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.

In this thesis a simulated fMRI toolbox is developed in order to generate simulated data to compare and benchmark different functional magnetic resonance image analysis methods. This toolbox is capable of loading a high resolution anatomic brain volume, generating 4D fMRI data in the same data space with the anatomic image, and allowing the user to create block and event-related design paradigms. Common fMRI artifacts such as scanner drift, cardiac pulsation, habituation and task related or spontaneous head movement can be incorporated into the 4D fMRI data. Input to the toolbox is possible through MINC 2.0 file format, and output is provided in ANALYZE format. The major contribution of this toolbox is its facilitation of comparison of fMRI analysis methods by generating several different fMRI data under varying noise and experiment parameters.

The sensorimotor cortex is a brain region comprising the primary motor cortex (MI) and the primary somatosensory (SI) cortex. In humans, investigation into these regions suggests that MI and SI are involved in the modulation and control of motor and somatosensory processing, and are somatotopically organized according to a body plan (Penfield & Boldrey, 1937). Additional investigations into somatotopic mapping in relation to the limbs in the peripheral nervous system and SI in central nervous system have further born out the importance of this body-based organization (Wall & Dubner, 1972). Understanding the nature of the sensorimotor cortex‟s structure and function has broad implications not only for human development, but also motor learning (Taubert et al., 2011) and clinical applications in structural plasticity in Parkinson‟s disease (Sehm et al., 2014), among others. The aim of the present thesis is to identify functionally meaningful subregions within the sensorimotor cortex via parcellation analysis. Previously, cerebral subregions were identified in postmortem brains by invasive procedures based on histological features (Brodmann, 1909; Vogt. & Vogt., 1919; Economo, 1926; Sanides, 1970). One widely used atlas is based on Brodmann areas (BA). Brodmann divided human brains into several areas based on the visually inspected cytoarchitecture of the cortex as seen under a microscope (Brodmann, 1909). In this atlas, BA 4, BA 3, BA 1 and BA 2 together constitute the sensorimotor cortex (Vogt. & Vogt., 1919; Geyer et al., 1999; Geyer et al., 2000). However, BAs are incapable of delineating the somatotopic detail reflected in other research (Blankenburg et al., 2003). And, although invasive approaches have proven reliable in the discovery of functional parcellation in the past, such approaches are marked by their irreversibility which, according to ethical standards, makes them unsuitable for scientific inquiry. Therefore, it is necessary to develop non-invasive approaches to parcellate functional brain regions. In the present study, a non-invasive and task-free approach to parcellate the sensorimotor cortex with resting-state fMRI was developed. This approach used functional connectivity patterns of brain areas in order to delineate functional subregions as connectivity-based parcellations (Wig et al., 2014). We selected two adjacent BAs (BA 3 and BA 4) from a standard template to cover the area along the central sulcus (Eickhoff et al., 2005). Then subregions within this area were generated using resting-state fMRI data. These subregions were organized somatotopically from medial-dorsal to ventral-lateral (corresponding roughly to the face, hand and foot regions, respectively) by comparing them with the activity maps obtained by using independent motor tasks. Interestingly, resting-state parcellation map demonstrated higher correspondence to the task-based divisions after individuals had performed motor tasks. We also observed higher functional correlations between the hand area and the foot and tongue area, respectively, than between the foot and tongue regions. The functional relevance of those subregions indicates the feasibility of a wide range of potential applications to brain mapping (Nebel et al., 2014). In sum, the present thesis provides an investigation of functional network, functional structure, and properties of the sensorimotor cortex by state-of-art neuroimaging technology. The methodology and the results of the thesis hope to carry on the future research of the sensorimotor system.

