Frontiers in Neuroscience

Introduction

Attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) é um dos distúrbios neuropsiquiátricos mais comuns em crianças e afeta de 3 a 5% das crianças em idade escolar. O TDAH é caracterizado principalmente por sintomas de hiperatividade, desatenção e impulsividade inadequados à idade (American Psychiatric Association, 2013). Estes sintomas primários podem ser identificados em crianças com TDAH durante os primeiros anos do ensino fundamental (Mucina, 2005). Além disso, crianças com TDAH frequentemente desenvolvem comorbidades, incluindo distúrbios desafiantes opostos, comportamento anti-social, abuso de substâncias e problemas associados à conduta e aprendizagem mais tarde na vida (Klassen et al., 2004; Wehmeier et al., 2010). O funcionamento cognitivo é ligeiramente prejudicado nesta doença (Sergeant et al., 2002). Particularmente, o TDAH afeta a inibição da resposta, que é a capacidade de inibir pensamentos e ações inadequadas. Vários estudos constataram que a disfunção inibitória é um defeito neurofisiológico chave do TDAH (Durston et al., 2003; Smith et al., 2006; Bledsoe et al., 2010), e o córtex pré-frontal (PFC) é uma das regiões mais importantes que influenciam fortemente a inibição da resposta (Schmitz et al., 2006; Zang et al., 2006; Kana et al., 2007).

De acordo com o modelo cognitivo de Barkley, a inibição da resposta envolve três processos inter-relacionados: (1) inibição de uma resposta inicial pré-potente, (2) paragem de uma resposta em curso ou atraso na resposta, e (3) limitação da interferência ou distractibilidade durante os períodos de atraso (Barkley, 1997). A tarefa Go/no-go é uma tarefa neuropsicológica clássica amplamente utilizada no contexto clínico para avaliar a inibição da resposta (Casey et al., 1997; Smith et al., 2006; Fang et al., 2010; Monden et al., 2012a). Durante esta tarefa, a tendência prepotente é inibir a execução de uma resposta. Essa inibição só pode ocorrer nas fases de seleção de resposta ou execução (Rubia et al., 2001; Xiao et al., 2012). A sobreposição de estímulo ou resposta leva a outras formas de interferência (Rubia et al., 2001; Wager et al.., 2005).

Espectroscopia funcional de infravermelho próximo (fNIRS) pode medir alterações nas concentrações de hemoglobina oxigenada, desoxigenada e total (oxiHB, deoxy-HB e total-HB) na hemodinâmica cerebral medindo a absorção de luz infravermelha próxima (geralmente na faixa de 700-1.000 nm) projetada através do couro cabeludo (Liao et al, 2013). fNIRS fornece uma medida indireta da atividade neural baseada em mudanças na oxigenação do sangue devido a processos metabólicos dentro do córtex (Vanderwert e Nelson, 2014). Assim, podemos avaliar a ativação cerebral de crianças com TDAH durante testes neuropsicológicos usando fNIRS. fNIRS tem muitas vantagens, tais como não invasividade, propriedade não-radiativa e insensibilidade a artefatos de movimento; o fNIRS também fornece dados com alta resolução temporal em comparação com fMRI (Quaresima et al.., 2012).

Estudadores transversais usaram o fNIRS para investigar diferenças na ativação de PFC durante tarefas de inibição de resposta (como o teste go/no-go) entre crianças com TDAH e crianças em desenvolvimento típico (crianças TD). Crianças com TDAH mostraram uma diminuição na ativação de PFC em comparação com crianças com TD. Entretanto, a localização da ativação associada à inibição dentro do córtex frontal é inconsistente entre os estudos anteriores que empregaram fNIRS e go/no-go task. Monden (Monden et al., 2012a) utilizaram fNIRS para estudar crianças com TDAH executando tarefas de inibição de resposta; os resultados mostraram diminuição do nível de ativação do giro frontal inferior direito/giro frontal médio. No estudo de Fangyue (Fang et al., 2010), crianças com TDAH foram solicitadas a realizar tarefas inibitórias; os resultados do fNIRS indicaram que, durante a tarefa ir/não ir, as crianças com TDAH mostraram fraca ativação no PFC esquerdo. Ao contrário, no estudo de Inoue (Inoue et al., 2012), crianças com TDA/H mostraram ativação significativamente reduzida nas áreas frontais bilaterais em comparação com crianças com TD durante a condição de no-go que requer inibição.

