No presente trabalho, conceitos de inferência estatística são utilizados para aplicação e comparação de diferentes métodos de análise de sinais de ressonância magnética funcional. A idéia central baseia-se na obtenção da distribuição de probabilidade da variável aleatória de interesse, para cada método estudado e sob diferentes valores da relação sinal-ruído (SNR). Este objetivo é atingido através de simulações numéricas da função resposta hemodinâmica (HRF) acrescida de ruído gaussiano. Tal procedimento nos permite avaliar a sensibilidade e a especificidade dos métodos empregados através da construção das curvas ROC (receiver operating characteristic) para diferentes valores de SNR. Sob específicas condições experimentais, aplicamos métodos clássicos de análise (teste t de Student e correlação), medidas de informação (distância de Kullback-Leibler e sua forma generalizada) e um método Bayesiano (método do pixel independente). Em especial, mostramos que a distância de Kullback-Leibler (D) (ou entropia relativa) e sua forma generalizada são medidas úteis para análise de sinais dentro do cenário de teoria da informação. Estas entropias são usadas como medidas da \"distância\"entre as funções de probabilidade p1 e p2 dos níveis do sinal relacionados a estímulo e repouso. Para prevenir a ocorrência de valores divergentes de D, introduzimos um pequeno parâmetro d nas definições de p1 e p2. Estendemos a análise, apresentando um estudo original da distância de Kullback-Leibler generalizada Dq (q é o parâmetro de Tsallis). Neste caso, a escolha apropriada do intervalo 0 < q < 1 permite assegurar que Dq seja finito. Obtemos as densidades de probabilidade f (D) e f (Dq) das médias amostrais das variáveis D e Dq , respectivamente, calculadas ao longo das N épocas de todo o experimento. Para pequenos valores de N (N < 30), mostramos que f (D) e f (Dq) são muito bem aproximadas por distribuições Gamma (qui^2 < 0,0009). Em seguida, estudamos o método (Bayesiano) do pixel independente, considerando a probabilidade a posteriori como variável aleatória e obtendo sua distribuição para várias SNR\'s e probabilidades a priori. Os resultados das simulações apontam para o fato de que a correlação e o método do pixel independente apresentam melhor desempenho do que os demais métodos empregados (para SNR > -20 dB). Contudo, deve-se ponderar que o teste t e os métodos entrópicos compartilham da vantagem de não se utilizarem de um modelo para HRF na análise de dados reais. Finalmente, para os diferentes métodos, obtemos os mapas funcionais correspondentes a séries de dados reais de um voluntário assintomático submetido a estímulo motor de evento relacionado, os quais demonstram ativação nas áreas cerebrais motoras primária e secundária. Enfatizamos que o procedimento adotado no presente estudo pode, em princípio, ser utilizado em outros métodos e sob diferentes condições experimentais. / In the present work, concepts of statistical inference are used for application and comparison of different methods of signal analysis in functional magnetic resonance imaging. The central idea is based on obtaining the probability distribution of the random variable of interest, for each method studied under different values of signal-to-noise ratio (SNR). This purpose is achieved by means of numerical simulations of the hemodynamic response function (HRF) with gaussian noise. This procedure allows us to assess the sensitivity and specificity of the methods employed by the construction of the ROC curves (receiver operating characteristic) for different values of SNR. Under specific experimental conditions, we apply classical methods of analysis (Student\'s t test and correlation), information measures (distance of Kullback-Leibler and its generalized form) and a Bayesian method (independent pixel method). In particular, we show that the distance of Kullback-Leibler D (or relative entropy) and its generalized form are useful measures for analysis of signals within the information theory scenario. These entropies are used as measures of the \"distance\"between the probability functions p1 and p2 of the signal levels related to stimulus and non-stimulus. In order to avoid undesirable divergences of D, we introduced a small parameter d in the definitions of p1 and p2. We extend such analysis, by presenting an original study of the generalized Kullback-Leibler distance Dq (q is Tsallis parameter). In this case, the appropriate choice of range 0 < q < 1 ensures that Dq is finite. We obtain the probability densities f (D) and f (Dq) of the sample averages of the variables D and Dq, respectively, calculated over the N epochs of the entire experiment. For small values of N (N < 30), we show that f (D) and f (Dq) are well approximated by Gamma distributions (qui^2 < 0.0009). Afterward, we studied the independent pixel bayesian method, considering the probability a posteriori as a random variable, and obtaining its distribution for various SNR\'s and probabilities a priori. The results of simulations point to the fact that the correlation and the independent pixel method have better performance than the other methods used (for SNR> -20 dB). However, one should consider that the Student\'s t test and the entropic methods share the advantage of not using a model for HRF in real data analysis. Finally, we obtain the maps corresponding to real data series from an asymptomatic volunteer submitted to an event-related motor stimulus, which shows brain activation in the primary and secondary motor brain areas. We emphasize that the procedure adopted in this study may, in principle, be used in other methods and under different experimental conditions.

