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O acesso à memória pode ser detectado via fMRI?

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O uso da memória, em suas várias formas (memória de trabalho, procedural, semântica), pode ser detectado e distinguido um do outro via fMRI?


Em teoria, sim, porque agora existem muitas teorias, apoiadas por evidências, que mapeiam diferentes processos de memória em diferentes regiões e padrões de atividade no cérebro.

Na prática, existem muitas dificuldades em fazer isso. Primeiro, dependeria de qual estágio ou processo você está pensando (você está considerando codificação? Ou recuperação?). Em segundo lugar, muitos subtipos de memória são definidos de acordo com o estímulo (por exemplo, se você está se lembrando de fatos ou ações) e, portanto, as diferenças na atividade cerebral podem ser devidas ao estímulo e não ao processo em si. Em terceiro lugar, a fMRI tem limitações que podem dificultar o isolamento das diferenças relevantes, especialmente se você estiver tentando fazer isso em uma base experimental ou se estiver examinando estruturas subcorticais.

Existem muitos artigos que tentam abordar isso. Por exemplo, aqui está um examinando dissociações dentro do reconhecimento, aqui está um em Alzheimer e aqui está uma revisão influente.


4 respostas a & ldquoPET Scans e fMRI comparados & rdquo

ACHO QUE A CLAREZA DESTA PÁGINA ESTÁ MUITO BORRADA POR FATOS INCONSISTENTES SOBRE TÓPICOS A MILHAS DE DISTÂNCIA DO QUE ESTÁ EM MÃO É TÃO DIFÍCIL DAR UMA RESPOSTA SIMPLES A FONTE É RADICULANTE E ANTIGO O NOME DO SITE ME FAZ MELHORES PUBLICIDADE DE ENTREGO DEVE SER USADO PARA TORTURA

PET não mede apenas o fluxo sanguíneo no cérebro & # 8211 se o fizesse, seria tão amplamente usado como todo mundo estaria usando fmri, que é muito mais barato e menos invasivo! A maior vantagem do PET é a ampla gama de isótopos que podem ser criados e usados, e. concorrentes de drogas, glicose e até neurotransmissores. Para começar, consulte toda a literatura sobre o uso de PET para medir a ligação do ligante na doença de Parkinson & # 8217s! (Veja Pleydell-Pearce, 2012)

Esse é um bom ponto. Existem muito mais utilizações para o PET agora do que costumava ser. Ainda há controvérsia sobre a necessidade clínica e a utilidade de algumas das variações dos exames de PET, mas é um campo estimulante.

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O que é fMRI?

Em seu cérebro, a atividade dos neurônios oscila constantemente conforme você se envolve em diferentes atividades, desde tarefas simples como controlar sua mão para estender a mão e pegar uma xícara de café até atividades cognitivas complexas, como compreender a linguagem em uma conversa. O cérebro também possui muitas partes especializadas, de modo que as atividades que envolvem a visão, a audição, o tato, a linguagem, a memória etc. têm diferentes padrões de atividade. Mesmo quando você descansa calmamente com os olhos fechados, o cérebro ainda está altamente ativo, e os padrões de atividade nesse estado de repouso revelam redes particulares de áreas que freqüentemente agem juntas. Imagem de ressonância magnética funcional (fMRI) é uma técnica não invasiva e segura para medir e mapear a atividade cerebral. Ele está sendo usado em muitos estudos para entender melhor como funciona o cérebro saudável e, em um número crescente de estudos, está sendo aplicado para compreender como essa função normal é interrompida na doença.

Imagem por ressonância magnética (MRI)

Cortesia do Dr. Richard Buxton, UC San Diego

A ressonância magnética se tornou uma ferramenta padrão para radiologia porque fornece imagens de alta resolução com bom contraste entre diferentes tecidos. Ele funciona explorando o fato de que o núcleo de um átomo de hidrogênio se comporta como um pequeno ímã. Usando o fenômeno de ressonância magnética nuclear (NMR), os núcleos de hidrogênio podem ser manipulados para que gerem um sinal que pode ser mapeado e transformado em imagem. Quando você se deita no forte campo magnético de um sistema de ressonância magnética, todos os núcleos de hidrogênio em seu corpo, a maioria dos quais em moléculas de água, tendem a se alinhar com esse campo magnético. Quando um pulso magnético de radiofrequência (RF) é aplicado na frequência correta, esses núcleos de hidrogênio absorvem energia e, em seguida, criam um sinal breve e fraco (o sinal de RM) que é detectado pelas bobinas de RF no sistema de ressonância magnética.

A imagem de RM é um mapa da distribuição do sinal de RM e, ao manipular o tempo dos pulsos de RF e os atrasos antes de detectar o sinal, a RM é uma ferramenta sensível para detectar mudanças sutis na anatomia do cérebro. No entanto, mapear a estrutura do cérebro não é o mesmo que mapear o cérebro função.

Fox MD, Raichle ME. Flutuações espontâneas na atividade cerebral
observada com ressonância magnética funcional.
Net Rev Neurosci. 8 de setembro de 2007 (9) 700-11.

A descoberta de que a ressonância magnética pode se tornar sensível à atividade cerebral, bem como à anatomia cerebral, tem apenas cerca de 20 anos. A observação essencial era que, quando a atividade neural aumentava em uma área específica do cérebro, o sinal de RM também aumentava um pouco. Embora esse efeito envolva uma mudança de sinal de apenas cerca de 1%, ainda é a base para a maioria dos estudos de fMRI feitos hoje.

No experimento de fMRI mais simples, um sujeito alterna entre períodos de realização de uma tarefa específica e um estado de controle, como blocos de 30 segundos olhando para um estímulo visual alternando com blocos de 30 segundos com os olhos fechados. Os dados de fMRI são analisados ​​para identificar áreas do cérebro nas quais o sinal de RM tem um padrão de mudanças correspondente, e essas áreas são consideradas ativadas pelo estímulo (neste exemplo, o córtex visual na parte de trás da cabeça).

