A esquizofrenia é um transtorno psiquiátrico incapacitante que afeta estimadamente 1% da população mundial. Delírios, alucinações, desorganização de pensamento e prejuízo cognitivo são as principais marcas da Esquizofrenia. Fisiologicamente, além de anormalidades funcionais e estruturais, alterações na atividade neuronal são reportadas. Como a atividade neuronal possui uma relação direta com o fluxo sanguíneo cerebral (CBF, Cerebral Blood Flow), a técnica de Imagens por Ressonância Magnética, denominada Marcação dos Spins Arteriais (ASL, Arterial Spin Labeling), que permite a obtenção de mapa quantitativo de CBF, é uma ferramenta útil na avaliação funcional cerebral. Além disso, a ASL pode ser usada na avaliação da conectividade funcional, que é eficiente na investigação de rupturas funcionais entre as regiões do cérebro. Comparando com um grupo de sujeitos saudáveis, os pacientes com esquizofrenia, recrutados no Hospital das Clínicas de Ribeirão Preto (HCFMRP), apresentaram redução de CBF em regiões bilaterais do polo frontal e giro frontal superior, giro frontal medial direito, partes triangular e opercular do giro frontal inferior direito, divisão posterior do giro supramarginal esquerdo, divisão superior e inferior do córtex occipital lateral esquerdo e polo occipital. A conectividade funcional, avaliada por três diferentes métodos (baseado em semente, análise de componentes independentes e teoria dos grafos), se apresentou prejudicada em regiões envolvendo funções motoras, sensoriais e cognitivas dos pacientes. Portanto, utilizando uma técnica de imagem completamente não invasiva, foi possível observar déficits de CBF e alterações na organização funcional do cérebro de pacientes com esquizofrenia, relacionados com os sintomas e características da psicopatologia. / Schizophrenia is a disabling psychiatric disorder that affects around 1% of the population worldwide. Delusions, hallucinations, disorganized thought, and cognitive deficits are the main features of schizophrenia. Physiologically, in addition to functional and structural abnormalities, changes in neuronal activity are reported. Since the Cerebral Blood Flow (CBF) is directly related with neuronal activity, the Magnetic Resonance Imaging (MRI) technique called Arterial Spin Labeling (ASL), which allows the quantification of CBF, is a useful tool in brain functional evaluation. In addition, ASL can be used to assess functional connectivity, which is efficient in investigating functional impairment between regions of the brain. Patients with Schizophrenia, recruited at the Clinical Hospital (HCFMRP), presented a reduction of CBF in bilateral regions of the frontal pole and superior frontal gyrus, right medial frontal gyrus, triangular and opercular parts of the right inferior frontal gyrus, posterior division of left supramarginal gyrus, superior and inferior division of left lateral occipital cortex and occipital pole. Functional connectivity, assessed by three different methods (seed-based, independent component analysis and graph theory), was impaired in regions involving patients\' motor, sensory and cognitive functions. Therefore, using a noninvasive imaging technique, it was possible to observe CBF deficits and alterations in the functional organization of the brain of schizophrenia patients, related to the symptoms and characteristics of the psychopathology.