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 / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia da Informação, 2014. / O transtorno do déficit de atenção e hiperatividade (TDAH) é um transtorno de neurodesenvolvimento, associado a fatores genéticos e ambientais, compreendendo a sintomatologia: desatenção, hiperatividade e impulsividade. Neste estudo, utilizou-se a teoria dos grafos e a ressonância magnética funcional (fMRI) para obtenção de um método de distinção entre pacientes e controles para o suporte ao diagnóstico do TDAH. O objetivo deste trabalho foi a comparação das medidas de conectividade cerebral de pacientes (TDAH) com sujeitos controle (desenvolvimento típico) por meio da fMRI, medidas de centralidade e o Support Vector Machine (SVM). Utilizou-se a base de dados ADHD-200. Construiu-se um classificador a partir das características extraídas das redes de conectividade cerebral na tentativa de se distinguir entre sujeitos controle e pacientes. O método envolveu o uso do SVM em características de imagens de fMRI, em dois pares de grupos: controle vs pacientes (TDAH) e TDAH subtipos. Foram modelados grafos ponderados e não ponderados e calculadas algumas medidas de centralidade. Na análise por site dos sujeitos controle versus TDAH desatento foram observadas diferenças na conectividade das regiões cerebrais intermediárias, com escore de 63% no limiar 0,25 da centralidade betweenness no site 4. Com grafo ponderado, outras diferenças de conectividade cerebral foram observadas, com escore de 73% para a medida betweenness entre as regiões cerebrais no site 6. A análise dos portadores de TDAH subgrupo desatento versus combinado, no site 6 foram observadas distinções na medida betweenness e no degree das conexões das regiões cerebrais, no limiar de 0,15, com escores de 73% e 77% respectivamente. Em face aos resultados apresentados é possível encontrar algumas distinções nas conexões cerebrais, principalmente entre os sujeitos portadores de TDAH desatento versus TDAH combinado, a partir da extração das características cerebrais, com utilização de algumas medidas de centralidade como variáveis preditoras para o algoritmo SVM. / The Attention Deficit and Hyperactivity Disorder (ADHD) is a neurodevelopmental disorder associated with genetic and environmental factors, including the symptoms: inattention, hyperactivity and impulsivity. In this study, we used graph theory and functional magnetic resonance imaging (fMRI) to obtain a method for distinguishing between patients and controls to support the diagnosis of ADHD. The aim of this study was to compare measures of brain connectivity between patients (ADHD) and control subjects (typically developing). We used through fMRI, measures of centrality, support vector machines (SVM) and the database ADHD-200. We built a classifier based on the features extracted from the brain connectivity networks in an attempt to distinguish between patients and control subjects. The method involved the use of SVM in connectivity features in two sets of groups: Control vs. patients (ADHD) and inattentive ADHD vs Combined. Measures of weighted and unweighted graphs were modeled and some measures of centrality were extracted. In the unweighted graph analysis by site and inattentive ADHD vs control subjects comparison, differences were found in the connectivity pattern, with a score of 63% for betweenness centrality in site 4. In weighted graph, further differences in brain connectivity were observed, with a score of 73% also in betweenness in site 6. In this same site, the analysis of patients with ADHD inattentive versus combined subgroup, achieved scores of of 73% (betwenness) and 77% (degree) in unweighted graph analysis. In conclusion, we found some differences in brain connectivity patterns, especially between subjects with ADHD inattentive versus combined ADHD. By using some measures of centrality as predictors for the SVM algorithm, we found moderate classification accuracy in individual groups¿ prediction.