Neste estudo, avaliamos a ativação de crianças com TDA/H e crianças com TD no PFC durante a tarefa go/no-go através do fNIRS. Assumimos que a atividade cerebral será alterada em pacientes com TDA/H em contraste com os controles no PFC.

Métodos

Subjetos

Quatorze crianças com TDA/H foram recrutadas no Hospital Infantil Filiado ao Instituto Capital de Pediatria e comparadas com 15 crianças TD recrutadas na comunidade local (Tabela 1). Os participantes foram agrupados por idade, sexo, QI em escala real e mão de obra. Todos os participantes eram destros, com uma média de 6-9 anos. Os indivíduos que preenchiam os critérios do DSM-V para o TDAH foram incluídos no grupo do TDAH. O QI foi avaliado utilizando a versão chinesa da Wechsler Intelligence Scale for Children-Revised e a pontuação de QI dos participantes foi ≥70. As crianças com TD não tinham antecedentes de quaisquer perturbações mentais ou neurológicas. Os critérios de exclusão de todos os sujeitos incluíam história de convulsões ou traumatismo craniano, bem como o diagnóstico de um distúrbio neurológico, desordem genética ou condição médica importante. O consentimento por escrito foi obtido dos pais de todos os sujeitos. Este estudo foi aprovado pelo Comitê de Ética do Hospital Infantil Filiado ao Capital Institute of Pediatrics.

Tarefa experimental

Tarefa ir/não ir foi gerada pelo E-Prime2.0 e apresentada em uma tela de computador desktop 17″. A distância entre os olhos do sujeito e a tela era de ~50 cm. A tarefa desenhada em bloco consistia de seis conjuntos de blocos (Figura 1). Cada conjunto era composto por blocos alternados de go (linha de base) e go/no-go (alvo). Uma instrução de 3 s foi apresentada no início de cada bloco. Cada bloco continha 24 tentativas, e cada tentativa durou 1 s. A tarefa inteira durou 5,4 min. Na condição de ir, foi apresentada uma sequência aleatória de duas letras (“A” e “B”) e foi necessário responder a ambas as letras. Em blocos de go/no-go, os participantes foram solicitados a fazer uma resposta quando a letra “O” foi apresentada e a inibir a sua resposta à letra “X”. Todos os sujeitos foram instruídos a responder a cada carta o mais rápido possível. Os participantes responderam usando seu dedo indicador da mão direita. Cada participante realizou um bloco de prática antes de qualquer medida para garantir que entendessem a instrução. Selecionamos uma proporção de 50% (Dillo et al., 2010; Monden et al., 2012a; Nagashima et al., 2014). O tempo de reacção (RT) dos ensaios go e a precisão (ACC) dos ensaios go e no-go foram registados.

Nr: O número de respostas certas. Nt: O número total de respostas.

fNIRS Measurements

Changes in the concentration of oxy-HB, deoxy-HB, and total-HB (mM.mm) was recorded in the PFC by using a continuous multichannel fNIRS instrument (ETG-4000; Hitachi Medical Corporation, Kashiwa, Japan) that worked with two different wavel lengths of near-infrared light (695 and 830 nm). Utilizamos um conjunto de sondas contendo 17 fontes e 16 detectores para obter 52 canais de medição de fNIRS (Figura 2). Os dados ópticos foram analisados com base na Lei Beer-Lambert modificada (Cope et al., 1988). Os dados do fNIRS foram medidos sob uma taxa de amostragem de 10 Hz. O conjunto de sondas foi colocado na cabeça em relação às posições padrão relevantes do sistema internacional 10-20 para colocação de eletrodos EEG (Klem et al., 1999; Okamoto et al., 2004). O optodo inferior médio foi colocado em Fpz, e a linha inferior dos optodos foi orientada na direção T3 ou T4 (Schecklmann et al., 2010).

