Actions during the operations phase

sequências de processos cognitivos com vistas à conclusão de um objetivo permite supor como somos capazes de responder online ao ambiente durante a execução de tarefas cotidianas.

2.2 VIAS CORTICOESTRIATAIS E O CONTROLE DO COMPORTAMENTO E DA COGNIÇÃO

Alguns pesquisadores acusam a volumosa literatura que estuda a função pré-frontal de supervalorizar a importância das estruturas corticais no processamento sensorial e motor, em detrimento de estruturas subcorticais, como o cerebelo e os núcleos da base, cuja filogenia mostra inegável e conservada importância entre espécies (Koziol & Lutz, 2013). Para eles, a visão córtico-cêntrica é especialmente perigosa, tendo em vista que, especialmente, as questões centrais da função pré-frontal e executiva permanecem não respondidas: como o córtex sabe quais ações ou planos selecionar para conduzir o comportamento? Que características específicas do córtex pré-frontal tornam possível que faça isso, e em que ele difere de regiões não executivas? Esses questionamentos em aberto dão a entender que a função pré-frontal córtico-cêntrica se assemelha a um homúnculo (pequeno homem), vivendo em nosso córtex pré-frontal e controlando nossas ações, o que, do ponto de vista científico formal, não explica parcimoniosamente o controle executivo (Hazy, Frank, & O’reilly, 2007). Em lugar do córtico-centrismo, o neuropsicólogo norte-americano Leonard Koziol vem sugerindo uma abordagem fronto-estriatal da função executiva. A premissão fundamental do modelo é que aquilo que se classifica como função executiva pré-frontal tem surgimento filogenético do desenvolvimento do sistema motor e de estruturas para o controle da ação, de forma que a dualidade entre processos motores e cognitivos neste ponto de vista é inexistente (Koziol & Lutz, 2013). Assim, o modelo dá grande ênfase sobre a comunicação de regiões corticais e sub-corticais, notadamente os núcleos da base.

36 A figura 2.4 demonstra as ligações (“loops”) entre o córtex e os núcleos da base. O que se conhece por núcleos da base é uma série de quatro principais núcleos neuronais subcorticais, bilaterais: estriado (composto pelo caudado e putâmen), pálido (composto pelo pálido, globo pálido interno e globo pálido externo), substância negra (pars compacta e pars

reticulata) e núcleo sub-talâmico (Purves et al., 2004).

Figura 2.4 – Vias córtico-estriatais-talâmico-corticais implicadas no controle do movimento e da cognição.

Nota: Put: putâmen; Gpe: Globo pálido externo;Gpi: Globo pálido interno; Cd: caudado; STN: Núcleo Subtalâmico; VA/VL: Núcleos Ventroanteriores e Ventrolaterais do tálamo; MD: Núcleo Mediodorsal do tálamo.

37 As primeiras funções da via córtico-estriatal descritas foram as classicamente associadas ao controle motor, especificamente na iniciação do movimento e na inibição de movimentos indesejados. Basicamente, a ação do circuito ocorre por três vias4. Antes de tudo, é importante saber que, apesar de receber aferentes diretos do córtex, a via de saída às regiões motoras corticais dos núcleos da base ocorre através de núcleos talâmicos. A comunicação desses núcleos aos núcleos da base ocorre através do Globo Pálido interno (Gpi). Os neurônios do Gpi tem baixo limiar de disparo, o que se junta à sua transmissão gabaérgica e resulta na inibição tônica do tálamo pelo Gpi. Por conseguinte, nesta condição de repouso há inibição do movimento pelo circuito.

A primeira via pela qual o estriado influencia o movimento é a chamada via direta. Aferências corticais ao putâmen causam o disparo de neurônios inibitórios ligados ao Gpi. Isso inibe a atividade inibitória tônica sobre o tálamo e o movimento é desimpedido.