INTRODUÇÃO: A síndrome de Burnout é uma das consequências mais marcantes do estresse profissional, resultante da exposição prolongada a fatores interpessoais e emocionais, caracterizada por exaustão emocional, avaliação negativa de si mesmo, depressão e insensibilidade com relação a fatores ocupacionais e pessoais. Profissionais da área da saúde estão expostos a cenários clínicos com altos níveis de estresse e sujeitos ao desenvolvimento de Burnout durante suas carreiras. É uma entidade complexa e produz uma variedade de comportamentos que podem afetar diretamente o atendimento ao paciente. O estresse é uma resposta global do organismo que envolve as esferas física, emocional, mental e hormonal. OBJETIVO: Avaliar a prevalência de Síndrome de Burnout e sintomas de estresse nos médicos residentes de primeiro ano do Departamento de Pediatria da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo e a correlação entre esta e a função cerebral de atenção por meio da execução de tarefa Stroop Color Word Test durante a realização de ressonância magnética funcional (RMf). MATERIAIS E MÉTODOS: Foram estudados 32 médicos residentes de pediatria, 25 do sexo feminino com média de idade de 24,8 ± 1,3 anos, todos com carga horária de trabalho semanal similar. Foram utilizados os questionários padronizados Maslach Burnout Inventory - MBI sendo considerado Burnout pontuação maior que 19 na subescala de exaustão emocional e maior que 6 na escala de despersonalização. Para a avaliação de estresse foi utilizado o inventário de sintomas de estresse de Lipp - ISSL, sendo considerado diagnóstico de estresse pontuações elevadas calculadas conforme o manual do ISSL. RESULTADOS: A síndrome de Burnout foi identificada em 50% da população estudada e estresse em 56,25%. Essa associação apresentou significância estatística (p=0,02). Ao analisar os mapas de RMf encontramos maior ativação do córtex pré-frontal dorso lateral a direita nos residentes que apresentaram Burnout, área envolvida nos mecanismos de atenção. CONCLUSÕES: A prevalência da Síndrome de Burnout e estresse em residentes de pediatria é elevada, correspondendo a 50% e 56% respectivamente, e está associada a maior ativação do córtex pré-frontal dorsolateral direito, área envolvida com mecanismos de atenção e cognição. Existe correlação entre as duas entidades clínicas com significância estatística e a prática de esportes está associada a menores taxas de Burnout / Burnout syndrome is one of the most important consequences of occupational stress. It is a result from prolonged exposure to emotional and interpersonal factors and characterized by emotional exhaustion, negative evaluation of oneself, depression and insensitivity. Health care professionals are exposed to clinical settings with high levels of stress and can develop burnout during their careers. It is a complex entity and produces a variety of behaviors that can affect directly patient care. Stress is a global response that involves physical, emotional, mental and hormonal aspects. In the present study we used Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) to investigate a sample of pediatric residents from University of Sao Paulo with different levels of burnout syndrome in Burnout Maslach Inventory - MBI and stress during the execution of a low demand attention paradigm (Stroop color word test). Scores greater than 19 on the subscale of emotional exhaustion and greater than 6 on the scale of depersonalization in MBI was considered as Burnout. For the assessment of stress was used inventory of stress symptoms Lipp - ISSL, considered diagnostic of stress high scores calculated as the ISSL manual. We studied 32 residents, 25 females with a mean age of 24.8 ± 1.3 years, all with similar weekly workload. Burnout syndrome was identified in 50% of the study population and stress in 56.25%. This association was statistically significant (p = 0.02). By analyzing fMRI maps, an activation of the right dorsolateral prefrontal cortex was showed in residents with Burnout, an area involved in attention tasks