Os efeitos deletérios da perda e fragmentação de habitat são considerados a maior ameaça à manutenção da biodiversidade do planeta. Uma das maneiras de evitar a perda de espécies em paisagens fragmentadas é a restauração ecológica, que propicia tanto o aumento da quantidade quanto a melhoria da qualidade do habitat remanescente. Além de influenciar a persistência de espécies, as condições da paisagem são reconhecidas como importantes para o sucesso das ações de restauração. Entretanto, as diretrizes para incorporação das características da paisagem no planejamento da restauração são ainda ambíguas, não facilitando o processo de tomada de decisão. O presente trabalho teve como objetivo contribuir para o avanço do uso de análises espacialmente explícitas da estrutura da paisagem para o planejamento de ações de restauração. Para isso, foram elaboradas propostas metodológicas embasadas no atual conhecimento da ecologia de paisagens e foram realizadas simulações para comparar os potenciais benefícios para a biodiversidade resultantes de diferentes estratégias para seleção de áreas para restauração. A primeira proposta, apresentada no capítulo 2, utiliza análises de paisagens em múltiplas escalas, baseadas na teoria dos grafos, para estimar a resiliência das paisagens, entendida neste trabalho como a capacidade das paisagens de reverterem extinções locais por processos de migração. Em seguida, as paisagens com condições ideais para restauração são classificadas segundo sua importância como corredores biológicos e gargalos de conectividade. Essa proposta metodológica é aplicada no caso da Mata Atlântica (capítulo 3), a fim de estabelecer diferentes níveis de prioridade para restauração no conjunto deste bioma. No quarto capítulo, é apresentada uma segunda proposta metodológica, também baseada em análises de conectividade com o uso da teoria dos grafos, mas desta vez voltada para a identificação de áreas prioritárias para restauração em escala local. Essa proposta permite ainda a comparação de prioridades entre áreas situadas em paisagens com diferentes condições de cobertura e conectividade de habitat. Por fim, no quinto capítulo, foi realizado um conjunto de simulações de restauração para comparar os efeitos das características da paisagem (e.g. a cobertura e configuração florestal), das espécies (e.g. a capacidade de dispersão) e da estratégia de restauração (e.g. o tamanho das áreas restauradas e a ordem temporal da restauração) no aumento da disponibilidade de habitat em três paisagens reais da Mata Atlântica. Os resultados desta tese permitiram estabelecer prioridades de restauração tanto em escala regional quanto em escala local, reduzindo as áreas a serem visitadas em campo e possibilitando a otimização dos esforços de restauração. Também foi possível concluir que a adoção de estratégias espaciais para a seleção de áreas para restauração deve ser feita considerando tanto as características das espécies quanto as características das paisagens e a forma de implementação da restauração. Na ausência de informações detalhadas sobre a capacidade de dispersão das espécies, abordagens baseadas em múltiplas capacidades de dispersão são recomendadas. O embasamento teórico da ecologia de paisagens e as ferramentas atuais de tratamento e integração de dados espacializados permitem a definição das melhores estratégias de restauração a partir de simulações em computador, reduzindo substancialmente os custos da restauração e aumentando a sua eficácia para a conservação das espécies em paisagens fragmentadas / The deleterious effects of habitat loss and fragmentation are considered the main threats to biodiversity. To avoid species loss due to these deleterious effects, there is an urgent need to conduct restoration actions to increase the quantity and quality of the remaining habitat. Besides influencing species persistence, the landscape structure also influences the results of restoration actions. However, guidelines to adopt a landscape approach during restoration planning are not always consistent, nor easy to apply. The objective of this study was to contribute to advances in the use of spatially explicit landscape analysis during restoration planning. To achieve this goal we developed methodological frameworks based on landscape ecology theory to set priority areas for restoration. We also adopted a simulation approach to analyze the potential benefits of different restoration strategies for biodiversity conservation. The methodological proposal presented in chapter 2 consists in multi-scale landscape analyses, based on graph theory, to estimate landscape resilience. We considered landscape resilience as the capacity to revert local species extinctions through recolonization processes. Then, those landscapes considered ideal targets to restoration actions were classified according to their importance as corridors or bottlenecks for biological flow. In chapter 3, the methodological proposal presented in chapter 2 was applied to the Atlantic Forest Biome to set restoration priorities. Chapter 4 consists in a methodological proposal, also based on graph theory, to set restoration priorities in local scale. This methodological