A segunda e a terceira vias resultam na inibição de movimentos indesejados. Quando ocorre com a excitação de áreas do putâmen não ligadas ao Gpi, mas sim ao Globo pálido externo (Gpe), há excitação da estrutura denominada Núcleo Sub-talâmico (NST). O NST possui conexões excitatórias com o Gpi, assim, ocorre o fortalecimento da inibição tônica deste sobre o tálamo e logo, do movimento. Tendo em vista que a ligação putâmen-Gpi é realizada através do circuito Putamen-Gpe-NST-Gpi, esta é a chamada via indireta. A terceira via também resulta na inibição de movimentos indesejados. Sua característica fundamental é a ligação de regiões frontais diretamente ao STN (via hiper-direta), permitindo uma interrupção de movimentos indesejados mais rapidamente que aquela realizada pela via indireta (Koziol & Budding, 2010).

Koziol se apóia em evidências anatomo-histólógicas que sugerem a alta conectividade do neocórtex ao estriado para justificar a afirmação de que a função dos núcleos da base é a seleção ou o chaveamento de um conjunto de movimentos (representações motoras) a ser executado. A taxa de entrada de informação cortical ao estriado é estimada entre 10 a 20 mil células corticais por célula estriatal. O sinal converge ainda mais na ligação do putâmen ao

4 _{As três vias indicadas aqui são aquelas que dizem respeito à participação das vias corticoestriatais no controle}

executivo/motor. Pode-se apontar ainda: a via de ligação de áreas corticais orbitofrontais e límbicas à substância negra pars compacta, com projeções ao núcleo accumbens, e permite a avaliação de recompensas e motivação; a via de ligação de controle óculo-motor, que conecta córtex, núcleos da base, substância negra pars reticulata e os colículos inferior e superior do tronco encefálico. A descrição pormenorizada foge ao escopo atual, mas pode ser facilmente encontrada em livros-texto de neurociência.

38 Gpi (aproximadamente 300:1). Isto proporciona que os núcleos da base recebam uma ampla variedade de informações do contexto ambiental, e, caso haja similaridade das características fundamentais do contexto com situações já vivenciadas anteriormente, pode ocorrer a ativação dos mesmos neurônios estriatais ligados à representações corticais (neste caso, esquemas motores) previamente estabelecidas (Koziol & Budding, 2010).

De forma idêntica ao que se aplica para o controle motor, o circuito córtico-estriatal (i.e, pré-frontal-estriatal) teria a propriedade de selecionar ou chavear representações cognitivas pertinentes à conclusão de objetivos, gerando a função pré-frontal. Em última análise, o cérebro não distingue entre representações cognitivas ou motoras, aplicando a ambos os mesmos princípios: a filogenia mostra uma conservada alocação das áreas dorsais do sistema nervoso à sensação e áreas ventrais à motricidade, assim, pela sua localização anatômica, “o sistema de controle cognitivo é provavelmente uma extensão evolucionária do sistema de controle motor desempenhado pelo circuito córtex frontal-núcleos da base” (Koziol & Budding, 2010, p.50). Dessa forma, a via córtico-estriatal direta atuaria no carregamento da informação na memória de trabalho, e a via indireta impediria que representações distratoras ascendam até o córtex.

Mas, o que acontece quando uma situação é entendida como nova, ou inesperada? Cabe salientar que a utilização adequada de representações previamente consolidadas é extremamente vantajosa: em primeiro, porque economiza recursos gastos no processamento de informações pelo córtex; em segundo, porque, com base na primeira vantagem apontada, ativar esquemas consolidados previamente permite maior rapidez na resposta. Assim, a ausência de similaridade contextual com representações motoras ou cognitivas anteriormente consolidadas faz com que seja necessário ao estriado efetivamente recrutar o córtex pré- frontal para estabelecer novos modelos de ação.

Na verdade, esta é uma abstração: mesmo em situações novas, recorremos às nossas experiências anteriores. Assim, é mais razoável pensar na dinâmica de um processo contínuo e online, em que áreas pré-frontais e o estriado comunicam-se mutuamente, para recrutar um ou mais esquemas anteriores (difusamente espalhados pelo encefálo), carregá-los na memória de trabalho, modificá-los com base nas funções executivas fundamentais e superiores descritas, monitorar continuamente os resultados e consolidar novos esquemas de ação.