Por que o sinal de RM é sensível a mudanças na atividade cerebral?

Cortesia do Dr. Richard Buxton, UC San Diego

Não é porque o sinal de RM é diretamente sensível à atividade neural. Em vez disso, a mudança do sinal de RM é um efeito indireto relacionado às mudanças no fluxo sanguíneo que seguem as mudanças na atividade neural. A imagem do que acontece é um tanto sutil e depende de dois efeitos. O primeiro efeito é que o sangue rico em oxigênio e o sangue pobre em oxigênio têm propriedades magnéticas diferentes relacionadas à hemoglobina que liga o oxigênio no sangue. Isso tem um pequeno efeito no sinal de RM, de modo que, se o sangue estiver mais oxigenado, o sinal será um pouco mais forte. O segundo efeito está relacionado a um fenômeno fisiológico inesperado. Por razões que ainda não entendemos completamente, a atividade neural desencadeia uma mudança muito maior no fluxo sanguíneo do que no metabolismo do oxigênio, e isso faz com que o sangue seja mais oxigenado quando a atividade neural aumenta. Isso é um tanto paradoxal dependente do nível de oxigenação do sangue O efeito (NEGRITO) é a base para fMRI.

A dinâmica do fluxo sanguíneo fornece uma janela sensível na função cerebral

O fluxo sanguíneo para uma área do cérebro é extremamente sensível a mudanças na atividade neural. Se você bater sequencialmente com cada dedo de uma mão contra o polegar o mais rápido que puder, o fluxo sanguíneo na região motora aumentará cerca de 60%. Por esse motivo, as alterações do fluxo sanguíneo são um indicador sensível das alterações subjacentes da atividade neural. No entanto, essas grandes flutuações do fluxo sanguíneo ainda resultam em uma mudança de sinal BOLD que é de apenas alguns por cento. No entanto, isso permite mapear as mudanças na atividade associadas a uma ampla gama de tarefas motoras, sensoriais e cognitivas. Ao projetar experimentos cuidadosamente para sondar diferentes aspectos da função cerebral, muitos pesquisadores estão tentando entender melhor as mudanças neurológicas e psicológicas associadas à doença de Alzhemer & rsquos, esquizofrenia, depressão, autismo e muitos outros transtornos.

Além disso, nos últimos anos, tornou-se claro que há uma grande quantidade de informações sobre como o cérebro está organizado apenas na maneira como as diferentes regiões do cérebro continuam a flutuar juntas, mesmo quando você não está realizando uma tarefa específica. A força destes redes de estado de repouso (RSN) também muda com a doença, e um objetivo importante é investigar se a doença psiquiátrica pode ser compreendida em termos de transtornos dessas redes básicas.

Medir o fluxo sanguíneo diretamente com ASL

Cortesia do Dr. Eric Wong, UC San Diego

O sinal BOLD subjacente à maioria das aplicações de fMRI é essencialmente um sinal qualitativo, porque depende de uma forma complexa das mudanças fisiológicas combinadas do fluxo sanguíneo e do metabolismo do oxigênio. Um método alternativo de ressonância magnética chamado rotulagem de spin arterial (ASL) é uma ferramenta para medir as alterações do fluxo sanguíneo diretamente. Uma das limitações do sinal BOLD é que ele é sempre uma mudança de sinal entre duas condições, como bater os dedos em comparação com o repouso. Por esse motivo, a imagem BOLD não pode nos dizer nada sobre o nível real de fluxo sanguíneo antes do início da tarefa. Com ASL é possível medir o nível absoluto de fluxo sanguíneo em qualquer condição. Por exemplo, se o fluxo sanguíneo diminui à medida que a doença de Alzheimer e rsquos se desenvolve, isso pode ser detectado com métodos ASL, mas não com imagens BOLD. O ASL funciona manipulando o sinal de RM do sangue arterial antes de ser distribuído para diferentes áreas do cérebro. Ao subtrair duas imagens nas quais o sangue arterial é manipulado de maneira diferente, o sinal estático de todos os núcleos de hidrogênio no resto do tecido é subtraído, deixando apenas o sinal proveniente do sangue arterial administrado.

As imagens ASL e BOLD podem ser usadas juntas para fornecer uma investigação mais quantitativa da função cerebral, incluindo avaliação das alterações do metabolismo do oxigênio, e essa sinergia potencial é a principal motivação para pesquisas em andamento no CFMRI no desenvolvimento da próxima geração de métodos de fMRI.

Imagem de tensor de difusão (DTI)

Cortesia do Dr. Lawrence Frank, UC San Diego

A função cerebral depende da fiação entre as regiões cerebrais, a complexa teia de axônios que transporta sinais de um neurônio para outro. Além de métodos para detectar a ativação do cérebro com fMRI, a MRI também fornece uma maneira de medir essas conexões anatômicas. A substância branca do cérebro consiste em feixes dessas fibras axonais, de modo que dentro de uma pequena região as fibras estão todas alinhadas, e imagem de tensor de difusão (DTI) é capaz de medir a direção desse alinhamento. Sabendo a orientação das fibras em cada ponto, é possível traçar caminhos através do cérebro que mapeiam os tratos das fibras. O método explora a sensibilidade do sinal de ressonância magnética aos pequenos movimentos aleatórios das moléculas de água. Esse difusão de moléculas de água é análogo a uma gota de tinta se expandindo lentamente em uma poça de água à medida que as moléculas de tinta se difundem. Nos tratos das fibras da substância branca, os deslocamentos das moléculas de água devido à difusão são muito maiores ao longo da direção das fibras do que na perpendicular, sendo possível mapear a orientação da fibra com DTI. Além de mapear os tratos de fibra da substância branca, esses métodos são úteis para detectar e caracterizar distúrbios da substância branca em doenças.