Muitas das interações que temos com o ambiente envolvem situações dinâmicas. Raramente estas situações são realizadas de maneira isolada. Em ações interceptativas, por exemplo, o sistema nervoso precisa estimar quando um alvo irá atingir uma determinada posição e constantemente ajustar os movimentos para diferentes contextos. Apesar de estudos psicofísicos terem investigado possíveis variáveis ópticas e modulações do contexto envolvidas na integração visuomotora, pouca atenção foi direcionada para compreender os mecanismos cerebrais da integração de informação visual de movimento e ações motoras em cenários dinâmicos. O objetivo geral desta tese foi investigar estes mecanismos e entender como o contexto modula a atividade cerebral em ações interceptativas em adultos jovens saudáveis. No primeiro experimento, foram investigadas quais áreas estão associadas com a integração entre informação visual de movimento e ação motora sincronizatória. Foi utilizado desenho relacionado à eventos em ressonância magnética funcional avaliando a atividade cerebral em tarefa de timing coincidente. Foi identificada uma rede fronto-parietal bilateral dorsal e ativação bilateral do braço ascendente do sulco temporal inferior, região funcionalmente definida como hV5+, e giro angular. No segundo experimento, foi testada a influência causal da área hV5+ e córtex pré-motor dorsal no viés comportamental que tentativa prévia exerce sobre a tentativa atual usando estimulação magnética transcraniana. Os resultados deste experimento sugerem que o efeito da tentativa prévia depende fortemente de um mecanismo de memória de curto prazo implícito no córtex pré-motor dorsal e moderadamente da área hV5+. No terceiro experimento, o objetivo foi verificar o efeito da repetição e expectativa de repetição da velocidade do estímulo nas áreas associadas com ações interceptativas. Para isso, os participantes interceptaram pares de alvos móveis com velocidade igual ou diferente em experimento relacionado à eventos em ressonância magnética funcional. A expectativa sobre a repetição da velocidade do estímulo foi manipulada pela probabilidade de repetição da velocidade do alvo em diferentes blocos. Os resultados comportamentais indicaram que a velocidade do primeiro estímulo enviesou o erro temporal dos participantes para responder ao segundo estímulo e que a manipulação da expectativa dos participantes não resultou em diferença no erro temporal. Não houve modulação da amplitude do sinal BOLD pela repetição do estímulo ou pela manipulação da expectativa sobre a repetição de velocidade. No quarto experimento, foram investigados os mecanismos cerebrais que permitem que a expectativa influencie o comportamento em uma tarefa de timing coincidente. Para isso, a expectativa sobre a velocidade do alvo foi manipulada a cada tentativa por meio de dicas em um experimento relacionado à eventos em ressonância magnética funcional. Os resultados deste experimento mostraram que a expectativa sobre a velocidade do alvo aumenta o sinal BOLD para expectativa válida em hV5+ e córtex pré-motor dorsal. Em geral, os resultados desta tese mostram que a integração visuomotora em ações interceptativas está associada com atividade em uma rede fronto-parietal dorsal e da área hV5+. Destas áreas, foi verificado que o córtex pré-motor dorsal e área hV5+ tem papel de armazenar informação da tentativa prévia que enviesa o comportamento na tentativa atual. Por fim, foi mostrado que a expectativa sobre a velocidade do alvo modula o sinal BOLD em áreas iniciais do processamento sensorial e de planejamento motor. Estes resultados avançam o conhecimento sobre os mecanismos neurais associados à integração visuomotora em ações interceptativas e mostram como o contexto em que a tarefa é realizada modula essa integração / Many of our interactions with the environment happen in dynamic situations. These situations are rarely experienced in isolation. In interceptive actions, for example, the nervous system needs to estimate when a target will arrive at a certain position and constantly adjust movements for different contexts. Although psychophysical studies have investigated the putative optical variables and contextual modulations in visuomotor integration, less attention has been devoted to understand brain mechanisms underlying the integration of visual motion information and motor actions in dynamic scenarios. The main goal of the present thesis was to investigate the brain mechanisms involved in