39

CAPÍTULO 3 - EXPERIMENTO

Toca que o cérebro também dança: Efeito da ritmicidade de tons auditivos sobre parâmetros comportamentais e eletrofisiológicos da execução de uma tarefa

de soma aritmética

3.1 JUSTIFICATIVA

A partir do exposto no capítulo 1, se pode afirmar que a ritmicidade dos estímulos ambientais efetivamente desempenhe um papel sincronizador sobre diversos processos encefálicos. A organização temporal do comportamento é extremamente importante para a execução de tarefas visando atingir metas e objetivos necessários à sobrevivência, como vimos no capítulo 2.

A coordenação temporal da atividade paralela de diversos sítios encefálicos é executada pela interação contínua de áreas do córtex pré-frontal, especialmente o córtex pré-frontal dorsolateral, e núcleos da base, responsáveis não apenas pelos aspectos motores mas também cognitivos associados à tarefa. Estas duas áreas, pode-se dizer, regulam continuamente a atividade de áreas encefálicas em função da meta a ser obtida, com similaridade ao maestro que conduz os diversos instrumentos de uma orquestra. Esta modulação tem ainda um importante papel de núcleos talâmicos, até então conhecidos como um importante centro integrador das informações aferentes e eferentes do sistema.

Os achados acumulados evidenciam ainda que os núcleos da base têm importante para a captação ativa dos padrões temporais presentes no ambiente pelo sistema nervoso. No tocante ao ritmo, já está demonstrada influência positiva da ritmicidade sobre processos motores, perceptivos e cognitivos, como reconhecimento de faces (Escoffier et al., 2010). Esta melhora do processamento se daria pelo aumento da previsibilidade ambiental em contexto temporal rítmico.

As ligações entre os núcleos da base e o córtex pré-frontal sugerem que a capacidade de acoplarmos nosso comportamento motor a estímulos externos rítmicos possa surgir também em tarefas complexas de processamento executivo superior. À data desse trabalho, no entanto, não foram encontrados relatos de melhor desempenho em

40 tarefas cognitivas superiores atrelado ao arrastamento de oscilações atencionais. Nesse sentido, com base nas interações cortiço-talâmico-estriatais que envolvem tanto a sincronização à ritmos como o controle cognitivo da ação pelo córtex pré-frontal (Figura 3.1), este estudo se justifica pela necessidade de aprofundamento do conhecimento da interação do funcionamento do sistema nervoso com padrões temporais ambientais.

Figura 3.1 – Conexões das áreas do córtex frontal.

Nota: Notar as conexões aferentes do córtex pré-frontal dorso-lateral com áreas talâmicas (sinais sensoriais) e eferentes a áreas estriatais/motoras (envolvidas com a percepção de ritmos).

41 3.2 OBJETIVOS

3.2.1 Objetivo Geral

 Caracterizar o efeito de estímulos auditivos rítmicos sobre parâmetros de comportamento motor, desempenho cognitivo e sinais eletrofisiológicos.

3.2.2 Objetivos específicos

 Descrever a existência de arrastamento do tempo motor por estímulos auditivos rítmicos;

 Descrever alterações de medidas eletrofisiológicas do sistema nervoso central e autonômo associadas a diferentes padrões de estimulação rítmica;

 Verificar se acoplamento fase-amplitude de delta a gama está associado à melhoria de desempenho cognitivo executivo;

 Verificar se a apresentação de uma demanda cognitiva executiva (soma sequencial de dígitos) em diferentes intervalos ou em sincronia de fase à estimulação sonora rítmica implica em processamento mais rápido ou mais acurado.

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3.3 HIPÓTESES E PREDIÇÕES

H1 – O tempo motor espontâneo é suscetível à ritmicidade de estímulos auditivos

externos.