Microscopia MR

Cortesia da Dra. Miriam Scadeng, UC San Diego

Usando nosso scanner de 7 Tesla e bobinas de propósito especial projetadas para imagens de alta resolução, é possível criar imagens de ratos (e até peixes-zebra) com uma resolução bem abaixo de um décimo de milímetro. Embora muitos desses estudos também tenham como alvo o cérebro, esses estudos também se estendem para fora do cérebro e incluem a identificação detalhada de estruturas anatômicas (como as vias aéreas do pulmão de camundongo nesta imagem) para uma variedade de experimentos. Os insights sobre anatomia e fisiologia possibilitados por imagens de alta resolução em pequenos animais fornecem um complemento crítico para os estudos humanos em nossos 3 scanners Tesla.

Ressonância magnética estrutural / anatômica

A ressonância magnética estrutural fornece informações sobre a anatomia do cérebro para complementar a ressonância magnética funcional de várias maneiras. Uma vez que a função cerebral depende em certa medida da integridade da estrutura do cérebro, as medidas que caracterizam a integridade do tecido subjacente permitem examinar o impacto da perda ou dano do tecido nos sinais funcionais. Além disso, a ressonância magnética estrutural fornece referência anatômica para visualização de padrões de ativação e regiões de interesse para extrair informações de sinal funcional.

Muitas sequências de pulso estão disponíveis, enfatizando diferentes aspectos do tecido cerebral normal e anormal. Ao modificar parâmetros de sequência, como tempo de repetição (TR) e tempo de eco (TE), por exemplo, as imagens anatômicas podem enfatizar o contraste entre a matéria cinzenta e branca (por exemplo, ponderada em T1 com TR curta e TE curta) ou entre o tecido cerebral e o cérebro espinhal fluido (por exemplo, ponderado em T2 com TR longo e TE longo).

As informações da ressonância magnética estrutural podem ser usadas para descrever a forma, o tamanho e a integridade das estruturas da substância cinzenta e branca no cérebro. As técnicas morfométricas medem o volume ou a forma das estruturas da substância cinzenta, como núcleos subcorticais ou o hipocampo, e o volume, espessura ou área de superfície do neocórtex cerebral. O volume da substância branca normal e anormal também pode permitir a inferência da integridade da substância branca macroestrutural, fornecendo indicações de inflamação, edema e desmielinização. Estudos microestruturais complementares usando imagens de difusão podem ajudar a fornecer uma imagem mais abrangente da integridade da substância branca.

A combinação de ressonância magnética estrutural, ressonância magnética funcional e imagem de difusão pode caracterizar de forma mais ampla a função cerebral normal e anormal, apoiando estudos de biomarcadores de distúrbios neurodegenerativos ou psiquiátricos para determinar o risco, a progressão e a eficácia terapêutica.


Biopsicologia: Estudando o Cérebro - Imagem por Ressonância Magnética Funcional (fMRI)

Imagem de ressonância magnética funcional (fMRI) é uma técnica de varredura cerebral que mede o fluxo sanguíneo no cérebro quando uma pessoa realiza uma tarefa. A fMRI trabalha com a premissa de que os neurônios do cérebro que são mais ativos durante uma tarefa usam mais energia.

Energia requer glicose e oxigênio. O oxigênio é transportado na corrente sanguínea ligado à hemoglobina (encontrada nos glóbulos vermelhos) e é liberado para uso por esses neurônios ativos, ponto em que a hemoglobina se torna desoxigenada.

A hemoglobina desoxigenada tem uma qualidade magnética diferente da hemoglobina oxigenada. Um fMRI pode detectar essas diferentes qualidades magnéticas e pode ser usado para criar um mapa 3D dinâmico (móvel) do cérebro, destacando quais áreas estão envolvidas em diferentes atividades neurais. As imagens de fMRI mostram atividade aproximadamente 1-4 segundos depois de ocorrer e são consideradas precisas dentro de 1-2 mm. Um aumento no fluxo sanguíneo é uma resposta à necessidade de mais oxigênio naquela área do cérebro quando ela se torna ativa, sugerindo um aumento na atividade neural.

Invasivo ou Não Invasivo: Uma vantagem do fMRI é que não é invasivo. Ao contrário de outras técnicas de varredura, por exemplo, a tomografia por emissão de pósitrons (PET), a fMRI não usa radiação nem envolve a inserção de instrumentos diretamente no cérebro e, portanto, é praticamente isenta de riscos. Consequentemente, isso deve permitir que mais pacientes / participantes realizem varreduras de fMRI, o que pode ajudar os psicólogos a coletar mais dados sobre o funcionamento do cérebro humano e, portanto, desenvolver nossa compreensão da localização da função.

Resolução espacial: As varreduras de fMRI têm boa resolução espacial. A resolução espacial se refere ao menor recurso (ou medida) que um scanner pode detectar e é um recurso importante das técnicas de varredura do cérebro. A maior resolução espacial permite que os psicólogos discriminem entre as diferentes regiões do cérebro com maior precisão. As varreduras de fMRI têm uma resolução espacial de aproximadamente 1-2 mm que é significativamente maior do que as outras técnicas (EEG, ERP, etc.). Consequentemente, os psicólogos podem determinar a atividade de diferentes regiões do cérebro com maior precisão ao usar fMRI, em comparação com quando usando EEG e / ou ERP.


Métodos

Assuntos

Participaram do presente estudo 22 indivíduos saudáveis ​​(13 homens e 9 mulheres, com idade de 21,45 ± 1,37 anos). Todos os sujeitos eram alunos de graduação que falavam chinês do Southern Medical College of China e eram destros, de acordo com o inventário de lateralidade de Edimburgo [31]. O protocolo do estudo foi aprovado pelo Conselho de Revisão do Instituto da South China Normal University. O consentimento informado por escrito em conformidade com a Declaração de Helsinque (1975) foi obtido de cada sujeito. Todos esses indivíduos estavam livres de doenças psiquiátricas ou neurológicas avaliadas por um psiquiatra, e nenhum deles estava sob qualquer medicação ou tinha qualquer histórico de traumatismo cranioencefálico.