Análise dos dados fNIRS

Para analisar os dados fNIRS, focalizamos o sinal oxiHB devido à sua maior sensibilidade às mudanças no fluxo sanguíneo cerebral do que o deoxy-HB e total-HB (Strangman et al.., 2002; Hoshi, 2003), bem como sua maior relação sinal-ruído (Strangman et al., 2002) e sua confiabilidade de reteste (Plichta et al., 2006). Os dados da série temporal de cada canal para os dados fNIRS foram pré-processados através de filtragem com uma passagem de banda digital definida entre 0,01 e 0,8 Hz. Foi realizada uma correção de linha de base do oxi-HB (10 s antes da tarefa) para compensar o desvio ao longo do tempo. Selecionamos sinais de bloco relativamente estáveis sem movimento da cabeça e ruído óbvio para análise posterior através de inspeção visual dos sinais. Calculamos a média inter-trial das diferenças entre os períodos de pico dos sinais oxi-hB (4-24 s após o início do bloco de go/no-go) e da linha de base (14-24 s após o início do bloco de go) (Nagashima et al., 2014). Para examinar se a mudança óxi-HB está aumentando significativamente no bloco vai/não vai em relação à linha de base, as mudanças médias na concentração de óxi-HB durante cada tarefa menos as mudanças médias no período de linha de base antes da tarefa foram determinadas e analisadas estatisticamente.

Análise estatística

Os sinais óxi-HB foram analisados estatisticamente de forma canalizada. Primeiramente, examinamos a diferença entre as mudanças no pico oxiHB e na linha de base para indivíduos com TDAH. Em segundo lugar, examinamos a diferença entre as mudanças no pico do oxiHB e na linha de base para os controles. Terceiro, a diferença entre as alterações no pico oxiHB para sujeitos com TDAH e sujeitos de controle foram calculadas.

No passo 1 e passo 2 examinamos a diferença entre as alterações no pico oxiHB e na linha de base para cada sujeito usando um teste t de amostra. Para determinar diferentes atividades cerebrais entre os grupos TDAH e controle, empregamos o teste t de amostra independente bicaudal sobre a diferença de alterações no pico oxi-hB para identificar os canais envolvidos nas tarefas go/no-go.

Resultados

Rendimento comportamental

Nos dados de comportamento durante a tarefa go/no-go, cinco índices foram analisados estatisticamente. A Tabela 2 resume a precisão média para testes go and no-go e RT para testes go correctos na tarefa go/no-go, erros de comissão (resposta a um estímulo no go) e erros de omissão (não resposta a um estímulo go) para controlos e sujeitos com ADHD. Os resultados do teste t mostraram que o desempenho do comportamento go/no-go não foi significativamente diferente entre os indivíduos controle e ADHD.

fNIRS

Processamos qualquer canal fNIRS envolvido na tarefa go/no-go para controle e contrastes ADHD. Encontramos um aumento significativo do oxi -HB no CH 37(média = 0,045, SD = 0,068, p = 0,023), 48(média = 0,069, SD = 0,011, p = 0,002), 49 (média = 0,051, SD = 0,087, p = 0,037) em sujeitos de controle. Estes canais foram localizados no córtex frontopolar esquerdo (FPC). Mas não encontramos nenhum canal que exibisse um aumento significante de oxi-bolha em indivíduos com TDAH.

Adicionalmente, o CH 37, CH48 e CH 49 foram selecionados como canais de interesse para investigar a diferença entre TDAH e TD. A comparação entre os sinais de oxi-bolha dos indivíduos controle e TDAH revelou ativação significativa do sinal oxi-bolha no CH 37 esquerdo, 48 nos indivíduos controle (teste t de amostra independente bicaudal, Tabela 2). A Figura 3 é a forma de onda dos sinais de oxi -HB para o CH 37. Estes canais foram localizados no FPC esquerdo. Este achado indica que os controles exibiram maior ativação do FPC esquerdo durante as tarefas vai/não vai do que as crianças com TDAH.

Discussão

Este estudo visa principalmente explorar a viabilidade do uso de fNIRS para diferenciar crianças com TDAH das crianças com TD. A ativação do FPC esquerdo poderia servir como um biomarcador neurofuncional objetivo para a medição de fNIRS. Em relação aos controles, as crianças com TDAH exibiram ativação cerebral reduzida no FPC esquerdo durante os bloqueios de tarefa go/no-go.

Performance Comportamental para Go/No-Go Task

O paradigma go/no-go requer seleção de resposta entre executar ou inibir uma resposta motora como acionada por um go- ou um no-go-stimulus. A tarefa exige funções cognitivas de alto nível de tomada de decisão, seleção de resposta e inibição de resposta (Rubia et al., 2001). Esta função cognitiva é essencial na vida diária, e a inibição da resposta é um biomarcador potencial para a TDAH em crianças (Barkley, 1997). Assim, inúmeros pesquisadores investigaram a natureza desinibitória do TDAH utilizando o paradigma go/no-go (Monden et al., 2012a; Vasic et al., 2014).