P1 – O tempo motor será arrastado pelo ISI dos estímulos auditivos rítmicos,

sobretudo na estimulação com ISI igual a 500 ms.

H2 – O ISI dos estímulos em uma tarefa cognitiva influencia a ativação do sistema

nervoso autônomo.

P2 – O aumento da demanda cognitiva, representado em nosso estudo pelo ISI de

apresentação dos estímulos, estará associado a maior ativação do sistema nervoso autônomo simpático.

H3 – O contexto temporal de influxo dos estímulos está associado a diferentes perfis de

processamento cortical.

P3 – Haverá diferentes perfis na potência espectral das bandas entre diferentes

contextos temporais de nosso experimento.

H4 – Estímulos auditivos rítmicos provocam o arrastamento de fase das ondas

eletroencefalográficas da banda delta (1-4 Hz).

P4 – Uma concentração das fases de delta no instante do áudio será encontrada,

tanto na condição Sincronizada como na condição Não-Sincronizada.

H5 – O arrastamento de fase de delta representa um correlato do aumento da

excitabilidade cortical nos momentos esperados para a ocorrência do próximo estímulo.

P5 – Considerando que os instantes de maior excitabilidade cortical estão

associados aos vales da onda delta, encontraremos a concentração das fases de delta no instante do áudio em 180º.

H6 – Melhoria do desempenho cognitivo em função do contexto rítmico dos estímulos é

mediado pelo acoplamento delta-gama.

P6 – O acoplamento fase-amplitude delta-gama estará positivamente

correlacionado ao desempenho na condição Sincronizada. Na condição Não- Sincronizada haverá uma correlação negativa com o desempenho cognitivo, visto que o estímulo a ser processado ocorre fora do pico atencional.

H7 – Ocorre melhor processamento cognitivo executivo quando um padrão rítmico

induzido pelos tons auditivos é apresentado em sincronia ao estímulo a ser processado.

P7 – A condição Sincronizada terá melhor número de acertos e menores tempos

43 3.4 MATERIAIS E MÉTODOS

Os experimentos foram realizados no Laboratório de Neurobiologia e Ritmicidade Biológica do Departamento de Fisiologia no Centro de Biociências da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, em sala especialmente equipada de nosso laboratório.

3.4.1 Participantes

Foi realizado cálculo amostral através do software G*Power 3.1 (Universität Düsseldorf, 2014). Considerando o delineamento metodológico proposto (descrito adiante), o cálculo foi realizado com base na Análise de Variância (ANOVA) de medidas repetidas, e se obteve 24 sujeitos como tamanho amostral previsto. Os parâmetros para a obtenção desse tamanho amostral foram: Número de grupos independentes=1; Número de medidas repetidas = 4; Correlação entre medidas = 0.5; Epsilon (corretor de não-esferidade) = 1 (espera-se esfericidade); alfa = 0.05; poder estatístico = 0.8; Efeito (f) = 0.25, equivalente a η2

= 0.06 (médio efeito). Foram critérios de inclusão: idade entre 18 e 35 anos e aceitar participar voluntariamente da pesquisa através da assinatura do Termo de Consentimento Livre e Esclarecido (TCLE, Apêndice 1). Foram critérios de exclusão: acuidade visual ou auditiva insuficiente para perceber os estímulos, apresentar déficits motores centrais ou periféricos que impossibilitem a resposta comportamental, relatar proficiência musical (ex.: saber tocar um instrumento), estar sob uso de medicamentos com ação sobre o sistema nervoso central (psicotrópicos), relato de uso de drogas de abuso psico-estimulantes no dia do experimento, e não ser capaz de compreender adequadamente as instruções da tarefa.

3.4.2 Aspectos Legais e Éticos

O estudo passou por apreciação ética pelo Comitê de Ética em Pesquisa (CEP) da UFRN, e aprovado sob o CAAE 53301516.7.0000.5537 (Anexo I). Após esclarecimento dos objetivos e procedimentos, os voluntários expressaram consentimento em participar da pesquisa através da assinatura do Termo de Consentimento Livre e Esclarecido (TCLE – Apêndice 1).