Tarefas

Três experimentos de fMRI foram realizados em blocos com estímulos visuais. Cada ciclo experimental consistiu de quatro fases e cada uma delas contém um bloco de memória e um bloco de controle. Bloqueio de memória e bloqueio de controle foram realizados alternadamente e todo o ciclo durou 4 min. Todas as tentativas consistiam em dígitos árabes apresentados visualmente, e os sujeitos foram solicitados a pressionar o botão direito para responder de acordo. Todas as palavras de introdução e orientação foram apresentadas em chinês simplificado. Os detalhes dessas três experiências são descritos a seguir.


Papel da ressonância magnética funcional na avaliação pré-cirúrgica da função de memória na epilepsia do lobo temporal

Muitas ferramentas diagnósticas têm sido empregadas para prever a probabilidade de declínio da memória pós-operatória após uma lobectomia temporal padrão, incluindo o teste de amobarbital intracarotídeo (IAT) ou Wada, considerado o teste padrão ouro nos últimos meio século. A ressonância magnética funcional (fMRI) também é uma ferramenta promissora nesse sentido. Seu uso rotineiro para prever o declínio da memória pós-operatória foi limitado por causa dos paradigmas de estudo variados, discrepâncias na análise e interpretação dos resultados. Com base na literatura existente, a fMRI ainda não pode substituir o IAT para a avaliação pré-cirúrgica de rotina dos pacientes com epilepsia do lobo temporal (ELT). Grandes estudos multicêntricos com um painel de teste de memória são necessários para determinar o potencial total do fMRI e usá-lo de forma confiável para substituir o IAT na prática clínica de rotina. Neste artigo, revisamos vários aspectos da memória fMRI, incluindo os projetos experimentais, análise de dados e descobertas.

1. Introdução

A epilepsia é um distúrbio neurológico crônico comum que se caracteriza por convulsões espontâneas recorrentes. Sua prevalência varia entre 0,5% e 1% na população em geral. As crises epilépticas podem ter início generalizado ou parcial. A epilepsia do lobo temporal (ELT) é a síndrome epiléptica parcial mais comum em pacientes adultos. A etiologia da ELT é diversa, mas a esclerose mesial temporal (MTS), displasia cortical focal e neoplasia de baixo grau, como ganglioglioma ou tumor neuroepitelial disembrioplásico (DNET), são responsáveis ​​pela maioria dos casos de ELT. Essas lesões envolvem amígdala, hipocampo e para-hipocampo em extensão variável (Figura 1).


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(b) Superfícies laterais (a) e mesiais (b) do lobo temporal. (Cortesia do Dr. John Kiernan, Departamento de Anatomia e Biologia Celular, Universidade de Western Ontario.)

A amígdala está implicada na memória emocional de eventos de medo, humor e na resposta emocional consciente a um evento. A amígdala recebe suas entradas aferentes dos córtices de associação visual, auditiva e somatossensorial e envia eferentes ao hipotálamo e aos centros autônomos do tronco cerebral, incluindo os núcleos vagais e os neurônios simpáticos. A amígdala também está interconectada com o córtex frontal, o tálamo mesiodorsal e o estriado mesial (Figura 2). A estimulação elétrica da amígdala causa alucinações intensas que muitas vezes são acompanhadas de medo. O hipocampo está envolvido na formação e recuperação da memória declarativa. O hipocampo inclui giro dentado, corno amoníaco (CA) 1-3 e subículo (Figuras 1-3). O giro dentado constitui uma densa camada escura de células na ponta do hipocampo. O subículo está localizado na base do hipocampo no plano coronal e é contínuo com o córtex entorrinal. Este último faz parte do giro parahipocampal. A informação entra no hipocampo pela via perfurante. Os axônios entorrinais fazem sinapses com as células do giro denteado. Os axônios dos neurônios dentados, ou seja, fibras musgosas, terminam em CA3. Os axônios dos neurônios CA3, ou seja, colaterais de Schaeffer, fazem sinapses nos neurônios em CA1, que envia seus eferentes para o subículo (Figura 3). O subículo é responsável pela saída do hipocampo. Ele envia seus axônios eferentes diretamente ao hipotálamo e aos corpos mamilares através do fórnice, ou passa a informação de volta ao córtex entorrinal para retransmiti-la de volta aos córtices sensoriais. O hipocampo, CA1 em particular, está comumente envolvido no MTS.


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(b) Seção coronal grosseira de estruturas temporais mesiais (a) e conexões entre a amígdala e outras regiões do cérebro (b). (Cortesia do Dr. John Kiernan, Departamento de Anatomia e Biologia Celular, Universidade de Western Ontario.)


Diferentes tipos de memória envolvem diferentes circuitos neurais (Figura 4). A memória de trabalho é a memória de curto prazo, que requer córtices pré-frontais. A memória declarativa é a memória de longo prazo, que envolve experiências pessoais e memória consciente e requer o hipocampo para a codificação. A memória procedural inclui ações automáticas, hábitos ou habilidades que são aprendidas por repetição e requer o estriado e o cerebelo.


Dada a sobreposição no circuito da memória declarativa e na patologia da ELT, o comprometimento da memória é comum em pacientes com ELT. O declínio da memória verbal pode ser observado em 30–60% dos pacientes submetidos à lobectomia temporal anterior esquerda (LTA) [1–4]. As disfunções de memória em pacientes com ELT antes ou depois da lobectomia temporal (TLY) podem ser usadas para entender a memória humana [5-8].