Parkinson’s disease (PD) is a progressive neurodegenerative movement disorder characterized by a large number of motor and non-motor deficits, which significantly contribute to reduced quality of life. Despite the definition of the broad spectrum of clinical characteristics, mechanisms triggering illness, the nature of its progression and a character of therapeutic effects still remain unknown. The enormous advances in magnetic resonance imaging (MRI) in the last decades have significantly affected the research attempts to uncover the functional and structural abnormalities in PD and have helped to develop and monitor various treatment strategies, of which dopamine replacement strategies, mainly in form of levodopa, has been the gold standard since the late seventies and eighties. Motor, task-related functional MRI (fMRI) has been extensively used to assess the pathological state of the motor circuitry in PD. Several studies employed motor paradigms and fMRI to review the functional brain responses of participants to levodopa treatment. Interestingly, they provided conflicting results. Wide spectrum of symptoms, variability and asymmetry of the disease presentation, several treatment approaches and their divergent outcomes make PD enormously heterogeneous. In this work we hypothesized that not considering the disease heterogeneity might have been an adequate cause for the discrepant results in aforementioned studies. We show that not accounting for the disease variability might indeed compromise the results and invalidate the consequent interpretations. Accordingly, we propose and formalize a statistical approach to account for the intra and inter subject variability. This might help to minimize this bias in future motor fMRI studies revealing the functional brain dysfunction and contribute to the understanding of still unknown pathophysiological mechanisms underlying PD.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:28:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MorganaMN_DISSERT.pdf: 8378987 bytes, checksum: 55d0d3823fa6d9c47865791e3edefa62 (MD5) Previous issue date: 2012-08-24 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / Mirror therapy (MT) is being used as a rehabilitation tool in various diseases, including stroke. Although some studies have shown its effectiveness, little is known about neural mechanisms that underlie the rehabilitation process. Therefore, this study aimed at assessing cortical neuromodulation after a single MT intervention in ischemic stroke survivors, by means of by functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) and Transcranial Magnetic Stimulation (TMS). Fifteen patients participated in a single thirty minutes MT session. fMRI data was analyzed bilaterally in the following Regions of Interest (ROI): Supplementary Motor Area (SMA), Premotor cortex (PMC), Primary Motor cortex (M1), Primary Sensory cortex (S1) and Cerebellum. In each ROI, changes in the percentage of occupation and beta values were computed. Group fMRI data showed a significant decreased in the percentage of occupation in PMC and cerebellum, contralateral to the affected hand (p <0.05). Significant increase in beta values was observed in the following contralateral motor areas: SMA, Cerebellum, PMC and M1 (p<0,005). Moreover, a significant decrease was observed in the following ipsilateral motor areas: PMC and M1 (p <0,001). In S1 a bilateral significant decrease (p<0.0005) was observed.TMS consisted of the analysis of Motor Evoked Potential (MEP) of M1 hotspot. A significant increase in the amplitude of the MEP was observed after therapy in the group (p<0,0001) and individually in 4 patients (p <0.05). Altogether, our results imply that single MT intervention is already capable of promoting changes in neurobiological markers toward patterns observed in healthy subjects. Furthermore, the contralateral hemisphere motor areas changes are opposite to the ones in the ipsilateral side, suggesting an increase system homeostasis. / A Terapia Espelho (TE) vem sendo usada como ferramenta de reabilita??o para v?rias doen?as, incluindo o Acidente Vascular Cerebral (AVC). Embora alguns estudos tenham mostrado sua efic?cia cl?nica, pouco se sabe sobre os mecanismos neurais que levam ? melhora observada. Desse modo, este estudo teve como objetivo avaliar a neuromodula??o cortical promovida pela interven??o ?nica da TE em pacientes acometidos por AVC, por meio da Resson?ncia Magn?tica funcional (fMRI, do ingl?s Functional Magnetic Resonance Imaging) e da Estimula??o Magn?tica Transcraniana (TMS, do ingl?s Transcranial Magnetic Stimulation). Quinze pacientes participaram de sess?o ?nica de trinta minutos de TE. Os dados de fMRI foram analisados nas seguintes regi?es de interesse (ROI), bilateralmente: ?rea Motora Suplementar (AMS), c?rtex pr?-motor (PM), c?rtex motor prim?rio (M1), c?rtex sensorial prim?rio (S1) e Cerebelo. Em cada ROI, as mudan?as na porcentagem de ocupa??o e os valores de beta foram avaliados. Os resultados revelaram redu??o significativa no percentual de ocupa??o no PM e cerebelo contralateral ? m?o afetada (p <0,05). Al?m disso, foi observado aumento significativo nos valores de beta nas seguintes ?reas motoras contralaterais: AMS, Cerebelo, PM e M1 (p <0,005) e diminui??o significativa nas seguintes ?reas motoras ipsilaterais: PM e M1 (p < 0,001). Nas ?reas sensoriais foi observada redu??o em S1 bilateralmente (p <0,0005). Pela TMS foi analisado o Potencial Evocado Motor (PEM) sobre o hot spot de M1. Aumento significativo na amplitude do PEM foi observado ap?s a terapia no grupo (p<0,0001), e individualmente em 4 pacientes (p <0,05). Assim, nossos resultados indicam que interven??o ?nica da TE muda marcadores neurobiol?gicos em dire??o ao padr?o observado em indiv?duos saud?veis. Al?m disso, as altera??es nas ?reas motoras do hemisf?rio contralateral s?o opostas as do lado ipsilateral, sugerindo um aumento na homeostase do sistema.

