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

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 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

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.