A cirurgia de epilepsia visa melhorar o desfecho das crises em pacientes resistentes à terapia medicamentosa. Quanto maior a área de ressecção, maior a probabilidade de atingir os objetivos cirúrgicos. No entanto, a extensão da ressecção é limitada pelos potenciais déficits cognitivos. O amobarbital intracarotídeo (IAT), também conhecido como teste de Wada, é usado para minimizar a memória pós-operatória e os déficits de linguagem em pacientes com ELT. O teste de Wada limita-se à lateralização da função do que à sua localização, e acarreta certos riscos inerentes por ser um teste invasivo. Várias técnicas não invasivas têm o potencial de substituir o Wada como uma ferramenta pré-cirúrgica para avaliar as funções da linguagem e da memória em pacientes com ELT. Estes incluem tomografia por emissão de pósitrons (PET), ressonância magnética funcional (fMRI), estimulação magnética transcraniana (TMS) e magnetoencefalografia (MEG) [9, 10]. Neste artigo, vamos nos concentrar no papel da fMRI na avaliação da função de memória em pacientes com ELT. Idioma fMRI é altamente confiável com uma taxa de concordância de 90% para o IAT [11–17]. Portanto, a linguagem fMRI tornou-se uma ferramenta de avaliação pré-cirúrgica de rotina na maioria dos centros de cirurgia de epilepsia. Uma das limitações do fMRI de memória é a falta de um paradigma de memória ideal que tenha alta sensibilidade e alta especificidade. Evidentemente, as áreas de ativação durante a memória fMRI podem ser variadas, dependendo da natureza da memória e outras demandas cognitivas introduzidas pelos paradigmas de tarefas específicas. Também depende de outros fatores, incluindo o campo de força do ímã, a sequência de pulsos de fMRI e o nível de cooperação e educação dos participantes. Este artigo começará com uma revisão dos sistemas de memória e seus correlatos anatômicos. Isso será seguido por uma discussão sobre as funções de memória servidas por estruturas temporais mediais e estudos de imagem funcional relacionados, os paradigmas de fMRI de estudo, o papel da fMRI de memória na epilepsia, particularmente seu papel na previsão de um declínio de memória pós-operatória após TLY, e a perspectiva de substituindo o IAT por fMRI de memória.

2. Classificação dos sistemas de memória e sua implicação nos estudos de fMRI

A memória é explícita ou implícita. A memória explícita se refere a uma memória na qual são dadas instruções para lembrar o material durante a exposição inicial. A memória implícita, por outro lado, refere-se à lembrança não intencional de materiais que foram vistos ou aprendidos anteriormente. A lembrança consciente desses materiais aprendidos é referida como “memória declarativa”, enquanto a lembrança da informação baseada em habilidades, onde o que foi aprendido está embutido em procedimentos adquiridos, é referida como memória não declarativa (procedural) [18]. A memória processual é a memória de como fazer as coisas. Quando necessário, as memórias de procedimento são automaticamente recuperadas e utilizadas para a execução dos procedimentos passo a passo envolvidos nas habilidades cognitivas e motoras.

A memória também pode ser definida como memória episódica, semântica, de trabalho ou procedural. A memória episódica refere-se a um sistema que registra, retém e recupera conhecimento autobiográfico sobre experiências que ocorreram em um determinado lugar e tempo. A memória semântica armazena conhecimento conceitual e factual geral que não está relacionado a nenhum contexto temporal ou espacial específico. A memória de trabalho é um sistema para armazenar e gerenciar temporariamente as informações necessárias para realizar tarefas cognitivas complexas, como aprendizagem, raciocínio e compreensão. A memória episódica, a memória semântica e a memória de trabalho são explícitas e declarativas. A memória procedural não é declarativa e pode ser explícita com o aprendizado consciente e implícita com o aprendizado sem esforço.

A maioria dos estudos de fMRI usou paradigmas de codificação de memória explícita, que dependem mais fortemente da capacidade cognitiva e da conformidade dos sujeitos. Poucos estudos usaram o paradigma de memória implícita [19] durante o qual os sujeitos não foram solicitados a lembrar os itens e nenhum teste de reconhecimento foi administrado após a varredura.

3. Circuito de memória e correlatos neurais

O papel das estruturas temporais mesiais na função da memória foi demonstrado pelo caso de H.M. que ficou livre de crises por lobectomias temporais bilaterais, mas foi incapaz de converter novas memórias em memórias permanentes enquanto suas memórias de trabalho, memórias de longo prazo e memórias de procedimento estavam intactas [20]. A memória episódica envolve codificação, registro, consolidação, recuperação e reconstrução. Codificação é o processo de transformar informações em um formato que será usado no armazenamento de longo prazo. A recuperação é o processo de retirar informações do armazenamento de longo prazo. As estruturas mesiais temporais, o hipocampo em particular, são responsáveis ​​pelos processos de codificação e recuperação. Isso explica porque H.M. teve deficiência acentuada de conversão de memória de curto prazo em memória de longo prazo. A memória de trabalho requer córtex pré-frontal, enquanto a memória de longo prazo é armazenada nos córtices de associação das modalidades sensoriais relevantes (Figura 4). A memória implícita e processual preservada de H.M. deveu-se ao seu estriado e cerebelo intactos [20]. A codificação e a recuperação foram estudadas pelos paradigmas fMRI.

4. Funções de memória do lobo temporal medial (MTL) e estudos de imagens funcionais relacionadas

O reconhecimento de estímulos experimentados anteriormente tem dois processos distintos de memória subjacentes, que são a lembrança e a familiaridade. A MTL está envolvida tanto na lembrança quanto na familiaridade. As estruturas do lobo temporal mesial (MTL) podem ser subdivididas em córtex perirrinal, córtex para-hipocampal (chamado córtex pós-trinal em roedores), córtex entorrinal e hipocampo (Figura 5).