visuomotor integration of interceptive actions in healthy young adults. In the first experiment, it was investigated which brain areas are associated with integration of visual motion information and timed motor action in an event-related functional magnetic resonance imaging experiment. Results showed greater BOLD signal in a bilateral dorsal fronto-parietal network, as well as hV5+ and angular gyrus. In the second experiment, it was tested the causal influence of area hV5+ and dorsal premotor cortex on the behavioral bias that previous trial exerts on the current trial using transcranial magnetic stimulation. The results of this experiment provide causal evidence that the previous trial effect is mediated to a large extent by an implicit shortterm memory mechanism in the dorsal premotor cortex, and to a lesser extent by hV5 +, in a visuomotor integration task with moving objects. In the third experiment, the goal was to verify the effect of repetition and expectation about repetition of speed in brain areas associated with visuomotor integration in interceptive actions. To that end, participants intercepted pairs of moving targets with either same or different speed in an event-related functional magnetic resonance experiment. Expectation about speed repetition of target speed was manipulated through the probability of speed repetition in different blocks. Behavioral results indicate that speed from the first stimulus biased participants\' temporal error for the second stimulus. However, manipulation of participants\' expectation did not affect temporal error. In addition, BOLD signal amplitude was modulated by neither stimulus speed repetition nor expectation. In the forth experiment, brain mechanisms that allow expectation to influence behavior in a coincident timing task were investigated. Participant\'s expectation about target speed was manipulated on a trial-by-trial basis by means of cues in an event-related functional magnetic resonance experiment. The results of this experiment showed that expectation about target speed increases BOLD signal for valid expectations in hV5+ and dorsal premotor cortex. Overall, the results in this thesis show that visuomotor integration in interceptive actions is associated with activity in a dorsal fronto-parietal network and hV5+. In addition, it was verified that dorsal premotor cortex and hV5+ have a role in storing information from previous trial that bias behavior on the current trial. Lastly, it was shown that expectation about upcoming target speed modulates BOLD signal in early stage visual motion processing as well as motor planning areas. These results advance knowledge about the brain mechanisms associated with visuomotor integration in interceptive actions and show how context modulates this integration process

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.

No presente trabalho, conceitos de inferência estatística são utilizados para aplicação e comparação de diferentes métodos de análise de sinais de ressonância magnética funcional. A idéia central baseia-se na obtenção da distribuição de probabilidade da variável aleatória de interesse, para cada método estudado e sob diferentes valores da relação sinal-ruído (SNR). Este objetivo é atingido através de simulações numéricas da função resposta hemodinâmica (HRF) acrescida de ruído gaussiano. Tal procedimento nos permite avaliar a sensibilidade e a especificidade dos métodos empregados através da construção das curvas ROC (receiver operating characteristic) para diferentes valores de SNR. Sob específicas condições experimentais, aplicamos métodos clássicos de análise (teste t de Student e correlação), medidas de informação (distância de Kullback-Leibler e sua forma generalizada) e um método Bayesiano (método do pixel independente). Em especial, mostramos que a distância de Kullback-Leibler (D) (ou entropia relativa) e sua forma generalizada são medidas úteis para análise de sinais dentro do cenário de teoria da informação. Estas entropias são usadas como medidas da \"distância\"entre as funções de probabilidade p1 e p2 dos níveis do sinal relacionados a estímulo e repouso. Para prevenir a ocorrência de valores divergentes de D, introduzimos um pequeno parâmetro d nas definições de p1 e p2. Estendemos