Neste estudo, o desempenho comportamental não foi significativamente diferente entre crianças com TDAH e controles, similar aos achados previamente relatados (Durston et al., 2003; Smith et al., 2006; Nagashima et al., 2014). Crianças com TDAH exibem diferentes trajetórias de desenvolvimento no controle de impulso (Barkley, 1997), e crianças com TD mostram mais controle no estágio inicial de desenvolvimento. No presente estudo, os participantes com 6 e 9 anos de idade. O controle cognitivo continua a se desenvolver nesta faixa etária (Diamond et al., 1994; Casey et al., 1997, 2001; Carver et al., 2001); assim, a divergência nas trajetórias de desenvolvimento entre os grupos poderia ser o início em nossa amostra atual. Este achado pode explicar a falta de diferenças na precisão geral das crianças que participaram do estudo de imagem (Durston et al., 2003). Entretanto, nosso resultado é inconsistente com estudos anteriores, nos quais crianças com TDA/H manifestaram comprometimento do desempenho comparado aos controles (Monden et al., 2012a).

fNIRS

fMRI estudos sobre inibição de resposta relataram ativação do lobo frontal (Mostofsky et al., 2003; Wager et al., 2005; Blasi et al., 2006). Portanto, no presente estudo, as medidas fNIRS abrangeram o PFC. Detectamos a ativação cerebral no FPC esquerdo durante os bloqueios da tarefa go/no-go em crianças TD; além disso, estudos fMRI da tarefa go/no-go em crianças TD utilizaram o FPC de forma consistente (Casey et al., 1997; Booth et al., 2003). Assim, concluímos que nossas medidas atuais de fNIRS extraíram de forma robusta a ativação simultânea para inibição de resposta no FPC esquerdo em indivíduos controle.

Ativação no PFC não foi observada durante o período da tarefa Go/no-go em indivíduos com TDAH. Além disso, as crianças com TDAH apresentaram ativação reduzida no FPC esquerdo em comparação com as crianças com TD. O presente estudo ainda apóia que as crianças com TDAH têm um defeito de função inibitória. Além disso, a função FPC esquerda associada ao desempenho da tarefa ir/não ir pode ser prejudicada em crianças com TDA/H.

A disfunção FPC esquerda de crianças com TDA/H na realização de tarefas de inibição de resposta observadas pelo fNIRS é consistente com outros estudos que empregaram técnicas de imagem cerebral (Smith et al., 2006; Rubia et al., 2009; Cubillo et al., 2011). No estudo de Smith et al. (Smith et al., 2006), as crianças com TDAH e TDAH foram solicitadas a realizar a tarefa ir/não ir; os resultados da fMRI indicaram que as crianças com TDAH mostraram diminuição da ativação no FPC esquerdo durante a tarefa ir/não ir. Cubillo et al. (2011) usaram fMRI em crianças com TDAH que executaram tarefas de inibição de resposta (tarefa bizarra); os resultados mostraram que o nível de ativação do FPC esquerdo diminuiu. Rubia et al. (2009) também relataram a ativação induzida do FPC esquerdo em crianças com TDAH usando fMRI.

FPC é a maior região anterior dentro do PFC humano (Roca et al., 2011) e está associada a funções cognitivas de alta ordem (Badre, 2008; Vincent et al., 2008; Lee e Kim, 2014). Vários pesquisadores colocaram esta região cerebral no topo da hierarquia de processamento frontal (Badre e D’Esposito, 2007, 2009; Shimoda et al., 2014). Estudos de imagem indicaram que a inibição de resposta é altamente dependente do PFC (Schmitz et al., 2006; Zang et al., 2006; Xiao et al., 2012). O FPC desempenha um papel na coordenação e integração do córtex pré-frontal lateral dorsal e do córtex pré-frontal lateral ventral (Shimoda et al., 2014). É a única região da PFC que se conecta quase exclusivamente a outras áreas supramodais dentro da PFC (Ramnani e Owen, 2004; Burgess et al., 2007). Além disso, a área de FPC pode controlar a atenção sustentada (Sturm e Willmes, 2001; Derosiere et al., 2014). Os pesquisadores assumiram que a redução da ativação do FPC durante o desempenho inibitório intacto pode estar relacionada a processos de atenção seletiva e tomada de decisão (Rubia et al., 2003; Smith et al., 2006; Monden et al., 2012b). Além disso, vários investigadores acreditavam que uma alta relação entre ir e não ir pode levar à ativação durante os bloqueios sem ir e está associada à atenção seletiva ao invés da inibição de resposta (Tamm et al., 2004; Dillo et al., 2010; Monden et al., 2012b). Em contraste, uma razão go/no-go de 50% foi selecionada porque é comumente usada em estudos de neuroimagem (Tamm et al., 2004; Dillo et al., 2010; Monden et al., 2012b).