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3.4.3 Procedimentos

Os voluntários foram abordados diretamente das dependências do Centro de Biociências, esclarecidos sobre a temática e os procedimentos da pesquisa, e conduzidos ao laboratório para leitura e assinatura do Termo de consentimento Livre e Esclarecido (TCLE), dando-se início à coleta de dados logo a seguir. Caso houvesse interesse em participar da pesquisa mas não fosse possível na ocasião, era realizado o agendamento da coleta para momento posterior. A coleta dos dados requereu a implantação de eletrodos para coleta de dados encefalográficos, eletrocardiográficos e de condutância de pele, a primeira mediante limpeza da pele do couro cabeludo com pasta abrasiva específica. Os eletrodos foram implantados sobre o couro cabeludo, com impedância inferior a sete Kilohms, com o uso de gel condutor específico para esta finalidade.

Foi realizado um balanceamento da sequência de apresentação dos blocos (350 ms, 500 ms e 650 ms) e da ordem de apresentação da tarefa de soma de dígitos (Silêncio, Sincronizada e Não-Sincronizada). Esta randomização ocorreu por sorteio da ordem ao qual cada participante deveria se submeter, sem reposição. A seguir, as instruções da tarefa eram fornecidas e três rodadas de teste com ISI igual a 1500 ms eram realizadas. Todos os participantes compreenderam adequadamente a tarefa ao final das três rodadas de teste.

3.4.3.1 Instrumentos

A apresentação dos estímulos foi realizada através do software Superlab 5.0, conectado à caixa de resposta RB-740 (Cedrus Corporation). O registro de EEG foi realizado pelo sistema de aquisição de dados biológicos Powerlab 8/30 e Bio- amplificador Octal ML138 (ADInstruments), com 8 canais. Visando a confiabilidade temporal do momento de apresentação dos estímulos, o marcador de eventos Cedrus Stimtracker foi utilizado para marcar o começo dos estímulos visuais e auditivos diretamente no traçado eletrofisiológico. O registro da atividade eletrocardiográfica (ECG) e eletroculográfica (EOG) foi realizado em um segundo módulo Powerlab 26T, com dois canais e bioamplificador integrado. O módulo GSR Amp (ADInstruments) foi utilizado para registro da condutância de pele. Todo o registro eletrofisiológico descrito foi efetuado através do software Labchart 7.

45 3.4.3.2 Registro dos Sinais Biológicos

O registro eletroencefalográfico contínuo foi realizado com eletrodos Ag-AgCl, à taxa de amostragem de 1000Hz, com filtragem analógica passa-banda entre 0.1 e 100Hz, e filtro notch para minimizar interferência da rede elétrica (60Hz). Os eletrodos foram posicionados no escalpo conforme o Sistema Internacional 10-20. Neste sistema, é medida a distância entre a depressão anterior formada pela intersecção do osso frontal e dos ossos nasais (nasion) e a protuberância posterior do osso occipital do crânio (inion), e intervalos de 10% ou 20% dessa distância localizam cada ponto. Sabidamente, o EEG possui pequena resolução espacial, no entanto, a localização dos eletrodos sobre áreas corticais de interesse possibilita melhor razão sinal/ruído. Assim, foram eleitas as localizações Fz,F3,F4,Cz,C3,C4, com derivação unipolar, referência no processo mastoide e terra na fronte (Fpz), para o monitoramento da atividade do córtex pré- frontal, áreas motoras e associativas parietais. O registro de ECG também foi realizado de forma contínua, com uso de eletrodos descartáveis e derivação bipolar DII. A condutância de pele foi registrada através do posicionamento de eletrodos Ag-AgCl para registro de GSR nas falanges dos dedos da mão não-dominante.

Os sujeitos foram instruídos evitar movimentos não relacionados ao desempenho da tarefa, o que poderia introduzir no registro artefatos decorrentes de potenciais musculares ou movimentação dos eletrodos.