O diagrama representa a conexão do sistema de memória MTL para conexão recíproca de memória declarativa entre sub-regiões temporais mediais é demonstrado [21].

O hipocampo é fundamental para a lembrança, mas não para a familiaridade. O córtex parahipocampal também contribui para a lembrança, possivelmente por meio da representação e recuperação de informações contextuais (especialmente espaciais), enquanto o córtex perirrinal contribui e é necessário para a familiaridade [22].

O córtex perirrinal e a área entorrinal lateral codificam itens distintos, como pessoas, objetos ou eventos (ou seja, "quais" informações). Por meio de conexões recíprocas com áreas de associação neocorticais, isso pode facilitar julgamentos subsequentes de familiaridade. O córtex parahipocampal e a área entorrinal medial codificam representações contextuais (ou seja, informações de "Onde"), enquanto o hipocampo associa itens com seu contexto, resultando na lembrança de uma sugestão de memória.

Estudos de imagem funcional sobre substratos neuronais sub-regionais para processos de memória têm mostrado resultados variáveis, em parte porque os paradigmas de tarefas atualmente usados ​​são incapazes de ativar seletivamente a região de interesse. Por exemplo, um paradigma de tarefa de “lembrança” também pode resultar em alguma ativação relacionada à familiaridade. Além disso, as estruturas dentro do MTL estão próximas umas das outras e a maioria delas são altamente interconectadas. Assim, pode-se esperar que o processamento neural que se origina em uma região ative estreitamente as regiões vizinhas conectadas, resultando em alterações mais extensas do sinal de ressonância magnética. Como resultado, muitos autores concluíram que a atividade em diferentes sub-regiões do MTL tende a estar correlacionada com a lembrança e / ou familiaridade [22].

A dissociação nas áreas de ativação é observada durante a lembrança e a familiaridade. A ativação do hipocampo e do córtex parahipocampal é observada durante os processos de codificação e recuperação. Em contraste, durante as tarefas de familiaridade, um padrão diferente de ativação é visto para os processos de codificação e recuperação com ativação aumentada durante a codificação, mas ativação reduzida durante a recuperação devido ao aumento da familiaridade.

Tem havido estudos crescentes de neuroimagem funcional, incluindo fMRI e imagem por tensor de difusão (DTI) em TLE. Além do mapeamento funcional das funções de linguagem e memória, muitos estudos têm demonstrado evidências de supostas redes epilépticas e distúrbios de conectividade funcional em pacientes com ELT. Essas observações fornecem suporte adicional para a realização de estudos de neuroimagem funcional, além dos estudos anatômicos convencionais, particularmente em casos não lesionais. Bernhardt et al. propuseram que o tálamo é um centro importante na rede epiléptica na ELT. Eles estudaram 36 pacientes com ELT intratável medicamente e os compararam com controles saudáveis ​​pareados por idade e sexo [23]. Para distúrbios de conectividade funcional, um estudo recente de fMRI por Morgan et al. demonstraram um aumento na conectividade do hipocampo inter-hemisférico à medida que a epilepsia progride por mais de 10 anos, embora tenha sido inicialmente interrompida. Isso provavelmente se deve ao fato de que, ao longo do tempo, o hipocampo contralateral exerce mais influência sobre o hipocampo ipsilateral [24].

Um estudo recente de DTI por Keller et al. demonstraram anormalidades de difusão de água generalizadas e distribuídas bilateralmente, que estão além da resolução da ressonância magnética anatômica convencional, em pacientes com ELT unilateral de causa desconhecida. Outro estudo revelou que o DTI foi capaz de demonstrar anormalidades hipocampais na ressonância magnética normal-convencional dos pacientes com ELT, o que foi diferente daqueles encontrados em pacientes com esclerose hipocampal (ES) [25].

Combining functional neuroimaging with high-field conventional anatomical MRI should increases our understanding of the epileptic and functional networks and may facilitate localization of potential epileptogenic focus.

5. Memory Paradigms for fMRI

The main objective of the memory fMRI in TLE is presurgical evaluation. This may help to predict the risk of memory deficits after TLY and to plan strategies that spare functional tissue. Memory fMRI may also have a predictive value for lateralization of the seizure foci in TLE. PET studies by Lepage et al. demonstrated different areas of activation within MTL, encoding in the anterior MTL, and retrieval in the posterior MTL [26]. These findings were contradictory to the fMRI findings, posterior MTL was associated with encoding [27–29]. There are few fMRI studies on retrieval that show activation in the anterior MTL, particularly the subiculum [30]. The same study showed increased activation for novelty encoding in the posterior MTL, particularly the parahippocampus [30].

Most of the preoperative memory fMRI studies have employed an encoding task for the episodic memory. These studies have dealt with different aspects of episodic memory such as novelty, verbal or nonverbal tasks. Event-related or block-designed paradigms have been used in different studies.

6. Material-Specific Memory fMRI Paradigms (Verbal versus Nonverbal)

The lateralization of encoding process is invariably dependent on the material types. Golby et al. found that verbal encoding tasks (i.e., sentence completion) activated the inferior prefrontal cortex and the MTL more on the left side, pattern encoding (i.e., colour images of abstract patterns) more on the right side, whereas scene encoding (i.e., indoor and outdoor scenes) and faces symmetrically on both sides [31]. Powell et al. also noted that activation was left-lateralized for word encoding, bilateral for picture encoding, and right-lateralized for face encoding [32].