proposal also allows the comparison of local restoration priority between landscapes with different amount and configuration of habitat cover. Finally, in the fith chapter we adopted a simulation approach to analyze the improvement of habitat availability, in three Atlantic Forest landscapes, due to different restoration strategies considering: (i) different species dispersal capabilities, (ii) initial habitat amount in the landscape, (iii) the dynamics of landscapes during restoration implementation, i.e., the changes in habitat availability as new areas were restored, and (iv) size of restored areas. The results of this study allowed us to establish local and regional restoration priorities, thus reducing field visits and optimizing restoration efforts. It was also possible to conclude that spatial strategies to set restoration priorities should be conceived based on species dispersal capacities, landscape structure and also considering the strategies to implement restoration actions. If data on species dispersal characteristics is not available, a multi species approach to set restoration priorities is also recommended. The theoretical background of landscape ecology and the available tools to manage spatial data allow identifying the best restoration strategies, reducing the costs and optimizing the benefits to conserve biodiversity in fragmented landscapes

O processo de envelhecimento é acompanhado por um declínio nas funções cognitivas, principalmente, de funções fluidas ou de processamento. Essas diminuições são pelo menos, em parte, devido a alterações estruturais e funcionais do sistema nervoso central. Uma abordagem para estudar as mudanças funcionais é a medição da utilização metabólica regional da glicose, ou, alternativamente, um parâmetro físico correlacionado ao metabolismo cerebral e à atividade funcional local, como o fluxo sanguíneo cerebral (CBF). Neste contexto, em Imagens por Ressonância Magnética (IRM), a técnica de Marcação dos Spins Arteriais (ASL) surge como uma importante ferramenta não invasiva para análises perfusionais. Seu uso não só permite avaliar a perfusão sanguínea cerebral, gerando mapas quantitativos de CBF, mas também fornecer uma alternativa para estudar a conectividade funcional (FC), um parâmetro importante para descrição da topologia e funcionalidade cerebral. Sessenta e três indivíduos saudáveis, na faixa etária entre dezoito à setenta e dois anos, foram recrutados para participar deste estudo. Análises estatísticas mostram uma diminuição de CBF em várias regiões cerebrais, especialmente nos lobos frontal e temporal, que acompanham o processo de envelhecimento. As medidas de FC foram obtidas em análises por regiões de interesse e teoria de grafos; estas também demostraram uma diminuição, com o avanço da idade, em regiões presentes nos lobos frontal e temporal, mas também relataram um maior número de regiões prejudicadas no lobo parietal. Portanto, usando uma técnica de imagem não invasiva, foi possível observar déficits de CBF além de alterações de aspectos da organização funcional, oferecendo valores quantitativos que podem ajudar na melhor descrição dos efeitos do envelhecimento na hemodinâmica cerebral. / Aging process is accompanied by a decline in cognitive functions foremost comprise fluid or processing-based functions. These decreases are at least partly due to structural and functional deteriorating changes of the central nervous system. One approach to study these functional changes is the measurement of the regional metabolic utilization of glucose, or, alternatively, a physical quantity correlated to cerebral metabolism and local functional activity, such as the cerebral blood flow (CBF). In this context, Arterial spin labeling (ASL) emerges as a noninvasive Magnetic Resonance Imaging (MRI) perfusion technique. Its use not only allows assessing cerebral perfusion, by generating CBF values, but also can provide an alternative to study functional connectivity (FC), which is an important parameter that describes the brain topology and functionality. Sixty-three healthy subjects, from age eighteen to seventy-two years, were recruited to participate in this study. ASL-CBF maps showed a decrease in several brain regions, especially in frontal and temporal lobes that follows aging process. FC measures were assessed with regions of interest (ROI-to-ROI) and graph theory analysis, also showing a decrease in regions present in frontal and temporal lobes, and also more impaired regions in the parietal lobe. Therefore, using a noninvasive imaging technique it was possible to observe CBF deficits besides alteration in aspects on functional organization, offering quantitative values that can help to describe better the aging effects on cerebral hemodynamics.