a análise, apresentando um estudo original da distância de Kullback-Leibler generalizada Dq (q é o parâmetro de Tsallis). Neste caso, a escolha apropriada do intervalo 0 < q < 1 permite assegurar que Dq seja finito. Obtemos as densidades de probabilidade f (D) e f (Dq) das médias amostrais das variáveis D e Dq , respectivamente, calculadas ao longo das N épocas de todo o experimento. Para pequenos valores de N (N < 30), mostramos que f (D) e f (Dq) são muito bem aproximadas por distribuições Gamma (qui^2 < 0,0009). Em seguida, estudamos o método (Bayesiano) do pixel independente, considerando a probabilidade a posteriori como variável aleatória e obtendo sua distribuição para várias SNR\'s e probabilidades a priori. Os resultados das simulações apontam para o fato de que a correlação e o método do pixel independente apresentam melhor desempenho do que os demais métodos empregados (para SNR > -20 dB). Contudo, deve-se ponderar que o teste t e os métodos entrópicos compartilham da vantagem de não se utilizarem de um modelo para HRF na análise de dados reais. Finalmente, para os diferentes métodos, obtemos os mapas funcionais correspondentes a séries de dados reais de um voluntário assintomático submetido a estímulo motor de evento relacionado, os quais demonstram ativação nas áreas cerebrais motoras primária e secundária. Enfatizamos que o procedimento adotado no presente estudo pode, em princípio, ser utilizado em outros métodos e sob diferentes condições experimentais. / In the present work, concepts of statistical inference are used for application and comparison of different methods of signal analysis in functional magnetic resonance imaging. The central idea is based on obtaining the probability distribution of the random variable of interest, for each method studied under different values of signal-to-noise ratio (SNR). This purpose is achieved by means of numerical simulations of the hemodynamic response function (HRF) with gaussian noise. This procedure allows us to assess the sensitivity and specificity of the methods employed by the construction of the ROC curves (receiver operating characteristic) for different values of SNR. Under specific experimental conditions, we apply classical methods of analysis (Student\'s t test and correlation), information measures (distance of Kullback-Leibler and its generalized form) and a Bayesian method (independent pixel method). In particular, we show that the distance of Kullback-Leibler D (or relative entropy) and its generalized form are useful measures for analysis of signals within the information theory scenario. These entropies are used as measures of the \"distance\"between the probability functions p1 and p2 of the signal levels related to stimulus and non-stimulus. In order to avoid undesirable divergences of D, we introduced a small parameter d in the definitions of p1 and p2. We extend such analysis, by presenting an original study of the generalized Kullback-Leibler distance Dq (q is Tsallis parameter). In this case, the appropriate choice of range 0 < q < 1 ensures that Dq is finite. We obtain the probability densities f (D) and f (Dq) of the sample averages of the variables D and Dq, respectively, calculated over the N epochs of the entire experiment. For small values of N (N < 30), we show that f (D) and f (Dq) are well approximated by Gamma distributions (qui^2 < 0.0009). Afterward, we studied the independent pixel bayesian method, considering the probability a posteriori as a random variable, and obtaining its distribution for various SNR\'s and probabilities a priori. The results of simulations point to the fact that the correlation and the independent pixel method have better performance than the other methods used (for SNR> -20 dB). However, one should consider that the Student\'s t test and the entropic methods share the advantage of not using a model for HRF in real data analysis. Finally, we obtain the maps corresponding to real data series from an asymptomatic volunteer submitted to an event-related motor stimulus, which shows brain activation in the primary and secondary motor brain areas. We emphasize that the procedure adopted in this study may, in principle, be used in other methods and under different experimental conditions.