FMRI paradigms that produce bilateral MTL activation of MTL structures in the healthy control subjects are ideal for the presurgical evaluation of memory function in the TLE patients. Novelty scene encoding paradigm is suitable for this purpose that has shown an asymmetry of activation between the affected and unaffected MTL structures in patients with TLE [33–36] (Figures 6, 7, 8, and 9). One fMRI study using scene encoding task revealed that extent of activation within the ipsilateral MTL structures detected by fMRI during complex visual scene encoding was predictive of memory outcome [34]. This needs to be confirmed by larger studies before it can be used clinically to predict memory outcome after TLY. Greater hippocampal activation contralateral to the epileptic focus may indicate low risk of developing global amnesia. However, it is less reliable in predicting the postoperative memory deficits because the activation in that hemisphere may partly reflect brain reorganization with shift of activation from the epileptic hemisphere. The shifted activation may not necessarily represent functionally meaningful memory. In other words, a large area of activation on the contralateral side may serve as a compensatory mechanism and the patients may still have postoperative memory decline. Richardson et al. noted that activation of the right hippocampus during a verbal memory task in the left TLE patients was “dysfunctional” and it did not predict memory function postoperatively [35]. This was recently confirmed in a study by Binder et al. [36] in which they compared the predictive value of language lateralization and scene encoding task paradigms. They found that hippocampal activation asymmetry during scene encoding was strongly correlated to the side of seizure focus and memory asymmetry scores in Wada test but it was unrelated to verbal memory outcome. Among their 30 left TLE patients, 13 had markedly discordant language and hippocampal laterality indexes (LIs). In at least five of the discordant cases, there were large memory declines despite preoperative hippocampal activation that strongly lateralized to the right. However, there was a tendency that the more area of activation on the same side as seizure focus, the more likely do the patients have postoperative memory decline. This was first observed by Rabin et al. who showed that absolute activation in the MTL structures ipsilateral to the epileptic focus had a significant negative correlation with a change in discrimination scores postoperatively. Lower activation in the epileptic temporal lobe was associated with a smaller decline or improvement in memory performance postoperatively, supporting the functional adequacy model [34].


How do they all compare?

As we’ve learnt above, there are several differences in how the brain imaging information is provided by each technology.

There are also additional things to consider – the cost of an MRI machine is considerably higher than an EEG (both for purchase and maintenance), and the level of training required is much more extensive.

Doing field work with MRI / fMRI also isn’t going to happen, as there’s no way to make such a machine truly portable.

Setting up an experiment with EEG can also be done without too much hassle – sometimes as easy as placing a headset on, and checking the data quality. Metrics that are automatically calculated can also provide quick insights about human behavior with EEG.

While climbing into an MRI machine can be completed easily enough, deciding on which radio pulse to deliver, or analyzing the data is a task that requires a high level of knowledge and expertise.

We’ve put together the advantages and disadvantages of each in the table below.


Significance Statement

This functional magnetic resonance imaging study sought to examine similarities and differences in neural activity when concrete (sensory modality) and abstract (semantic category) information is used to guide attention to short-term memory representations of non-verbal stimuli. The posterior parietal cortex [PPC especially portions of intraparietal sulcus and left ventral angular gyrus (AG)] had activation patterns that were specific to both modality-based and semantic-based reflective attention. Semantic-based reflective attention also recruited additional left-lateralized prefrontal regions and dorsolateral AG. Furthermore, dividing attention across sensory domains within memory was associated with stronger activation within the dorsomedial PPC. Thus, attentional orienting to memory flexibly recruits prefrontal and parietal regions as necessary, depending on the information used to selectively access memory representations.


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Hypnosis, Memory and the Brain

A new study points to specific areas of the brain affected by hypnosis. The technique could be a tool for exploring what happens in the brain when we suddenly forget.

Hypnosis has long been considered a valuable technique for recreating and then studying puzzling psychological phenomena. A classic example of this approach uses a technique known as posthypnotic amnesia (PHA) to model memory disorders such as functional amnesia, which involves a sudden memory loss typically due to some sort of psychological trauma (rather than to brain damage or disease). Hypnotists produce PHA by suggesting to a hypnotized person that after hypnosis he will forget particular things until he receives a &ldquocancellation,&rdquo such as &ldquoNow you can remember everything.&rdquo PHA typically only happens when it is specifically suggested and it is much more likely to occur in those with high levels of hypnotic ability, or &ldquohigh hypnotizable&rdquo people. Now a new study shows that this hypnotic state actually influences brain activity associated with memory.

High hypnotizable people with PHA typically show impaired explicit memory, or difficulty consciously recalling events or material targeted by the suggestion, and a dissociation between implicit and explicit memory, so that even though they can&rsquot recall the forgotten information it continues to influence their behavior, thoughts and actions. The forgetting is reversible&mdashwhen the suggestion is cancelled, their memories come flooding back. These last two features&mdashthe dissociation and reversibility&mdashconfirm that PHA is not the result of poor encoding of the memories or of normal forgetting, because the memories return as soon as PHA is cancelled. Rather, PHA reflects a temporary inability to retrieve information that is safely stored in memory. That makes it a useful tool for research.

Researchers have used PHA as a laboratory analogue of functional amnesia because these conditions share several similar features. Case reports of functional amnesia, for instance, describe men and women who, following a traumatic experience such as a violent sexual assault or the death of a loved one, are unable to remember part or all of their personal past. However, as in PHA, they might still show &ldquoimplicit&rdquo evidence of the forgotten events. For instance, they might unconsciously dial the phone number of a family member whom they can&rsquot consciously recall. (In contrast, explicit memories are those we consciously have access to, such as remembering a childhood birthday or what you had for dinner last night.) And, as suddenly as they lost their memories, they can just as suddenly recover them.

Forgetting in the Brain
But for the comparison between PHA and functional amnesia to be most meaningful, we need to know that they share underlying processes. One way to test this is to identify the brain activity patterns associated with PHA. In a groundbreaking study published in Neurônio, neuroscientist Avi Mendelsohn and colleagues at the Weizmann Institute in Israel did just that using functional magnetic resonance imaging (fMRI). They carefully selected 25 people to participate in their experiment. Although all were susceptible to hypnosis, earlier testing had shown that half could respond to a PHA suggestion (labelled &ldquothe PHA group&rdquo) and half could not (the &ldquonon-PHA group&rdquo). In the Study session of their experiment, participants watched a 45-minute movie. One week later, in the Test session, participants returned to the laboratory and were hypnotized while they lay within the fMRI scanner. During hypnosis, people in both the PHA and non-PHA groups received a suggestion to forget the movie until they heard a specific cancellation cue.