A crescente pressão sobre os recursos naturais tem motivado pesquisadores a desenvolver metodologias e adoção de novas ferramentas para avaliar as principais forçantes de mudanças de uso e cobertura do solo e propor estratégias de mitigação em áreas antrópicas com baixa produtividade na Amazônia. Práticas conservacionistas como uso de sistemas de produção apresentam-se como alternativas capazes de apontar indicadores de sustentabilidade em consonância com políticas públicas para a região. As Unidades de Conservação - UCs são criadas para resguardar a integridade dos ecossistemas, a biodiversidade e os serviços ambientais de cada paisagem e retardar o avanço do desmatamento. Neste sentido, o objetivo do presente trabalho foi avaliar padrões na paisagem na Floresta Nacional do Tapajós e seu entorno capazes de identificar a dinâmica de uso e cobertura do solo, períodos de alta e baixa intensidade de mudanças, heterogeneidade da paisagem e conectividades funcionais. Foram utilizadas quatro metodologias: análises quantitativas de mudança identificando perdas e ganhos; intensidade anual de mudanças, fragmentação por meio de métricas da paisagem; conectividade funcional, entre a matriz da UC e os fragmentos florestais em seu entorno. A área de estudo foi dividida em três subáreas: Floresta Nacional do Tapajós (FNT); Zona de Amortecimento (ZA); e Área de Influência (AI). Foram utilizadas imagens do satélite Landsat dos anos de 1986, 1997, 2005 e 2009. Avaliou-se a dinâmica de mudança em matriz de transição detalhada (perdas, ganhos, mudança líquida, permuta de mudança, intensidade anual de mudança). No sistema computacional Fragstats calculou-se índices métricos da paisagem. No ambiente SIG foi gerada a distância de menor custo utilizada no sistema Conefor. No Conefor foram gerados os índices de conectividade funcional. Com base nos quatro mapas de uso e cobertura do solo obtidos, referente aos anos de avaliações, verificou-se que pelo método tradicional de análise de padrões, as áreas com Floresta Nativa (FN) dentro da Flona Tapajós praticamente não variaram (3,1%), indicando a manutenção da conectividade funcional na UC. Todavia, na Zona de Amortecimento (ZA) e Área de Influência (AI), as perdas foram de 41,3% de Floresta Nativa (FN). Ao aplicar metodologias com maior análise de sensibilidade verificou-se que na parte norte da área de estudo existe menor probabilidade de conectividade com a Flona Tapajós. Conclui-se que as reduções de manchas florestais começaram na parte norte da área de estudo, também evidenciada pela intensificação dos caminhos de perdas de conectividade funcional nas áreas mais próximas a Belterra, onde localizam-se os cultivos de grãos. A Floresta Nacional do Tapajós apresenta maior conectividade com a parte sul, ou seja, existe maior probabilidade de conectividade funcional com o município de Rurópolis. / Growing pressure on natural resources has motivated researchers to develop methodologies and new tools to assess the main driving forces of land cover and land use change and to come up with mitigation strategies in low productivity populated areas of the Amazon. Conservation practices, such as the use of production systems, have appeared as alternatives able to point out sustainability indicators in line with the region\'s public policies. Conservation Units (UC) are designed to protect the ecosystems integrity, biodiversity and each landscape\'s ecosystem services, as well as to slow down deforestation. In this context, this study\'s aim was to assess landscape patterns in the Tapajós National Forest and its surroundings that would be able to identify the dynamics of land use and land cover, periods of high and low intensity of change, landscape heterogeneity and functional connectivity. Four methodologies were used: quantitative analyses of change by identifying losses and gains; annual intensity of change; fragmentation through landscape metrics; functional connectivity between the UC headquarters and the forest around it. Our study area was divided into three sub-areas: the Tapajós National Forest (FNT), the Buffer Zone (ZA) and the Area of Influence (AI). Also, we used Landsat satellite images from the years 1986, 1997, 2005 and 2009. We assessed the change dynamics in detailed transition matrix (losses, gains, net change, change permutation, annual intensity of change). In the computer system Fragstats, we calculated the landscape metric indexes. In the GIS, we generated the lowest cost distance used in the Conefor system. In the Conefor system, we generated the functional connectivity indexes. Based on the four maps of land use and land cover we obtained for the years we decided to assess, we found through the traditional method of pattern analysis, that areas with Native Forest (FN) within the Tapajós National Forest almost did not change (3.1 %), indicating a maintenance of functional connectivity within the UC. However, in the Buffer Zone (ZA) and Area of Influence (AI), losses amounted to 41.3% of the Native Forest (FN). By applying methodologies with greater sensibility analysis, we found that the northern part of the study area had less possibilities of connectivity with the Tapajós National Forest. To conclude, the reduction of forest patches began in the northern part of the study area, also evidenced by the intensification of functional connectivity loss paths in areas close to Belterra, where are located grain crops. The National Forest presents greater connectivity with the southern part, in other words, there are more possibilities of functional connectivity with the Rurópolis municipality.