Na área de processamento de sinais biomédicos a extração de informação, baseada em um conjunto de medidas adquiridas no tempo, é considerada de suma importância. A qualidade desta informação extraída permite avaliar o funcionamento dos diversos órgãos. Objetivos: (1) propor o método de análise de componentes dependentes para auxiliar a extração de componentes de interesse, a partir de medidas multivariadas; (2) caraterizar as componentes extraídas através de representações em termos de tempo e freqüência, e espectro de potência; e, (3) aplicar o método e avaliar as componentes de interesse extraídas no contexto real MCGf, MGG e fMRI. A proposta para a extração fundamenta-se no método chamado de Análise de Componentes Dependentes ACD. As medidas a serem processadas são multivariadas a partir de sensores distribuídos, espacialmente, no corpo humano dando origem a um conjunto de dados correlacionados no tempo e/ou no espaço. Observa-se que os sinais de interesse raramente são registrados de forma isolada, e sim misturados com outros sinais superpostos, ruído e artefatos fisiológicos ou ambientais, onde a relação sinal-ruído é geralmente baixa. Nesse contexto, a estratégia a ser utilizada baseia-se na ACD, que permitirá extrair um pequeno número de fontes, de potencial interesse, com informações úteis. A estratégia ACD para extração de informação é aplicada em três importantes problemas, na área de processamento de sinais biomédicos: (1) detecção do sinal do feto em magnetocardiografia fetal (MCGf); (2) detecção da atividade de resposta elétrica do estômago em magnetogastrografia (MGG); e, (3) detecção de regiões ativas do cérebro em experimentos de imagens por ressonância magnética funcional (Functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI). Os resultados, nos três casos estudados, mostraram que o método utilizado, como estratégia, é efetivo e computacionalmente eficiente para extração de sinais de interesse. Concluímos, baseados nas aplicações, que o método proposto é eficaz, mostrando seu potencial para futuras pesquisas clínicas._________________________________________________________________________________________ ABSTRACT: An important goal in biomedical signal processing is the extraction of information based on a set of physiological measurements made along time. Generally, biomedical signals are electromagnetic measurements. Those measurements (usually made with multichannel equipment) are registered using spatially distributed sensors around some areas of the human body, originating a set of time and/or space correlated data. The signals of interest are rarely registered alone, being usually observed as a mixture of other spurious, noisy signals (sometimes superimposed) and environmental or physiological artifacts. More over, the signal-to-noise ratio is generally low. In many applications, a big number of sensors are available, but just a few sources are of interest and the remainder can be considered noise. For such kind of applications, it is necessary to develop trustful, robust and effective learning algorithms that allow the extraction of only a few sources potentially of interest and that hold useful information. The strategy used here for extraction of sources is applied in three important problems in biomedical signal processing: (1) detection of the fetal magnetocardiogram signal (fMCG); (2) detection of the electrical activity of the stomach in magnetogastrograms (MGG); and (3) detection of active regions of the brain in experiments in functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI). The results, within the three cases of study, showed that the DCA method used as strategy is effective and computationally efficient on extraction of desired signals.

A inferência do curso temporal da atividade neural a partir do efeito BOLD é um importante problema, ainda em aberto. A forma da curva BOLD não reflete diretamente as características temporais da atividade eletrofisiológica dos neurônios. Nessa tese, é introduzido o conceito de tempo de processamento neural (TPN) como um dos parâmetros do modelo biofísico da função de resposta hemodinâmica (HRF). O objetivo da introdução desse conceito é obter estimativas mais acuradas da duração da atividade neural a partir do efeito BOLD, que possui auto grau de nãolinearidade. Duas formas de estimar os parâmetros do modelo do efeito BOLD foram desenvolvidas. A validade e aplicabilidade do conceito de TPN e das rotinas de estimação foram avaliadas por simulações computacionais e análise de séries temporais experimentais. Os resultados das simulações e da aplicação foram comparados com medidas da forma da HRF. O experimento analisado consistiu em um paradigma de tomada de decisão na presença de distratores emocionais. Esperase que o TPN em áreas sensoriais primárias seja equivalente ao tempo de apresentação de estímulos. Por outro lado, o TPN em áreas relacionadas com a tomada de decisão deve ser menor que a duração dos estímulos. Além disso, o TPN deve depender da condição experimental em áreas relacionadas ao controle de distratores emocionais. Como predito, o valores estimados do TPN no giro fusiforme foram equivalentes à duração dos estímulos e o TPN no giro do cíngulo dorsal variou com a presença de distrator emocional. Observou-se