Desenvolvimento de um índice de complexidade perturbacionalgeral e eficiente para o estudo dos mecanismos neurais da consciência

Desenvolvimento de um índice de complexidade perturbacionalgeral e eficiente para o estudo dos mecanismos neurais da consciência

Author Comolatti, Renzo Autor UNIFESP Google Scholar
Advisor Casali, Adenauer Girardi Autor UNIFESP Google Scholar
Institution Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP)
Graduate program Engenharia Biomédica
Abstract The recent introduction of a measure of brain complexity, the Perturbational Complexity Index (PCI), made it possible to estimate the brain's ability to integrate information through causal interactions between different nuclei of the thalamic-cortical system. The measurement, calculated from the neural responses obtained by combining the techniques of electroencephalography (EEG) and transcranial magnetic stimulation (TMS), made it possible to objectively and non-invasively assess the presence or absence of consciousness in individuals in various brain states, among physiological (wakefulness and NREM sleep), pharmacological (anesthetics such as propofol, xenon and ketamine) or pathological states (coma, locked-in syndrome, vegetative state and minimally conscious state). Despite its potential use as a clinical index of consciousness as well as a tool for the study of mechanisms of cerebral complexity, the measurement has limitations that make its calculation cumbersome and hinder its practical use: its dependence on the estimation of neural electrical sources and its restricted application to signals beyond TMS/EEG recordings. In this project, we sought to develop and validate an alternative method of estimating the spatiotemporal complexity of brain responses that overcomes these limitations. The proposed method, based on dimensional reduction techniques and quantitative recurrence analysis (RQA), is efficient and general, avoiding the estimation of source modelling and the use of high density EEG systems. We validated the method in a large dataset of TMS/EEG recordings obtained from healthy subjects and brain-injured patients with disorders of consciousness. Next, we tested the generalizability of the measure by applying it to sparse intracranial recordings (SEEG) of patients subject to single-pulse intracranial electrical stimulation (SPES) during NREM wakefulness and sleep, as well as to electrical stimulation evoked potentials in rats under three types of general anesthesia, in order to assess differences in brain complexity between states. The results show that the proposed method represents a significant advance in the development of a fast and reliable index to be used in the clinical evaluation of disorders of consciousness, as well as a general tool for the investigation of the neural mechanisms of loss and recovery of brain complexity in different scales, species and models.

A recente introdução de uma medida de complexidade cerebral, o Índice de Complexidade Perturbacional (PCI), tornou possível estimar a capacidade do cérebro de integrar informação através de interações causais entre diferentes núcleos do sistema tálamo-cortical. A medida, calculada a partir das respostas neurais obtidas combinando as técnicas de eletroencefalografia (EEG) e estimulação magnética transcraniana (TMS), possibilitou avaliar, de maneira objetiva e não invasiva, a presença ou ausência de consciência em indivíduos em diversos estados cerebrais, dentre condições fisiológicas (vigília e sono NREM), farmacológicas (anestésicos como propofol, xenon e cetamina) ou patológicas (coma, síndrome do encarceramento, estado vegetativo e estado minimamente consciente). Apesar de seu potencial como índice clínico de consciência em pacientes com lesões cerebrais bem como ferramenta para o estudo dos mecanismos de complexidade cerebral, a medida possui limitações que dificultam seu cálculo e emprego prático: sua dependência na estima das fontes elétricas neurais e sua aplicação restrita a sinais diversos de registros de TMS/EEG. Neste projeto, buscamos desenvolver e validar um método alternativo de estima da complexidade espaço-temporal de respostas cerebrais que superasse estas limitações. O método proposto, baseado em técnicas de redução dimensional e análise quantitativa de recorrência (RQA), é eficiente e geral, dispensando a realização da estima das fontes neurais e o uso de sistemas de EEG de alta densidade. O método foi validado em um grande conjunto de registros de TMS/EEG obtidos de sujeitos saudáveis e pacientes com distúrbios de consciência. Em seguida, sua generalidade foi testada aplicando o método em registros intracranianos esparsos (SEEG) de pacientes submetidos à estimulação elétrica intracraniana de pulso único (SPES) durante vigília e sono NREM, bem como em potenciais evocados por estimulação elétrica em ratos acordados e sob três tipos de anestesia geral, de modo a avaliar as diferenças em complexidade cerebral entre os estados. Os resultados obtidos sugerem que o método proposto representa um avanço significativo no desenvolvimento de um índice rápido e confiável para ser utilizado na avaliação clínica de distúrbios de consciência, bem como uma ferramenta geral para a investigação dos mecanismos neurais de perda e recuperação de complexidade cerebral em diversas escalas, espécies e modelos.
Keywords Perturbational Complex
Neurals Mecanisms
Consciense
Complexidade Perturbacional
Mecanismos Neurais
Consciência
Language Portuguese
Date 2019-06-03
Research area Análise De Sinais E Imagens Biomédicas
Knowledge area Instrumentação Biomédica
Publisher Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP)
Extent 70 p.
Origin https://sucupira.capes.gov.br/sucupira/public/consultas/coleta/trabalhoConclusao/viewTrabalhoConclusao.jsf?popup=true&id_trabalho=7693819
Access rights Closed access
Type Dissertation
URI https://repositorio.unifesp.br/handle/11600/59678

Show full item record




File

File Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Search


Browse

Statistics

My Account