A presença de redes cerebrais funcionais ativadas durante o repouso é bem conhecida e verificada por diferentes técnicas de imagens, como as Imagens por Ressonância Magnética funcionais (IRMf) baseadas no contraste dependente do nível de oxigenação do sangue (BOLD, Blood Oxygenation Level Dependent). Entretanto, apesar de ser atualmente o método não invasivo convencional para tais estudos, o contraste BOLD é sensível a diferentes parâmetros hemodinâmicos (fluxo sanguíneo cerebral, CBF; volume sanguíneo cerebral e extração de oxigênio), cuja relação não é completamente conhecida em diversas patologias. Por outro lado, o método de Marcação dos Spins Arteriais (ASL) é uma técnica de IRM não invasiva que fornece mapas quantitativos de CBF e pode ser usada para avaliar as redes de repouso. Portanto, o objetivo do presente estudo foi investigar a viabilidade de usar sequências de ASL (pulsada e pseudocontínua), disponíveis para o uso na rotina clínica, para o estudo da conectividade funcional do cérebro em estado de repouso. Imagens de ASL e BOLD, de 23 indivíduos jovens e saudáveis, foram adquiridas em um equipamento de 3T. Após o pré-processamento usual das imagens e cálculos dos mapas de perfusão, CBF e pseudo-BOLD (pBOLD), a partir das imagens de ASL, as redes cerebrais de repouso foram obtidas pela Análise de Componentes Independentes (ICA) e pelo método baseado em semente. Utilizando ICA, a análise em grupo conjunta de pBOLD e BOLD identificou cinco redes: rede de modo padrão (DMN), visual, auditiva, saliência e motora. Quando analisados separadamente, os dados de pBOLD mostraram apenas as redes DMN e visual, enquanto os dados de BOLD mostraram também as redes auditiva, saliência, motora, atentiva e frontoparietais direita e esquerda. Para ambas as análises, comparações entre as redes de pBOLD e BOLD apresentaram similaridades de moderadas a altas. Entretanto, nenhuma rede foi observada utilizando os dados de perfusão e CBF. Já as análises baseadas em sementes mostraram correlações significativas, para as séries temporais de pBOLD e CBF, entre regiões que constituem algumas redes de repouso conhecidas (DMN, visual, sensorial-motora, atentiva e frontoparietal). Os valores obtidos para a força das conectividades nas redes de pBOLD e CBF se correlacionaram com aqueles obtidos nas redes de BOLD. As diferenças no desempenho de ASL e BOLD devem-se a uma combinação de fatores, como relação sinal ruído e resolução temporal. Além disso, a natureza dos sinais não é a mesma. O sinal BOLD é influenciado por diferentes parâmetros fisiológicos e é proveniente principalmente de grandes veias; enquanto o sinal de ASL é proveniente da rede de capilares, fornecendo especificidade espacial mais alta para a atividade neuronal, além de permitir a quantificação do CBF, que está relacionado mais diretamente ao metabolismo cerebral. Portanto, o presente estudo mostrou ser possível investigar a conectividade funcional do cérebro no estado de repouso com uma sequência comercial, apesar das limitações técnicas da ASL. Além disso, as séries temporais de CBF e BOLD refletem diferentes aspectos do cérebro em repouso, fornecendo informações complementares dos seus processos fisiológicos / The presence of functional brain networks activated during resting state is well known and has been verified by different imaging techniques, such as the functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) based on the Blood Oxygenation Level-Dependent (BOLD) contrast. Although BOLD-fMRI is currently the conventional non invasive method for such studies, BOLD contrast is sensitive to different hemodynamic parameters (Cerebral Blood Flow, CBF; cerebral blood volume and oxygen extraction fraction), whose relationship is not fully understood in several pathologies. In contrast, the Arterial Spin Labeling (ASL) MRI technique is a non invasive tool for CBF quantification and can be used to investigate resting-state networks. Therefore, the goal of the present study was to investigate the feasibility of using ASL sequences (pulsed and pseudocontinuous), available for clinical routine use, for the study of functional connectivity of the brain at rest. ASL and BOLD images of 23 healthy young subjects were acquired in a 3T machine. After the usual image pre-processing and quantification of perfusion, CBF and pseudo-BOLD (pBOLD) maps, from ASL images, resting-state brain networks were obtained by Independent Component Analysis (ICA) and a seed-based method. Five networks were identified in a joint analysis of pBOLD and BOLD: Default Mode Network (DMN), visual, auditory, salience, and motor. When analyzed separately, pBOLD showed only the DMN and visual networks, while BOLD also showed auditory, salience, motor, attentive, right and left frontoparietal networks. For both analyses, comparisons between pBOLD and BOLD networks showed from moderate to high similarities. However, no network was obtained from perfusion and CBF time series. Seed-based analysis showed significant correlations, for pBOLD e CBF time series, between regions that integrate some known networks (DMN, visual, sensorial-motor, attentive and frontoparietal). Functional connectivity strength obtained from pBOLD and CBF networks correlated with the ones from BOLD data. Differences in performance with ASL and BOLD are due to a combination of factors, such as SNR and temporal resolution. Moreover, the nature of the signals is not the same. BOLD signal is influenced by different physiologic parameters and comes mainly from large veins; while ASL signal comes from small capillaries, providing higher spatial specificity regarding neural activity, in addition to allow the quantification of CBF, which is closer related to the cerebral metabolism. In conclusion, the present study showed the feasibility of investigating functional connectivity of the brain at rest using a commercial ASL sequence, even with its technical limitations. Moreover, CBF and BOLD time series reflect different aspects of the resting-state brain and provide complementary information on its physiological processes

