Caracterização do efeito da condição dos olhos, da iluminação e do posicionamento endógeno sobre o padrão espaço-temporal da atividade de regiões corticais pertencentes às redes do estado de repouso em seres humanos

Abstract

A atividade cerebral espontânea no repouso engaja funcionalmente regiões anatomicamente distintas organizadas em redes denominadas Redes do Estado de Repouso (RSN). Estudos indicam que a atividade cerebral no repouso é susceptível a modificações na condição dos olhos (olhos abertos, OA e olhos fechados, OF), independentemente à entrada sensorial visual e ao posicionamento endógeno. Nossa hipótese é que estes fatores apresentam efeitos independentes sobre a atividade das RSN, cuja contribuição individual poderá ser identificada submetendo participantes à um protocolo experimental controlado. Nosso objetivo é investigar a influência da condição dos olhos, iluminação e posicionamento endógeno sobre o padrão espaço-temporal da atividade de regiões corticais pertencentes às RSN. Baseado em registros da atividade eletroencefalográfica (EEG), o método de localização de fonte eLORETA (Tomografia Eletromagnética Encefálica de Baixa Resolução exata) foi utilizado para estimar a Densidade de Corrente Cortical (DCC) para 324 Regiões de Interesse (ROIs) pertencentes às RSN. A dinâmica espaço-temporal das ROIs foi acessada com análise de point-process. Inicialmente, abordamos o impacto do número de eletrodos na acurácia da localização da fonte (?Estudo I?). Para isso, os valores de DCC foram estimados de registros da EEG com 64 canais (64cn) e de sua versão reduzida com 20 canais (20cn, downscaling). Esta análise mostrou que o downscaling preservou a distribuição espacial das ROIs de 64cn. O padrão da distribuição topográfica das ROIs foi mantido quando estimado com registros da EEG de um banco de dados independente obtidos originalmente com 20cn. O método eLORETA /point-process foi efetivo para capturar os efeitos funcionais resultantes da manipulação das condições dos olhos. Padrões compatíveis foram observados nos três sistemas (64ch, downscaling e registro independente). Os padrões originais foram prejudicados quando estimados a partir da randomização dos canais de registro da EEG ou quando estimados da distribuição não homogênea de eletrodos no escalpo. Estes resultados indicam que o conteúdo dos mapas não é aleatório, mas sim fisiológico. Em seguida, discriminamos o papel de cada fator utilizando dados da EEG registrados durante condições controladas de repouso (?Estudo II?). Na ausência de iluminação, a manipulação da condição dos olhos resultou em padrões distintos. ROIs localizados posteriormente relacionadas ao processamento internalizado predominaram com OF, e ROIs de regiões anteriores relacionados ao processamento atencional predominaram com OA. Estes resultados suportam a hipótese da alocação atencional para processos internos e externos. O efeito da iluminação ocorreu em ROIs da rede visual, que apresentou atividade significativamente maior no escuro, sugerindo uma redução da excitabilidade cortical comparado ao ambiente iluminado. A potência média absoluta do ritmo alfa mostrou-se susceptível ao posicionamento endógeno somente na condição de OF, apresentando valores maiores no protocolo com característica ativa do que na passiva. Este resultado sugere que alfa apresenta um papel de inibição tônica aumentada no posicionamento ativo e a liberação desta inibição no passivo. Entretanto, a atividade das ROIs não foi significativamente influenciada. Estes resultados confirmam a efetividade do método eLORETA/point-process para a análise dos padrões de atividades das RSN sobre os fatores que a modulam.

Abstract: Spontaneous brain activity at rest functionally engages anatomically distinct regions organized in networks called Resting State Networks (RSN). Studies indicate that brain activity at rest is susceptible to changes in the eye conditions (eyes open, OA, and eyes closed, OF), regardless of visual sensory input and endogenous positioning. We hypothesize that these factors have independent effects on the activity of the RSN, whose individual contribution can be identified by subjecting participants to a controlled experimental protocol. We aim to investigate the influence of eye condition, lighting, and endogenous positioning on the spatiotemporal pattern of activity in cortical regions belonging to the RSN. Based on electroencephalographic (EEG) activity recordings, the eLORETA source location method (Exact Low-Resolution Brain Electromagnetic Tomography) estimates the Cortical Current Density (DCC) for 324 Regions of Interest (ROIs) belonging to the RSN. The spatiotemporal dynamics of the ROIs were accessed with point-process analysis. The impact of the number of electrodes on the accuracy of the source location (\"Estudo I\") was estimated through the DCC values from EEG recordings with 64 channels (64cn) and its reduced version with 20 channels (20cn, downscaling). This analysis showed that downscaling preserved the spatial distribution of ROIs from 64cn. The topographical distribution pattern of the ROIs was maintained when estimated with EEG recordings from an independent database originally obtained with 20cn. The eLORETA /point-process method effectively captures the functional effects of manipulating eye conditions. Compatible patterns were observed in the three systems (64ch, downscaling, and independent recording). The original patterns were impaired when estimated from the EEG recording channels? randomization or the non-homogeneous distribution of electrodes on the scalp. These results indicate that the content of the maps is not random but physiological. Next, the contribution of each factor was discriminated through EEG data recorded during controlled resting conditions (\"Estudo II\"). In the absence of lighting, manipulation of the eye condition resulted in distinct patterns. Posteriorly located ROIs related to internalized processing predominated with OF, and ROIs from anterior regions related to attentional processing predominated with OA. These results support the hypothesis of attentional allocation for internal and external processes. The lighting effect occurred in ROIs of the visual network, which showed significantly greater activity in the dark, suggesting a reduction in cortical excitability compared to the illuminated environment. The absolute mean power of the alpha rhythm was susceptible to endogenous positioning only in the OF condition, with higher values in the protocol with an active characteristic than in the passive one. This result suggests that alpha plays a role in increased tonic inhibition in active positioning and releasing this inhibition in passive positioning. However, the activity of the ROIs was not significantly influenced. These results confirm the eLORETA/point-process method's effectiveness for analyzing RSN activity patterns on the factors that modulate it.