fNIRS study também adicionou mais evidências sobre o envolvimento do PFC esquerdo durante as tarefas go/no-go. No estudo de Fangyue, crianças com TDAH apresentaram ativação mais fraca e função cognitiva comprometida no PFC esquerdo do que crianças com TD (Fang et al., 2010). Além disso, o recente estudo fNIRS relatou ativação pré-frontal reduzida em crianças com TDA/H em comparação com controles normais durante uma condição de go/no-go (embora nenhuma lateralidade tenha sido relatada; Inoue et al., 2012). Além disso, vários estudos fNIRS observaram que crianças com TDAH apresentaram ativação reduzida durante a tarefa go/no-go na região do córtex frontal médio (MFC)/ córtex frontal inferior (IFC) da direita (Monden et al., 2012a). Assim, diferenças entre estudos em desenhos de tarefa go/no-go e condições de contraste podem explicar diferenças na lateralidade ou localização precisa (Rubia et al., 2001). Estes dados ilustram que a técnica fNIRS pode ser utilizada para investigar a hemodinâmica cerebral no TDAH durante tarefas de inibição de resposta.

Limitações

Este estudo tem várias limitações, que incluem um pequeno tamanho de amostra e medição fNIRS. O tamanho da amostra no presente estudo é bastante pequeno, limitando assim a nossa capacidade de detectar diferenças subtis entre grupos. Portanto, estudos futuros devem ter um tamanho amostral grande para confirmar nossas conclusões. Dado que o sistema fNIRS poderia cobrir apenas o PFC, não examinamos nenhuma outra área cortical, exceto o PFC. Além disso, o fNIRS não pode detectar as atividades de estruturas sub-córticas profundas onde a luz infravermelha próxima não pode alcançar. Portanto, uma gama mais ampla de córtex deve ser incluída em mais estudos. Além disso, esta técnica deve ser combinada com outros métodos de imagem para investigar as relações entre a atividade de PFC e as respostas de estímulo.

Conclusão

Neste estudo, monitoramos a ativação do córtex pré-frontal através de fNIRS de crianças com TDAH e TD que realizaram uma tarefa de ir/não ir (tarefa de inibição de resposta). Obtivemos os seguintes resultados: Primeiro, focos de ativação (FPC esquerdo) foram ativados em crianças com TD que realizavam uma tarefa de ir/não ir. Segundo, em relação aos sujeitos de controle, as crianças com TDAH exibiram ativação cerebral reduzida no FPC esquerdo durante os bloqueios de tarefa de ir/não ir. Assim, a ativação esquerda do PFC poderia ser um biomarcador neurofuncional objetivo para distinguir crianças com TDAH e crianças com TD. O exame baseado no fNIRS sobre o diagnóstico assistido por TDAH é aplicável a crianças em idade escolar do ensino fundamental, incluindo aquelas com até 6 anos de idade. Portanto, o exame baseado em fNIRS é uma ferramenta clínica promissora para o diagnóstico precoce de pacientes com TDA/H.

Ethics Statement

Este estudo foi realizado de acordo com as recomendações do Comitê de Ética do Instituto de Pediatria de Capital com consentimento livre e esclarecido por escrito de todos os sujeitos. Todos os sujeitos deram consentimento livre e esclarecido por escrito, de acordo com a Declaração de Helsinque. O protocolo foi aprovado pelo Comitê de Ética do Capital Institute of Pediatrics.

Contribuições dos autores

SM: Desenho experimental, coleta de dados, redação em papel. JH e YG: Redação de tarefas de teste, processamento de dados. XW, WS, DL e ZL: Coleta de dados. JY e XL: Desenho experimental, gerenciamento da implementação do projeto.

Conflict of Interest Statement

Os autores declaram que a pesquisa foi conduzida na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que pudessem ser interpretadas como um potencial conflito de interesses.

Conhecimento

Esta pesquisa foi apoiada por subsídios do Programa Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Chave da China (Grant nos. 2016YFC1306203 e 2016YFC1306204) e da Comissão Municipal de Ciência e Tecnologia de Beijing (No. Z161100000116043).