Medidas de dependência entre séries temporais são estudadas com a perspectiva de evidenciar como diferentes regiões do cérebro interagem, por meio da aplicação a sinais eletrofisiológicos. Baseado na representação auto-regressiva e espectral de séries temporais, diferentes medidas são comparadas entre si, incluindo coerência espectral e a coerência parcial direcionada, e introduz-se uma nova medida, denominada transferência parcial direcionada. As medidas são analisadas pelas propriedades de parcialização, relações diretas ou indiretas e direcionalidade temporal, e são mostradas suas relações com a correlação quadrática. Conclui-se que, entre as medidas analisadas, a coerência parcial direcionada e a transferência parcial direcionada possuem o maior número de características desejáveis, fundamentadas no conceito de causalidade de Granger. A estatística assintótica é desenvolvida para todas as medidas, incluindo intervalo de confiança e teste de hipótese nula, assim como sua implementação computacional. A aplicação a séries simuladas e a análise de dados eletrofisiológicos reais ilustram o estudo comparativo e a aplicabilidade das novas estatísticas apresentadas. / Measures of dependence between temporal series are studied in the context of revealing how different brain regions interact, through their application to electrophysiology. Based on the spectral and autoregressive model of time series, different measures are compared, including coherence and partial directed coherence, and a new measure is introduced, named partial directed transfer. The measures are analyzed through the properties of partialization, direct or indirect relations and temporal directionality, and their relation to quadratic correlation is shown. It results that among the presented measures, partial directed coherence and partial directed transfer reveal the highest number of desirable properties, being grounded on the concept of Granger causality. The asymptotic statistics for all measures are developed, including confidence intervals and null hypothesis testing, as well as their computational implementation. The application to simulated series and the analysis of electrophysiological data illustrate the comparative study and the applicability of the newly presented statistics.

Les objectifs de cette thèse étaient de caractériser les corrélats neuronaux fonctionnels et structurels de l'abolition de la conscience observés pendant le coma et d'identifier les signatures neuronales précoces de la récupération neurologique à partir de cet état. Pour atteindre ce but, nous avons étudié des patients cérébrolésés, recrutés au stade aigu du coma, à l'aide de l'IRM fonctionnelle au repos et IRM structurale. Nos résultats indiquent une réorganisation topologique globale du cerveau des patients, reflétée par une dédifférenciation et une réduction de la résilience des réseaux fonctionnels au repos d'ordre élevé. Ces anomalies sont accompagnées d'une perte de connexions fronto-pariétales à longue distance. Au niveau régional, nous avons observé un schéma complexe de diminution et d'augmentation de la densité de connexion fonctionnelle entre le cortex postéromédial et le cortex préfrontal médial : régions précédemment décrites pour avoir un rôle critique dans la conscience. De manière intéressante, ces modifications de densité de connexion étaient significativement liées à la récupération des patients trois mois après le coma. Enfin, l'analyse multimodale a permis de démontrer une association significative entre la connectivité fonctionnelle et l'intégrité structurelle cérébrales antéro-postérieure, fournissant des informations importantes sur le lien structure/fonction au décours de ces troubles acquis de la conscience. / The aim of the present thesis was to characterize the functional and structural neural correlates of acute consciousness abolition induced by severe brain injury and identify early neural signatures of long-term neurological recovery. To do so, we studied brain-injured patients, recruited in the acute stage of coma, using resting-state functional and structural MRI. Our findings indicated a global topological brain reorganization in coma patients, reflected in dedifferentiated and less resilient high-order resting-state functional networks, paralleled with a loss of long-range fronto-parietal connections. On a regional level, we found a complex pattern of voxel-wise decrease and increase in functional connection density between the posteromedial cortex and the medial prefrontal cortex, regions previously described to have a critical role in conscious processing. These connection density patterns seemed to permit outcome prediction in patients, assessed three months post-coma. Furthermore, the multi-modal MRI analysis demonstrated a significant association between antero-posterior functional connectivity and structural integrity, providing further insights into the pathological underpinning of conscious processing.