A avaliação da variabilidade inter-individual da atividade funcional é de grande importância na utilização da ressonância magnética funcional (fMRI) no contexto clínico. O objetivo principal desse estudo é analisar a variabilidade da ativação cerebral dos sistemas vestibular e oculomotor, através da fMRI em resposta à estimulação optocinética horizontal e aos movimentos de rastreio e sacade dos olhos. Para isso, imagens por ressonância magnética foram obtidas de vinte e três voluntários assintomáticos (treze para o estudo optocinético e dez para os estudos rastreio e sacade) em um scanner de 1.5 T Siemens (Magneton Vision) com seqüências do tipo EPI-BOLD. Os mapas estatísticos foram obtidos no programa Brain Voyager, utilizando o método Modelo Geral Linear. Encontramos ativação significante no córtex visual primário, ao longo do giro occipital médio e inferior, no giro temporal médio, superior e inferior, no giro pós- e pré-central, ao longo do giro frontal inferior, superior e médio, no giro supramarginal, no lobo parietal superior e inferior, na ínsula e no cíngulo anterior e posterior. Grupos de atividade também foram encontrados em estruturas subcorticais (putamen, globo pálido, corpo caloso e tálamo), além do cerebelo. A análise da freqüência de ativação revelou uma alta variabilidade entre voluntários. Contudo, as regiões com maior freqüência de ativação foram as áreas frontais e a área que compreende o giro temporal médio e médio superior. Utilizamos dois métodos para a análise dos índices de lateralização, o primeiro admite um valor estatístico fixo e o segundo leva em consideração a dependência do limiar estatístico com o número de pixels ativados, o segundo método mostrou-se mais confiável. Os índices mostraram uma dominância do hemisfério direito para o estudo optocinético. Já, para os estudos rastreio e sacade, não verificamos essa dominância. Esse estudo permitiu a caracterização das mais freqüentemente áreas envolvidas nas tarefas de estimulação optocinética e dos movimentos de rastreio e sacade dos olhos. A combinação dessas tarefas constitui uma grande ferramenta para determinar a lateralização dessas funções e mapear as maiores áreas envolvidas nos sistemas oculomotor e vestibular. / Assessing inter-variability of functional activations is of practical importance in the use of functional magnetic resonance imaging (fMRI) in clinical context. The main objective of this study is to analyze the variability of cerebral activation of the vestibular and oculomotor systems through an optokinetic horizontal, a pursuit and saccadic eye movement stimulations by means of fMRI. For this, images of magnetic resonance were acquired of twenty and three asymptomatic volunteers (thirteen for the optokinetic study and ten for the pursuit and saccade stimulations) in scanner of 1.5 T Siemens (Magneton Vision) with EPI-BOLD fMRI sequences. The statistical maps were analyzed in Brain Voyager software, using the method General Linear Model. We find significant activation in primary visual cortex, in middle and inferior occipital gyrus, in middle, superior and inferior temporal gyrus, in postcentral and precentral gyrus, in middle, inferior and superior frontal gyrus, in supramarginal gyrus, in superior and inferior parietal lobule, in insula and in anterior and posterior cingulate gyrus. Groups of activity had been also found in subcorticals structures (putamen, globus pallidus, corpus callosum and thalamus), beyond the cerebellum. The analysis of the activation frequency displays a high variability between volunteers. However, the most frequently activation regions were localized in areas frontals and in regions comprehending the middle and medial superior temporal gyrus. We use two methods for the analysis of the laterality index, the first admits a fixed statistical value and the second takes in consideration the dependence of the statistical threshold within the activated number of pixels, the second method revealed more reliability. The indices had shown a right hemisphere dominance for the optokinetic study but, for the pursuit and saccade stimulations, we do not verify this dominance. Our study allowed the characterization of the most frequently involved foci in tasks of optokinetic and pursuit and saccade eye movement stimulations. The combination of these tasks constitutes a suitable tool for determine the lateralization of these functions and for mapping major areas involved in the oculomotor and vestibular systems.