3.4.4 Estímulos

3.4.4.1 Estímulos Auditivos

Os estímulos auditivos (pulsos sonoros) foram ondas senoidais com frequência de 660Hz, duração de 50ms, apresentados através de fones de ouvido, com intensidade de aproximadamente 60db. Para a criação desses tons, foi utilizado o editor de áudio Audacity 2.1.2. O intervalo entre estímulos em cada etapa é isocrônico (igualmente espaçado no tempo), com intervalo de apresentação dependente do bloco, conforme indicado na seção protocolo experimental.

46 3.4.4.2 Estímulos Visuais

Os estímulos visuais doravante denominados “dígitos” consistiram em imagens dos algarismos “1”, “2” e “3”, fonte “Arial Rounded”, tamanho 120, em branco sobre tela negra. Estes estímulos foram randomicamente exibidos a cada dois pulsos auditivos isocrônicos, em sincronia ou não com a ocorrência do som, o que depende da condição experimental. Os estímulos visuais denominado “limiar da soma”, correspondem à imagens dos números “12”, “13”,”14”, fonte “Arial Rounded”, tamanho 120, em branco sobre tela negra logo abaixo do dígito. Este estímulo mudava randomicamente a cada rodada de soma.

3.4.5 Tarefas

Cada bloco experimental será composto pelas tarefas de: (1) Tempo motor espontâneo; (2) soma aritmética sequencial – doravante denominada “Tarefa de soma”, descritas abaixo em detalhe.

3.4.5.1 Tarefa de Tempo Motor Espontâneo

Ao início de um dos três cada blocos experimentais, uma tarefa de “finger-

tapping” será utilizada para acessar o tempo motor espontâneo e a capacidade do

participante para sincronizar e inferir a batida dos pulsos sonoros. O participante será instruído a pressionar regularmente o botão de resposta, com a mão dominante, na velocidade que lhes for mais confortável, ou seja, “nem rápido, nem lento”.

Ao final de 31 sequências motoras (gerando 30 intervalos de tempo espontâneo), pulsos sonoros isocrônicos com intervalos de tempo controlado (ver a seção protocolo experimental) serão apresentados, enquanto o participante continua a realizar “finger-

tapping”. Não haverá instrução explícita ao participante para sincronizar a taxa ou a

fase de “finger-tapping” aos estímulos sonoros. Com isso, desejamos verificar se ocorrerá sincronização espontânea, e qual a estratégia de sincronização utilizada pelos participantes.

47 Após a tarefa de tempo motor espontâneo, os participantes receberão, na tela, uma dica visual (asterisco - *), indicando a preparação para o inicio da tarefa de soma. Esta tarefa foi adaptada a partir do protocolo clínico de avaliação neuropsicológica “Paced

Auditory Serial Addition Test” (PASAT). A versão original do teste apresenta dois

dígitos aleatórios (0 a 9), com intervalo de 3 ou 2 segundos entre eles, e compete ao participante fornecer ao avaliador o resultado da soma entre os dígitos. Sabidamente, menor intervalo de tempo entre os dígitos dificulta a tarefa (http://www.pasat.us/PDF/PASAT_Manual.pdf).

O participante foi instruído a somar mentalmente os dígitos, que seriam sequencialmente apresentados. Quando a soma acumulativa fosse igual ou superior ao estímulo “limiar da soma” , deveria pressionar o botão de respostas o mais rápido possível. A mão dominante foi utilizada para esta resposta.

Um esquema ilustrativo dos estímulos e da tarefa estão representados na figura 3.2.

Figura 3.2 – Estímulos visuais da tarefa de processamento executivo (exemplo).

Nota: Um asteristico (*) sinaliza início da rodada de adição. O número superior refere-se ao dígito (entre 1 e 3, aleatoriamente apresentado a cada dois pulsos sonoros), o número inferior refere-se ao limiar da soma (entre 12 e 14, aleatório a cada rodada). No momento em que o somatório acumulado dos dígitos