A key function of the nervous system is to sample data from the external world, generate internal signals, and transform them into meaningful information that can be used to trigger behaviour. In order to gain insight into the underlying mechanism for signal transformation, the visual system has been extensively studied: partly owing to the stimulus being reliably presentable, and the anatomy being well described. The Drosophila visual system is one such system, with the added advantage of genetic tractability. In this thesis, I studied the filtering property of visual neurons at two levels, biophysical and circuit levels. The first study looks at signal transformation at the biophysical level, at the input of the visual system, in photoreceptors. Voltage-gated potassium channels counteract the depolarization caused by opening of light sensitive channels, and the heterogeneous properties of their kinetics can fine-tune the photoreceptor’s frequency response to fulfill the animal’s ecological requirements. Shaker (Kv1) and Shab (Kv2) have been identified as fast and slow inactivating components of the photoreceptor’s outward currents, however a current with intermediate kinetics (IKf) has not been molecularly identified, but had been postulated to be Shal (Kv4). I focused on characterizing this current using whole-cell patch clamp in wild type and mutants, and using antibodies for Shal. My results from whole-cell patch clamp indicated that IKf in adult R1-6 cells are not Shal, from their voltage dependence and insensitivity to a Kv4 blocker. This calls for alternative molecular basis for IKf, which is likely to be a slow inactivating component of Shaker, or a combination of its many splice variants. The second study looks at signal transformation at the circuit level, at the output end, in the third optic neuropil, lobula. Visual projection neurons project from the lobula to the central brain, and have been proposed to carry behaviourally relevant visual features to higher brain regions. It was recently shown that optogenetic activation of individual visual projection neuron types could induce distinct behaviours such as takeoff and backward walking, linking these visual neurons to specific behavioural programs downstream. Using in vivo two-photon calcium imaging, I recorded visually evoked calcium responses from three of these cell types. Cell types that showed induced takeoff and backward walking preferentially responded to dark looming stimuli or fragmented expanding local features, suggesting their role in behaviours triggered by object approach. To explore how this visual information is transformed in the downstream circuit, we identified several candidate neurons that receive input from this cell type by anatomical overlap, and then validated their connections using optogenetic activation and calcium imaging. One downstream cell-type that projects bilaterally had very similar response properties to its upstream partner, whereas another cell-type that projects ipsilaterally seemed to filter out some information from its upstream partner. This is one of the first studies that functionally characterizes lobula visual projection neurons and their downstream partners in Drosophila, and their response properties agree with the general idea that visual information becomes increasingly selective as it is sent to higher brain regions.

Les travaux de cette thèse s’inscrivent à la frontière des neurosciences et de la physiologie musculaire. Trois études se sont articulées de la préparation et l’exécution motrice. La première étude (A) a relié l'activité cérébrale à l'activité musculaire lors de la préparation motrice. Les résultats ont montré que des régions, telles que le cortex moteur primaire et l’aire motrice supplémentaire sont impliquées dans l'activité du muscle fléchisseur (FDS) alors que d’autres régions, telles que les ganglions de la base, les aires fronto-pariétales et le cervelet, sont impliquées dans l'activité du muscle extenseur (EDC). L’étude (B) a exploré le rôle du réseau cérébro-cérébelleux et du réseau striatal lors de l’exécution d’une tâche cognitive et motivationnelle. Les données ont révélé que la partie antérieure du lobule VI droit était activée par l'exécution motrice tandis que sa partie postérieure était spécifiquement activée par les encouragements verbaux. Les mesures de l’interaction psychophysiologique ont permis de faire immerger une boucle de connectivité fermée et formée par le cortex cérébral, le cervelet et les noyaux rouges. La troisième étude (C) concerne l’effet de la consigne réalisée lors de l’exécution motrice sur les paramètres neuromusculaires de FDS et EDC. Les résultats ont montré que la Force Maximale Volontaire, la Pente Maximale de Montée de Force et l’éléctromyographie associée étaient plus élevées (p < 0.05) avec la consigne accompagnée d’encouragement verbal. / The present work fits on the border of neurosciences and muscular physiology. Three studies explored the brain and muscle activities following motor preparation and execution. The first study (A) linked brain and muscle activity during motor preparation. The results revealed that regions (e.g primary motor cortex and supplementary motor area) are involved in the activity of the flexor muscle (FDS) while other regions (e.g basal ganglia, fronto-parietal areas and cerebellum) are involved in the activity of the extensor muscle (EDC). The study (B) explored the role of cerebro-cerebellar and striatal networks during the execution period of cognitive and motivational task. The data showed that the anterior part of the right lobule VI was activated by the motor task, while its posterior part was specifically activated by verbal encouragement. Measurements of psychophysiological interaction revealed a closed connectivity loop formed by the cerebral cortex, the cerebellum and the red nuclei. The third study (C) concerned the effect of instruction on neuromuscular parameters of FDS and EDC muscles during motor execution. The results showed that the Maximum Voluntary Force, the Maximum Rate of Force Development and the associated electromyographic signal are the highest (p < 0.05) with cognitive, motivational and verbal encouragement condition.