After hypnosis, participants&rsquo memories were tested twice while the fMRI scanner recorded their brain activity. For Test 1, they were asked 40 questions about the content of the movie (for example, the actress knocked on her neighbor&rsquos door on the way home) and 20 questions about the context in which they saw the movie (for instance, during the movie, the door to the study room was closed). These questions required a &ldquoyes&rdquo or &ldquono&rdquo response. For Test 2, participants were asked the same 60 recognition questions, but first they heard the cue to cancel PHA. So Test 1 measured memory performance and brain activity while the PHA suggestion was in effect and Test 2 measured memory performance and brain activity after it was cancelled.

In Test 1 Mendelsohn and colleagues found that people in the PHA group (who could experience PHA) forgot more details from the movie than people in the non-PHA group (who could not experience PHA). But in Test 2, after the suggestion was cancelled, this memory loss was reversed. People in the PHA group correctly recognized just as many details from the movie as people in the non-PHA group. Somewhat surprisingly, however, the suggestion to forget was selective in its impact. Although people in the PHA group had difficulty remembering the content of the movie following the forget suggestion, they had no difficulty remembering the context in which they saw the movie.

This finding&mdashthat PHA temporarily disrupted some people&rsquos ability to recall the past&mdashechoes decades of hypnosis research. What is entirely new in Mendelsohn et al.&rsquos study is their demonstration that PHA was associated with a specific pattern of brain activation. Consistent with what normally occurs in remembering, when people in the non-PHA group performed the recognition task and successfully remembered what happened in the movie, fMRI showed high levels of activity in areas responsible for visualizing scenes (the occipital lobes) and for analyzing verbally presented scenarios (the left temporal lobe). In stark contrast, when people in the PHA group performed the recognition task and failed to remember the content of the movie, fMRI showed little or no activity in these areas. Also, fMRI showed enhanced activity in another area (the prefrontal cortex) responsible for regulating activity in other brain areas.

So far, so good. For people in the PHA group, brain activation measured by fMRI correlated with the failure to remember. But what if reduced activation is always found in such people regardless of whether they are remembering or forgetting? We can rule this possibility out because people in the PHA group showed reduced activation only when they (unsuccessfully) answered questions about the content of the movie, not when they (successfully) answered questions about the context of the movie. Indeed, for the context questions, they showed the same activation as people in the non-PHA group. Perhaps then, the reduced activation reflects complete forgetting of the information, not just temporary suppression? We can rule this possibility out also because, in a neat reversal, people in the PHA group showed normal activation&mdashjust as those in the non-PHA group did&mdashas soon as the suggestion was cancelled.

Hypnosis Is Real
Mendelsohn et al.&rsquos study is important because it demonstrates that hypnotic suggestions influence brain activity, not just behavior and experience. Hypnotic effects are real! This fact has been demonstrated clearly in earlier work, for instance, by psychologist David Oakley (University College London) and colleagues, who compared brain activation of genuinely hypnotized people given suggestions for leg paralysis with brain activation of people simply asked to fake hypnosis and paralysis.

This latest study is also important because it starts to specify the underlying brain processes, which we assume are shared by PHA and functional amnesia. Mendelsohn et al. argued that the brain activation seen in PHA reflects a dampening&mdashsome form of rapid, early inhibition of memory material&mdashdue to heightened activity in the prefrontal cortex.

But how does the suppression mechanism decide what to suppress? In this study, movie content but not movie context was influenced by PHA. Memories involve the &ldquowhat,&rdquo &ldquohow,&rdquo &ldquowhen&rdquo and &ldquowhere&rdquo of an event interwoven together, such that distinctions between content and context may be blurred (for example, &ldquoWas the movie shot with a hand-held camera?&rdquo). To make such fine discriminations, the brain&rsquos suppressor module presumably needs to process information at a sufficiently high level. Yet this module needs to act quickly, preconsciously suppressing activation of the information before it even enters awareness. Brain imaging technologies with superior temporal resolution to fMRI, such as magnetoencephalography (MEG), might help to resolve this seeming paradox of sophisticated, yet rapid, operations.

We also wonder how the suppression mechanism in PHA relates to the vast array of forgetting in the laboratory and in the world? Whereas some forgetting is seen as strategic, effortful and conscious (say, suppression), other forgetting is seen as automatic, effortless and unconscious (say, repression). Having mapped the common features of PHA and functional amnesia, we now need to explore and compare in greater detail their common processes (such as strategy use, motivation, level of awareness).

Finally, the neural underpinnings of PHA will be even clearer when we incorporate its most important aspect in imaging studies&mdashthe dissociation between implicit and explicit memory. In PHA (and in functional amnesia) the person is unable to explicitly recall certain information, yet we see evidence of this material on implicit measures. For instance, a participant given PHA may fail to recall the word &ldquodoctor,&rdquo learned earlier, but will have no trouble completing the word fragment &ldquod _ _ t _ r&rdquo. Mendelsohn et al. did not assess implicit memory. Rather, they tested recognition, which in a sense confounds explicit and implicit memory. We&rsquod like to compare brain scans of a PHA group trying to explicitly recall the movie (they should show reduced activation, as above) with brain scans of the same group completing an implicit memory measure of the movie (they should show normal activation). This would be tricky to do&mdashimplicit measures of complex material such as movies and autobiographical memories are hard to find or construct. But it would contribute to a more complete neural picture of the processes involved in these fascinating forms of forgetting.

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