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CPGEI (Doutorado): Hellen Mathei Della Justina-21/02/14

Defesa Pública de Doutorado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
Quando 21/02/2014
das 14h00 até 18h00
Onde Sede Centro - Sala C301
Nome do Contato Prof. Humberto Remigio Gamba
Participantes Prof. Humberto Remigio Gamba, Dr. Orientador - UTFPR
Prof. Edson Amaro Jr., Dr. Coorientador - USP-SP
Banca Examinadora
Prof. Edson Amaro Jr., Dr. Coorientador - USP-SP
Prof. Roberto José Maria Covolan - UNICAMP
Profa. Elisangela Ferretti Manffra, Dr. - PUCPR
Prof. Miguel Antonio Sovierzoski, Dr. UTFPR
Profa. Mauren Abreu de Souza, Dr. - Bolsista PNPD/CPGEI
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Estudo da interação cerebral entre as áreas funcionais dos sistemas visual e vestibular

Resumo: O equilíbrio estático corporal é comandado por três sistemas sensoriais: o sistema vestibular, responsável pelas informações sobre a posição e os movimentos da cabeça; o sistema visual, que informa a posição espacial dos objetos em relação ao nosso corpo; e o sistema proprioceptivo, que controla a postura e a movimentação corporal. Estes três sistemas devem funcionar sempre em sintonia, caso contrário, o indivíduo apresentará problemas de equilíbrio. Dessa forma, é importante caracterizar as regiões corticais, bem como suas interações, envolvidas neste processo. Para isto, é necessário a utilização de técnicas de neuroimagem funcional, sendo a ressonância magnética funcional (RMf) uma das técnicas mais utilizadas neste campo nos dias de hoje. Entretanto, uma grande parte dos experimentos de RMf requer o uso de aparelhos eletrônicos para produzir estimulações somatosensoriais no corpo humano, onde a principal dificuldade é o seu ambiente hostil aos circuitos eletrônicos. Dentre estes aparelhos destaca-se o estimulador galvânico vestibular, a estimulação galvânica vestibular é um dos métodos mais utilizados para estimular o sistema vestibular. Esta consiste em fornecer uma corrente de baixa amplitude diretamente nas aferências vestibulares, a qual atua no disparo dos neurônios vestibulares primários atingindo principalmente as aferências otolíticas e as fibras dos canais semicirculares. Como objetivo principal deste trabalho busca-se analisar e avaliar as áreas cerebrais envolvidas com as estimulações visual e galvânica vestibular e suas interações, utilizando a técnica de RMf. Para tanto, como primeira etapa desta pesquisa, desenvolveu-se um estimulador galvânico vestibular que pode ser utilizado com segurança em experimentos de RMf e que não interfere na qualidade das imagens. Em paralelo, alguns testes foram realizados para selecionar um eletrodo suficientemente confortável para o voluntário durante a estimulação galvânica vestibular e que não causasse artefato nas imagens; observou-se que o eletrodo de silicone (formato circular com ≈ 9 cm2) é o ideal para este tipo de estimulação. Após estas etapas concluídas, 24 voluntários foram selecionados para realizarem três tarefas: uma puramente visual (um tabuleiro de xadrez piscante no centro da tela), uma puramente vestibular (pela aplicação da estimulação galvânica vestibular) e uma simultânea, com a apresentação em conjunto dos estímulos visual e vestibular. A estimulação puramente visual mostrou ativação dos córtices visual primário e associativo, enquanto que a estimulação puramente vestibular levou a ativação das principais áreas envolvidas com a função multimodal do sistema vestibular, como o córtex parieto-insular vestibular, o lóbulo parietal inferior, o giro temporal superior, o giro pré-central e o cerebelo. A estimulação simultânea dos sistemas visual e vestibular resultou na ativação dos giros frontal médio e inferior. Além disso, o padrão de interação inibitório entre os sistemas visual e vestibular foi confirmado pela desativação das regiões relacionadas com o sistema vestibular (lóbulo parietal superior e cerebelo) e somatosensorial (giro pós-central) durante a condição simultânea.