Apesar das evidências a favor da automaticidade no processamento de estímulos aversivos, especialmente na amígdala, a sua resposta parece ser dependente da disponibilidade de re- cursos atentivos. Dessa forma, a atenção pode atuar como um mecanismo de regulação emocional, importante para a compreensão de uma série de distúrbios psiquiátricos em que este mecanismo está prejudicado. Nesse estudo, investigamos o processo do regulação e- mocional pela atenção sob uma condição de grande demanda atentiva e com estímulos altamente aversivos. Imagens funcionais por ressonância magnética foram adquiridas de 22 voluntários saudáveis enquanto figuras emocionais (IAPS - International Afective Picture System), neutras e aversivas (corpos mutilados) eram apresentadas enquanto eles realiza- vam três tarefas diferentes, em que a atenção era manipulada. As imagens foram apresenta- das no centro do campo visual, enquanto apareciam duas barras, uma de cada lado da figu- ra. As três tarefas atentivas correspondiam a reconhecer: (1) a valência emocional da figura, (2) a semelhança na orientação das duas barras com diferenças de 0º ou 90º (tarefa fácil) e (3) a semelhança das mesmas com diferença de 0º ou apenas 6º (tarefa muito difícil). Nas análises de regiões de interesse (ROIs) observamos um padrão de regulação emocional, com dimuição da amplitude do sinal BOLD estimado, nas regiões da amígdala, ínsula ante- rior, cíngulo posterior e córtex pré-frontal medial, ventrolateral e orbitofrontal na tarefa fácil. Já na tarefa difícil, esse comportamento se manteve, com excessão do sinal da ínsula e do orbitofrontal, que voltou a subir, talvez, por um efeito de estresse. Verificamos uma maior amplitude do sinal BOLD na região dos córtices pré-frontal dorsolateral, parietal superior e área motora suplementar quando a atenção foi alocada para as tarefas de barras, supostamente, por um efeito da demanda maior de atenção. Nestes resultados, todo um conjunto de estruturas envolvidas no processamento emocional foi regulado pela manipu- lação da atenção nas tarefas. Também observamos uma correlação entre o traço de afeto positivo dos sujeitos e a estimativa do sinal BOLD da amígdala sob a regulação emocional. Estas evidências indicam que, mesmo para estímulos extremamente negativos, a disponibi- lidade de recursos de atenção e, talvez, mecanismos inibitório de controle cognitivos sobre a amígdala sejam fatores condicionantes da resposta emocional. / Because of the biological significance of motional stimuli, their processing is considered largely automatic. However, there are also evidences that processing of emotional stimuli requires some level of attention. Higher attention demands in a task may limit emotional processing which can be interpreted as an emotion regulation strategy. Our experiments utilized highly demanding attention task while also highly aversive and arousing visual stimuli comprising mutilated bodies is presented. The experiment employed a single task, which consisted of determining whether two peripheral bars were like oriented or not, such to evaluate further brain mechanisms involved in emotion regulation by functional mag- netic resonance imaging (fMRI). Our results revealed that task-irrelevant unpleasant images slowed reaction time during the performance of the main easy task, but not at highly de- manding one which is suggesting of emotion suppression. Such modulatory effect was also revealed by ROI analysis showing that many brain regions, including regions of amygdala, anterior insula, posterior cingulate, and medial, ventrolateral and orbitofrontal prefrontal cortex have their processing of emotional visual stimuli reduced by attentional manipula- tions while there were BOLD signal increases in dorsolateral prefrontal and superior parie- tal cortex respective to attention demand. These results suggest that attentional manipula- tions that more fully consume attentional resources in order to demonstrate that the proc- essing of emotional stimuli is limited.

O tecido cerebral é altamente dependente de uma complexa rede vascular e um suprimento adequado de oxigênio, uma vez que o metabolismo oxidativo é a principal via de produção de ATP. Entretanto, durante o aumento da atividade neuronal existe uma relação não linear entre fluxo sanguíneo cerebral e consumo de oxigênio, verificado por tomografia de emissão de pósitrons e posteriormente por técnicas quantitativas de ressonância magnética nuclear. O aumento mais pronunciado do fluxo sanguíneo em comparação com o consumo de oxigênio levanta questões sobre a possibilidade de o oxigênio atuar como um fator limitante. Apesar dos efeitos devastadores da privação completa de oxigênio ao tecido cerebral dentro de minutos, a redução da disponibilidade de oxigênio por curtos períodos de tempo é comum em pacientes com apneia do sono e está associada como fator de risco à hipertensão e acidentes vasculares. Acreditamos que a obtenção de novas informações sobre o efeito da disponibilidade de oxigênio na regulação da resposta vascular e do metabolismo energético no cérebro humano in vivo é crucial para um melhor entendimento de aspectos básicos do metabolismo energético cerebral e sua relação com o sistema neurovascular. Nesta tese foi avaliado o impacto da redução da disponibilidade de oxigênio no acoplamento neurovascular e metabólico do cérebro humano saudável. Dois estudos foram realizados na presença de hipóxia moderada, com saturação sanguínea entre 80 a 85%, e normóxia como condição de controle. O primeiro utilizou técnicas quantitativas de ressonância magnética funcional (fMRI) em 