ainda lateralidade do TPN no córtex pré-frontal dorsolateral. As medidas da forma da HRF obtidas por um método convencional não dectectaram as variações observadas no TPN / The extraction of information about neural activity dynamics related to the BOLD signal is a challenging task. The temporal evolution of the BOLD signal does not directly reflect the temporal characteristics of electrical activity of neurons. In this work, we introduce the concept of neural processing time (NPT) as a parameter of the biophysical model of the hemodynamic response function (HRF). Through this new concept we aim to infer more accurately the duration of neuronal response from the highly nonlinear BOLD effect. We describe two routines to estimate the parameters of the HRF model. The face validity and applicability of the concept of NPT and the estimation procedures are evaluated through simulations and analysis of experimental time series. The results of both simulation and application were compared with summary measures of HRF shape. We analysed an experiment based on a decision-making paradigm with simultaneous emotional distracters. We hypothesize that the NPT in primary sensory areas is approximately the stimulus presentation duration. On the other hand, the NPT in brain areas related to decisionmaking processes should be less than the stimulus duration. Moreover, in areas related to processing of an emotional distracter, the NPT should depend on the experimental condition. As predicted, the NPT in fusiform gyrus is close to the stimulus duration and the NPT in dorsal anterior cingulate gyrus depends on the presence of an emotional distracter. Interestingly, the estimated NPTs in the dorsolateral prefrontal cortex indicate functional laterality of this region. The analysis using standard measures of HRF did not detect the variations observed in our method (NPT)

A inferência do curso temporal da atividade neural a partir do efeito BOLD é um importante problema, ainda em aberto. A forma da curva BOLD não reflete diretamente as características temporais da atividade eletrofisiológica dos neurônios. Nessa tese, é introduzido o conceito de tempo de processamento neural (TPN) como um dos parâmetros do modelo biofísico da função de resposta hemodinâmica (HRF). O objetivo da introdução desse conceito é obter estimativas mais acuradas da duração da atividade neural a partir do efeito BOLD, que possui auto grau de nãolinearidade. Duas formas de estimar os parâmetros do modelo do efeito BOLD foram desenvolvidas. A validade e aplicabilidade do conceito de TPN e das rotinas de estimação foram avaliadas por simulações computacionais e análise de séries temporais experimentais. Os resultados das simulações e da aplicação foram comparados com medidas da forma da HRF. O experimento analisado consistiu em um paradigma de tomada de decisão na presença de distratores emocionais. Esperase que o TPN em áreas sensoriais primárias seja equivalente ao tempo de apresentação de estímulos. Por outro lado, o TPN em áreas relacionadas com a tomada de decisão deve ser menor que a duração dos estímulos. Além disso, o TPN deve depender da condição experimental em áreas relacionadas ao controle de distratores emocionais. Como predito, o valores estimados do TPN no giro fusiforme foram equivalentes à duração dos estímulos e o TPN no giro do cíngulo dorsal variou com a presença de distrator emocional. Observou-se ainda lateralidade do TPN no córtex pré-frontal dorsolateral. As medidas da forma da HRF obtidas por um método convencional não dectectaram as variações observadas no TPN / The extraction of information about neural activity dynamics related to the BOLD signal is a challenging task. The temporal evolution of the BOLD signal does not directly reflect the temporal characteristics of electrical activity of neurons. In this work, we introduce the concept of neural processing time (NPT) as a parameter of the biophysical model of the hemodynamic response function (HRF). Through this new concept we aim to infer more accurately the duration of neuronal response from the highly nonlinear BOLD effect. We describe two routines to estimate the parameters of the HRF model. The face validity and applicability of the concept of NPT and the estimation procedures are evaluated through simulations and analysis of experimental time series. The results of both simulation and application were compared with summary measures of HRF shape. We analysed an experiment based on a decision-making paradigm with simultaneous emotional distracters. We hypothesize that the NPT in primary sensory areas is approximately the stimulus presentation duration. On the other hand, the NPT in brain areas related to decisionmaking processes should be less than the stimulus duration. Moreover, in areas related to processing of an emotional distracter, the NPT should depend on the experimental condition. As predicted, the NPT in fusiform gyrus is close to the stimulus duration and the NPT in dorsal anterior cingulate gyrus depends on the presence of an emotional distracter. Interestingly, the estimated NPTs in the dorsolateral prefrontal cortex indicate functional laterality of this region. The analysis using standard measures of HRF did not detect the variations observed in our method (NPT)