Palavras-chave: Sistema visual, sistema vestibular, RMf, áreas de interação cerebral

Study of the functional brain interaction areas between the visual and vestibular systems

Abstract: The static body equilibrium is controlled by three sensory systems: the vestibular system, responsible for informing the position and the movements of the head; the visual system, which informs the spatial objects position relative to the body; and the proprioceptive system, which controls posture and body movements. These three systems must always work in harmony, otherwise the individual will present balance problems. Thus, it is important to characterize the cortical regions, as well as their interactions, involved in this process. For this it is necessary to use functional neuroimaging techniques, the functional magnetic resonance imaging (fMRI) is one of the most used techniques in this field nowadays. However, a large fMRI experiments require the use of electronic devices for producing somatosensory stimulation in the human body, where the main difficulty is its hostile environment for electronic circuits. Among these devices stands the galvanic vestibular stimulator, the galvanic vestibular stimulation is one of the most used methods to stimulate the vestibular system. This stimulation consist of applying a low current amplitude directly on vestibular afferents, which acts firing the primary vestibular neurons, affecting the otolithic afferents and the semicircular canals fibers. The main objective of this work is to evaluate and analyze the brain areas involved with visual and galvanic vestibular stimulations and their interactions using fMRI. Therefore, as a first step of this research, we developed a galvanic vestibular stimulator that can be safely used in fMRI experiments and that does not interfere on image quality. In parallel, several tests were performed to select an electrode sufficiently comfortable for the volunteer during the galvanic vestibular stimulation and that do not cause artifacts in the images, it was observed that the silicone electrode (circular shape with ≈ 9 cm2) is ideal for this type of stimulation. After completed these steps, 24 subjects were selected to perform three tasks: a purely visual (a flashing checkerboard in the center of the screen), a purely vestibular (with application of galvanic vestibular stimulation) and a simultaneous, presenting the visual and vestibular stimuli together. The purely visual stimulation showed activation of the primary and associative visual cortices, while the purely vestibular stimulation led to activation of areas involved in multimodal function of the vestibular system, such as the parieto-insular vestibular cortex, the inferior parietal lobe, the superior temporal gyrus, the precentral gyrus and the cerebellum. The simultaneous stimulation of visual and vestibular systems resulted in activation of the middle and inferior frontal gyri. Moreover, the reciprocal inhibitory visual-vestibular interaction was confirmed by deactivation of regions related to the vestibular system (superior parietal lobule and cerebellum) and somatosensory (postcentral gyrus) during the simultaneous condition.

Keywords: Visual system, Vestibular system, fMRI, brain interaction areas

Lista de Publicações:

DELLA-JUSTINA, H. M. ; MANCZAK, T. ; WINKLER, A. M. ; ARAUJO, D. B. ; SOUZA, M. ABREU de ; AMARO JR., E. ; Gamba, H.R. . Galvanic Vestibular Stimulator for fMRI studies. Revista Brasileira de Engenharia Biomédica (Impresso), 2014

DELLA-JUSTINA, H. M. ; WINKLER, A. M. ; Manczak, T. ; FERREIRA, R. ; DE ARAUJO, D. B. ; GAMBA, H. R. . An fMRI study of the lateralization of the vestibular system. In: 16th Human Brain Mapping, 2010, Barcelona. An fMRI study of the lateralization of the vestibular system, 2010

DELLA-JUSTINA, H. M. ; WINKLER, A. M. ; Manczak, T. ; FERREIRA, R. ; DE ARAUJO, D. B. ; GAMBA, H. R. . Interindividual variability of fMRI brain activation in response to galvanic vestibular stimulation. In: 7th Forum of European Neuroscience, 2010, Amsterdã. Interindividual variability of fMRI brain activation in response to galvanic vestibular stimulation, 2010. v. 05.

DELLA-JUSTINA, H. M. ; WINKLER, A. M. ; Manczak, T. ; OLIVEIRA, P. H. ; DE ARAUJO, D. B. ; FERREIRA, R. ; ZWICK, A. ; GAMBA, H. R. . Desenvolvimento de um Estimulador Galvânico Vestibular Compatível com Exames de RMf. In: XXXIV Congresso Anual da Sociedade Brasileira de Neurociências e Comportamento, 2010, Caxambu, MG. Desenvolvimento de um Estimulador Galvânico Vestibular Compatível com Exames de RMf, 2010.

DELLA-JUSTINA, H. M. ; WINKLER, A. M. ; Manczak, T. ; OLIVEIRA, P. H. ; DE ARAUJO, D. B. ; FERREIRA, R. ; ZWICK, A. ; GAMBA, H. R. . A Galvanic Vestibular Stimulator Compatible with fMRI. In: RSNA 96th Scientific Assembly and Annual Meeting, 2010, Chicago, IL. A Galvanic Vestibular Stimulator Compatible with fMRI, 2010.

DELLA-JUSTINA, H. M. ; WINKLER, A. M. ; Manczak, T. ; OLIVEIRA, P. H. ; DE ARAUJO, D. B. ; CARVALHO NETO, A. ; ZWICK, A. ; GAMBA, H. R. . Development of a Galvanic Vestibular Stimulator for fMRI exams. In: 15th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping, 2009, San Francisco, CA. Development of a Galvanic Vestibular Stimulator for fMRI exams, 2009.

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