIRS. Este estudo pode demonstrar a eficácia da metodologia empregada para analisar a RSFC além de revelar a existência de um núcleo estrutural, denominado hub complex, densamente conectado (rich-club), que integra hubs altamente interligados e desempenha papel central no fluxo e integração da informação ao longo do cérebro. Pode-se também concluir a partir da análise da RSFC a existência de hubs funcionais associados à DMN.

Muitas operações cognitivas requerem velocidade de processamento de informação (VPI) suficiente para serem executadas dentro do prazo permitido, sendo que VPI retardada geralmente está subjacente a déficits atencionais. A desaceleração no tempo de resposta é particularmente evidente em pacientes com traumatismo crânio-encefálico, doença de Parkinson, depressão, demência e esclerose múltipla (EM). A importância de compreender os déficits de VPI e o desenvolvimento de programas efetivos de reabilitação é, portanto, crítico. Devido à sua alta validade preditiva e à sua fácil administração, o Symbol Digit Modalities Test (SDMT) é um dos testes clínicos mais amplamente utilizados para a avaliação cognitiva de pacientes com menor VPI. No entanto, além de avaliar a presença e gravidade de seus déficits, é interessante determinar as regiões cerebrais responsáveis por essa função e sua integração. Devido à sua não invasividade e ao seu bom nível de confiabilidade, a técnica de Imagem de Ressonância Magnética Funcional Dependente do Nível de Oxigenação no Sangue (BOLD-fMRI) é a ferramenta mais apropriada para esse fim. Logo, o objetivo do presente estudo foi o mapeamento funcional cerebral de VPI durante o desempenho de uma tarefa (SDMT) adaptada para o ambiente da ressonância em um grupo de voluntários saudáveis jovens. 16 controles saudáveis destros foram recrutados e submetidos à avaliação cognitiva com a versão oral do SDMT antes da aquisição de imagens. IRM foi adquirida em um sistema de 3T (Philips Achieva). Imagens funcionais (BOLD) foram adquiridas com uma sequência EPI. O experimento consistiu de seis blocos de 30 s de controle intercalados com cinco blocos de 30 segundos de tarefa (SDMT). Durante os blocos de tarefa, um símbolo foi apresentado a cada 2 segundos e ao participante foi requerido que associasse o número correspondente ao símbolo apresentado baseando-se em uma chave de resposta. Durante os blocos de controle, um número foi apresentado a cada 2 segundos e ao participante foi requerido que lesse silenciosamente o número em questão. Mapas paramétricos estatísticos foram obtidos para estudo de localização funcional utilizando o Modelo Linear Geral com um regressor boxcar convoluído com uma função de resposta hemodinâmica canônica (p-FDR < 0,01). Foi realizada a correlação bivariada entre as séries temporais médias das regiões associadas à tarefa para estudo de integração funcional (p-FDR < 0.0001). As informações de localização e integração funcionais foram inseridas em analise de conectividade efetiva. Ativações foram observadas na rede frontoparietal e no córtex occipital para análises individual e em grupo. Análise de conectividade efetiva para a arquitetura do sistema revelou o declive em posição serial com o giro lingual, o cúneo e duas regiões paralelas (pré-cúneo e lóbulo parietal superior), a partir do qual a informação converge para o giro frontal inferior e se bifurca para os giros frontais médios esquerdo e direito. Um modelo de rede envolvendo áreas relacionadas à VPI foi obtido e pode servir como referência para investigações futuras deste processo cognitivo em grupos clínicos, combinadas com estudos de neuroplasticidade cerebral. / Many cognitive operations require sufficient information processing speed (IPS) to be executed within the allowed time frame, with delayed IPS often underlining attentional deficits. The deceleration in response time is particularly evident in patients with traumatic brain injury, Parkinson\'s disease, depression, dementia and multiple sclerosis (MS). The importance of understanding IPS deficits and developing effective rehabilitation programs is therefore critical. Because of its high predictive validity and easy administration, the Symbol Digit Modalities Test (SDMT) is one of the most widely used clinical tests for the cognitive assessment of patients with lower IPS. However, in addition to evaluating the presence and severity of its deficits, it is interesting to determine the brain regions responsible for this function and its integration. Because of its non-invasiveness and its good level of reliability, the BOLD-fMRI technique is the most appropriate tool for this purpose. Therefore, the aim of the present study was the functional brain function mapping of IPS during the performance of a task (SDMT) adapted to the resonance environment in a group of healthy young volunteers. 16 healthy right controls were recruited and submitted to cognitive assessment with the oral version of SDMT prior to image acquisition. MRI was acquired in a 3T system (Philips Achieva). Functional images (BOLD) were acquired with an EPI sequence. The experiment consisted of six blocks of 30 s of control intercalated with five blocks of 30 seconds of task (SDMT). During the task blocks, a symbol was displayed every 2 seconds and the participant was required to associate the number corresponding to the displayed symbol based on a response key. During the control blocks, a number was displayed every 2 seconds and the participant was required to silently read the number in question. Statistical parametric maps were obtained for functional localization study using the General Linear Model with a boxcar regressor convolved with a canonical hemodynamic response function (p-FDR <0.01). The bivariate correlation between the mean time series of the regions associated with the task for functional integration study (p-FDR <0.0001) was performed. The functional location and integration information was inserted into effective connectivity analysis. Activations were observed in the frontoparietal network and in the occipital cortex for individual and group analyzes. Effective connectivity analysis for the system architecture revealed the declive in serial position with the lingual gyrus, the cuneus and two parallel regions (precuneus and superior parietal lobule), from which the information converges to the inferior frontal gyrus and bifurcates to the left and right middle turns. A network model involving areas related to IPS has been obtained and may serve as a reference for future investigations of this cognitive process in clinical groups, combined with studies of cerebral neuroplasticity.

