Como medir a atividade cerebral em pessoas

O cérebro é difícil de estudar não apenas por causa de sua complexidade inerente; os bilhões de neurônios, as centenas ou milhares de tipos de neurônios, os trilhões de conexões. O cérebro também trabalha em várias escalas diferentes, tanto no sentido físico como no domínio do tempo.

Para entender a atividade elétrica do cérebro nestas escalas, nenhuma tecnologia única é suficiente. Como resultado, os neurocientistas têm um conjunto de ferramentas à sua disposição. Algumas delas, tais como fMRI e EEG, podem ser usadas em humanos porque são não invasivas; elas funcionam através do olhar no crânio.

Mas estas ferramentas sofrem de falta de detalhes. Para obter uma imagem mais microscópica da atividade neuronal, os pesquisadores recorrem a modelos animais. Isto permite que o comportamento de neurônios individuais, ou de pequenos grupos de neurônios, seja analisado com muito mais detalhes.

Ressonância magnética funcional (fMRI)

Ressonância magnética funcional, ou fMRI, pode ser a tecnologia mais conhecida para registrar a atividade neural, mas na verdade não registra a atividade dos neurônios – em vez disso, as imagens multicoloridas que você vê de regiões específicas do cérebro sendo iluminadas refletem o fluxo sanguíneo no cérebro. Mais precisamente, o sinal que você vê reflete a presença relativa de sangue oxigenado versus sangue desoxigenado; regiões ativas requerem mais sangue oxigenado, e assim, apesar de serem indiretas, a fMRI permite aos cientistas inferir padrões de atividade dos neurônios.

fMRI se tornou um dos pilares da moderna pesquisa neurocientífica porque permite que a anatomia cerebral (obtida a partir de uma ressonância magnética estrutural, ao invés de funcional) e a função sejam correlacionadas em humanos. Mas ela tem limitações. Tanto a resolução espacial (~1 mm3, relativa à localização) quanto a temporal (~1-2 seg, relativa ao tempo) são pobres comparadas ao que desejaríamos; um milímetro cúbico contém cerca de 60.000 neurônios – o suficiente para sustentar toda a vida de uma mosca da fruta ou lagosta – e decisões perceptuais complexas tomam apenas centenas de milissegundos, mas a fMRI não fornece acesso a essa informação.

Não obstante, a fMRI permite um olhar inigualável sobre onde e em que medida diferentes funções podem ser localizadas dentro do cérebro humano, e os pesquisadores continuam a desenvolver formas de melhorar sua resolução espacial e temporal, por exemplo, tornando a técnica mais sensível às mudanças neuronais do que às mudanças no fluxo sanguíneo. Nenhuma técnica atual corresponde à fMRI por sua capacidade de ‘mapear’, ou determinar a provável fonte da função cognitiva dentro do cérebro humano.

Electroencefalografia (EEG)

Electroencefalografia, ou EEG, é provavelmente a segunda melhor técnica conhecida para registrar a atividade neural. Enquanto fMRI registra o fluxo sanguíneo, um proxy de ativação neuronal, o EEG registra diretamente a atividade elétrica do cérebro através de eletrodos colocados no couro cabeludo do sujeito.

No entanto, o EEG não registra os potenciais de ação, os eventos elétricos que os neurônios usam para se comunicar uns com os outros. Em vez disso, ele pesquisa a atividade somada de centenas de milhares ou milhões de neurônios sob a forma de atividade oscilatória. Ao contrário dos potenciais de ação, não se sabe que informação essas oscilações realmente carregam, mas diferentes freqüências de oscilação se correlacionam com diferentes estados de comportamento.

EEG tem uma ‘resolução temporal’ muito superior a fMRI (~1 ms vs. 1 seg.). Por causa disso, o EEG pode ser usado para rastrear mais precisamente a dinâmica neural em humanos acordados, e é freqüentemente usado para determinar a resposta elétrica do cérebro a um estímulo ou condição.

A principal limitação do EEG é sua resolução espacial pobre, muito mais pobre do que para fMRI. Embora seja sabido que os sinais de EEG só vêm do córtex cerebral, permanece extremamente difícil saber exatamente onde no córtex os sinais surgem.

Outras vezes, seu viés cortical significa que não podemos usá-lo para medir o que acontece no hipocampo, onde muitas memórias são feitas e armazenadas, ou na substantia nigra ou striatum, regiões afetadas pela Doença de Parkinson. Assim, ao contrário da fMRI, o mapeamento da atividade não é realmente possível com EEG.

Electrocorticografia (ECoG)

Electrocorticografia é semelhante ao EEG, pois mede a atividade combinada de milhões de neurônios, muitas vezes na forma de ondas oscilatórias. Mas existem duas grandes diferenças. Primeiro, o ECoG requer a inserção da matriz de eletrodos sob o couro cabeludo, e por isso requer cirurgia. Por esta razão, o ECoG só é adequado para pacientes já programados para uma cirurgia médica que envolve abertura do couro cabeludo.

Segundo, o ECoG permite uma localização significativamente melhorada da fonte de atividade, bem como o registro da atividade elétrica de maior freqüência. Ambas essas características ajudam durante a cirurgia de epilepsia, mas para fins de pesquisa pura, a técnica é muito invasiva para ser usada em humanos que ainda não requerem cirurgia cerebral.

Sumário

Neuroscientistas são justificadamente limitados no tipo de abordagens que eles podem usar para estudar a atividade cerebral humana. No entanto, até agora não existe nenhuma tecnologia que permita o registro detalhado da atividade neuronal através do crânio humano, o que significa que as medidas que podemos tomar dão informações bastante grosseiras sobre como nossos cérebros funcionam. Estes limites de resolução espacial e temporal serão sem dúvida melhorados num futuro próximo, permitindo medições mais precisas e maiores conhecimentos sobre a actividade cerebral humana. Além disso, abordagens complementares que permitem a interrupção temporária do processamento neuronal nos ajudarão a entender que tipos de disfunção cerebral regional podem levar aos déficits cognitivos associados a distúrbios mentais.

QBI Laboratórios usando fMRI

• Professor Jason Mattingley
• Professor associado Ross Cunnington
• Professor Tianzi Jiang

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QBI Laboratórios usando EEG

• Professor Jason Mattingley
• Professor associado Ross Cunnington