A esquizofrenia é um transtorno psiquiátrico incapacitante que afeta estimadamente 1% da população mundial. Delírios, alucinações, desorganização de pensamento e prejuízo cognitivo são as principais marcas da Esquizofrenia. Fisiologicamente, além de anormalidades funcionais e estruturais, alterações na atividade neuronal são reportadas. Como a atividade neuronal possui uma relação direta com o fluxo sanguíneo cerebral (CBF, Cerebral Blood Flow), a técnica de Imagens por Ressonância Magnética, denominada Marcação dos Spins Arteriais (ASL, Arterial Spin Labeling), que permite a obtenção de mapa quantitativo de CBF, é uma ferramenta útil na avaliação funcional cerebral. Além disso, a ASL pode ser usada na avaliação da conectividade funcional, que é eficiente na investigação de rupturas funcionais entre as regiões do cérebro. Comparando com um grupo de sujeitos saudáveis, os pacientes com esquizofrenia, recrutados no Hospital das Clínicas de Ribeirão Preto (HCFMRP), apresentaram redução de CBF em regiões bilaterais do polo frontal e giro frontal superior, giro frontal medial direito, partes triangular e opercular do giro frontal inferior direito, divisão posterior do giro supramarginal esquerdo, divisão superior e inferior do córtex occipital lateral esquerdo e polo occipital. A conectividade funcional, avaliada por três diferentes métodos (baseado em semente, análise de componentes independentes e teoria dos grafos), se apresentou prejudicada em regiões envolvendo funções motoras, sensoriais e cognitivas dos pacientes. Portanto, utilizando uma técnica de imagem completamente não invasiva, foi possível observar déficits de CBF e alterações na organização funcional do cérebro de pacientes com esquizofrenia, relacionados com os sintomas e características da psicopatologia. / Schizophrenia is a disabling psychiatric disorder that affects around 1% of the population worldwide. Delusions, hallucinations, disorganized thought, and cognitive deficits are the main features of schizophrenia. Physiologically, in addition to functional and structural abnormalities, changes in neuronal activity are reported. Since the Cerebral Blood Flow (CBF) is directly related with neuronal activity, the Magnetic Resonance Imaging (MRI) technique called Arterial Spin Labeling (ASL), which allows the quantification of CBF, is a useful tool in brain functional evaluation. In addition, ASL can be used to assess functional connectivity, which is efficient in investigating functional impairment between regions of the brain. Patients with Schizophrenia, recruited at the Clinical Hospital (HCFMRP), presented a reduction of CBF in bilateral regions of the frontal pole and superior frontal gyrus, right medial frontal gyrus, triangular and opercular parts of the right inferior frontal gyrus, posterior division of left supramarginal gyrus, superior and inferior division of left lateral occipital cortex and occipital pole. Functional connectivity, assessed by three different methods (seed-based, independent component analysis and graph theory), was impaired in regions involving patients\' motor, sensory and cognitive functions. Therefore, using a noninvasive imaging technique, it was possible to observe CBF deficits and alterations in the functional organization of the brain of schizophrenia patients, related to the symptoms and characteristics of the psychopathology.