Este estudo foi realizado para testar técnicas de ressonância magnética funcional (RMf) para investigar aspectos funcionais da pineal humana. Foram coletadas imagens funcionais e amostras de sangue total para a dosagem da melatonina plasmática antes, durante e após a apresentação de estímulo com luz azul quase monocromática em indivíduos saudáveis. Os participantes realizaram o exame de tomografia computadorizada do crânio sem o uso de contraste endovenoso (TC), para a avaliação qualitativa do grau de calcificação pineal. As conclusões foram: a) não houve ativação da pineal em resposta à aplicação da luz; b) não houve diferenças estatisticamente significativas entre as condições pré-estímulo, durante o estímulo ou pós-estímulo usando diferentes métodos de análise dos dados de RMf, porém, observou-se tendência de maior poder espectral na pineal durante a aplicação do estímulo luminoso do que nas condições pré e pós-estímulo; c) foi identificada a conectividade funcional da pineal, que poderá ser melhor avaliada em estudo futuro. / This study aimed to test the functional magnetic resonance imaging (fMRI) techniques in order to investigate the functional aspects of human pineal gland. Some functional images and total blood samples for dosing the plasmatic melatonin concentration were collected before, during and after the presentation of a monochromatic blue light stimulation in healthy individuals. All subjects were examined by a brain CT scan, with no the administration of endovenous contrast, for the qualitative assessment of the pineal calcification level. The conclusions were the following: a) there was no pineal activation in response to the application of light; b) there were no statistically significant differences between the pre-, during and poststimulation conditions with different analysis methods of fMRI data, however, there was a trend of greater spectral power in the pineal gland during the luminous stimulation application than under the other conditions; c) the functional connectivity of the pineal could be identified, which should be better assessed in a future study.

Este estudo foi realizado para testar técnicas de ressonância magnética funcional (RMf) para investigar aspectos funcionais da pineal humana. Foram coletadas imagens funcionais e amostras de sangue total para a dosagem da melatonina plasmática antes, durante e após a apresentação de estímulo com luz azul quase monocromática em indivíduos saudáveis. Os participantes realizaram o exame de tomografia computadorizada do crânio sem o uso de contraste endovenoso (TC), para a avaliação qualitativa do grau de calcificação pineal. As conclusões foram: a) não houve ativação da pineal em resposta à aplicação da luz; b) não houve diferenças estatisticamente significativas entre as condições pré-estímulo, durante o estímulo ou pós-estímulo usando diferentes métodos de análise dos dados de RMf, porém, observou-se tendência de maior poder espectral na pineal durante a aplicação do estímulo luminoso do que nas condições pré e pós-estímulo; c) foi identificada a conectividade funcional da pineal, que poderá ser melhor avaliada em estudo futuro. / This study aimed to test the functional magnetic resonance imaging (fMRI) techniques in order to investigate the functional aspects of human pineal gland. Some functional images and total blood samples for dosing the plasmatic melatonin concentration were collected before, during and after the presentation of a monochromatic blue light stimulation in healthy individuals. All subjects were examined by a brain CT scan, with no the administration of endovenous contrast, for the qualitative assessment of the pineal calcification level. The conclusions were the following: a) there was no pineal activation in response to the application of light; b) there were no statistically significant differences between the pre-, during and poststimulation conditions with different analysis methods of fMRI data, however, there was a trend of greater spectral power in the pineal gland during the luminous stimulation application than under the other conditions; c) the functional connectivity of the pineal could be identified, which should be better assessed in a future study.