3T para caracterizar a resposta vascular evocada de 9 sujeitos saudáveis perante a estimulação visual. O segundo visou caracterizar as concentrações metabólicas em repouso e também as alterações induzidas pela estimulação visual em 11 sujeitos, utilizando a técnica de espectroscopia de ressonância magnética funcional (fMRS) em 7T. Os dados de fMRI mostraram reduções significativas das áreas corticais recrutadas durante a hipóxia moderada, embora as áreas comuns às três técnicas que continuaram ativas demonstraram respostas com amplitude de fluxo e volume sanguíneos similares a normoxia. Além disto, a variação de consumo de oxigênio devido à estimulação visual foi menor durante a hipóxia. Tais achados potencialmente poderiam indicar diminuição da extensão do recrutamento neuronal, porém um novo desacoplamento entre atividade neuronal e a resposta vascular, ou seja, aumento da atividade neuronal sem uma mesma resposta vascular durante a hipóxia moderada não poderia ser descartado. O estudo de fMRS demonstrou alterações metabólicas (glutamato e lactato) induzidas pela estimulação similares em ambas as condições gasosas. Entretanto, alterações significativas nas concentrações de aspartato, glutamato e glutamina foram observadas entre as condições no repouso. A combinação dos achados de ambos os estudos aqui apresentados sugere que a hipóxia moderada não resulta na diminuição do recrutamento neuronal, pois variações similares de glutamato e lactato, considerados fortes marcadores do aumento de atividade neuronal, foram observadas durante hipóxia moderada. Entretanto, há evidências de que a disponibilidade reduzida de oxigênio leva a alterações no mecanismo do acoplamento vascular e também no metabolismo basal. Análises futuras serão necessárias para verificar se existe um mecanismo fisiológico que explica as alterações vasculares e metabólicas aqui observadas. / The cerebral tissue is highly dependent on a complex vascular network and a tight regulated supply of oxygen, since oxidative metabolism is the primary source of ATP synthesis. Increased neuronal activity leads to a well-established mismatch between CBF and CMRO2, measured by PET and nuclear magnetic resonance techniques. The much larger CBF evoked response as compared to CMRO2 response raises questions about the role played by oxygen as a potential limiting factor. Despite the devastating effects of intense hypoxia to cerebral tissue, moderate oxygen deprivation through short periods of time is frequent in chronic disorders such as obstructive sleep apnea and has been suggested to be a risk factor for morbidities such as hypertension and stroke. Identifying the impact of mild hypoxia on functional brain metabolism in the healthy human brain is a crucial step for understanding basics aspects of cerebral bioenergetics and its relationship with the neurovascular system. In this thesis we evaluate the impact of reduced oxygen availability in the neurovascular and metabolic coupling of the healthy human brain. Two studies were performed in the presence of mild hypoxia, with 80 to 85% arterial blood oxygen saturation, and normoxia as the control condition. The first study utilized functional Magnetic Resonance Imaging techniques (fMRI) at 3T to characterize the vascular response to visual stimulation in 9 subjects. The second study aimed at characterizing the neurochemical profile of the human brain and quantifying the stimulus-induced metabolic changes as measured by fMRS at 7T in 11 subjects. The fMRI data showed significant reductions in the recruited cortical areas during mild hypoxia, although activated areas in all three imaging modalities showed responses with similar amplitude of blood flow and volume from normoxia. In addition, the variation of oxygen consumption due to stimulation was smaller during mild hypoxia. These findings could potentially suggest decreased neuronal recruitment, although a new decoupling between neuronal activity and vascular response (i.e. similar neuronal recruitment with different vascular response) could not be discarded. The fMRS study showed similar stimulus-induced glutamate and lactate changes during both gas conditions. However, significant concentration differences were observed in aspartate, glutamate and glutamine during rest conditions. Finally, the combination of the data from the two studies herein presented suggests that mild hypoxia does not result in reduced neuronal recruitment despite the altered vascular response, as shown by the similar glutamate and lactate stimulus-induced responses, known to be strong markers of increased neuronal activity. However, there are evidences that support altered neurovascular coupling and metabolic concentrations during reduced oxygen availability at rest. Further analysis will be necessary to elucidate how the new steady state concentrations of aspartate, glutamate and glutamine could be linked to physiological mechanism that potentially alters the neurovascular response.

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.

The main task of this work is to design an algorithm for suppressing unwanted noise and artifacts in fMRI data using the analysis of independent components and multi-echo data. The theoretical part deals with the basic principles of magnetic resonance, including construction and image data processing. The practical part presents a pilot design of a method inspired by a professional publication in the Matlab software environment, where this design is subsequently tested on real fMRI data provided by the Laboratory of Multimodal and Functional Imaging, CEITEC MU.