Abstract
Conectividade funcional do cérebro (FC) é definida como a coerência na atividade entre áreas cerebrais sob uma tarefa ou no estado de repouso (RS). Ao aplicar a ressonância magnética funcional (fMRI), a FC-RS mostra vários padrões que definem as redes cerebrais RS (RSNs) envolvidas em funções específicas, pois sabe-se que a função cerebral não depende apenas da atividade dentro de regiões individuais, mas também da interação funcional de diferentes áreas em todo o cérebro. A análise da região de interesse e a análise de componentes independentes são os dois métodos mais comumente aplicados na investigação de RS. A esclerose múltipla (EM) é caracterizada por lesões múltiplas que afetam principalmente a matéria branca, determinando tanto a desconexão estrutural como funcional entre várias áreas do sistema nervoso central. O estudo da FC do RS na EM visa principalmente compreender as alterações na arquitetura funcional intrínseca do cérebro e seu papel na progressão da doença e no comprometimento clínico. Neste trabalho vamos examinar os resultados obtidos pela aplicação da fMRI do RS em diferentes fenótipos de esclerose múltipla (EM) e as correlações das alterações da FC com características clínicas nesta patologia. O conhecimento das alterações da FC RS pode representar um avanço substancial no campo da investigação da EM, tanto para fins clínicos como terapêuticos.
1. Introdução
Esclerose múltipla (EM) é uma doença inflamatória e degenerativa do sistema nervoso central (SNC). Caracteriza-se por lesões múltiplas que afetam principalmente a matéria branca, com conseqüente desconexão estrutural e funcional entre várias áreas do SNC, resultando numa ampla gama de sinais e sintomas.
Ressonância magnética funcional (RMF) durante a realização de várias tarefas tem fornecido uma grande quantidade de dados mostrando alterações funcionais em pacientes com EM, geralmente interpretadas como alterações plásticas adaptativas destinadas a limitar o impacto clínico da doença . Mais recentemente, os estudos de fMRI durante o estado de repouso (RS) permitiram explorar a conectividade funcional (CF) do cérebro. Este aspecto é de particular interesse na EM, que é considerada entre as síndromes de desconexão . O estudo da CF do RS na EM visa principalmente compreender as alterações na arquitetura funcional intrínseca do cérebro e seu papel na progressão da doença e no comprometimento clínico. A fMRI do RS pode ser utilizada para identificar regiões cerebrais anatomicamente separadas, embora funcionalmente conectadas, configurando redes específicas de RS. Ao contrário da fMRI durante a execução de tarefas, a fMRI do RS não é influenciada pelo desempenho da tarefa, que pode diferir da de indivíduos saudáveis, especialmente em pacientes com incapacidade clínica.
Nesta breve revisão vamos explicar os aspectos fisiológicos subjacentes à FC do RS cerebral e descrever as abordagens metodológicas para analisá-la. Em seguida, vamos focar as aplicações da FC RS em vários fenótipos da EM, considerando também as correlações entre a deficiência clínica e as alterações na FC dentro e entre redes da EM. As alterações funcionais não representam necessariamente neuroplasticidade adaptativa visando a manutenção de uma função normal apesar do envolvimento patológico generalizado do SNC; em alguns casos podem representar uma tentativa ineficiente ou até mesmo agravante de compensar o dano tecidual, ou seja, plasticidade maladaptativa. Correlações entre alterações na FC e o nível de comprometimento clínico poderiam ajudar a distinguir entre alterações neuroplásicas benéficas e não benéficas.
Pouco tempo depois, expomos brevemente algumas das direções mais promissoras para uma investigação mais aprofundada da FC do SNC na EM.
2. fMRI em repouso: Bases fisiológicas
Atividade cerebral tem sido geralmente considerada como uma resposta a estímulos externos e internos, embora a atividade organizada também tenha sido demonstrada em repouso. A ressonância magnética funcional em repouso (RS fMRI) é utilizada para analisar a coerência funcional na atividade de diferentes áreas do cérebro, ou seja, a conectividade funcional, em repouso (RS FC). Esta técnica detecta flutuações espontâneas de baixa freqüência (aproximadamente no domínio de 0,01-0,1 Hz) do sinal dependente do nível de oxigênio no sangue (BOLD) que são temporalmente coerentes através de redes anatomicamente separadas (RSNs) e que representam uma atividade cerebral bem organizada. O sinal BOLD, no qual se baseia a fMRI, deve-se a alterações na concentração de hemoglobina desoxigenada, um agente de contraste paramagnético endógeno , o que resulta numa diminuição do campo magnético local que pode ser detectado em imagens do Plano Ecológico ponderado em T2 . Quando uma área cerebral é ativada, o fluxo sanguíneo cerebral e a velocidade aumentam em maior grau que a extração de O2 , aumentando assim o nível de oxigenação do sangue, o que por sua vez aumenta o sinal de ressonância magnética. O sinal BOLD reflete eventos biológicos e funcionais específicos e acredita-se que seja devido ao aumento da atividade neural causada por uma combinação de mecanismos biológicos, incluindo efeitos de neurotransmissores, íons e outros metabólitos . No entanto, se as flutuações do sinal BOLD representam mudanças na fisiologia cerebral que são independentes da função neuronal ou refletem a atividade neuronal basal ainda não está claro. Alguns estudos sugerem que as flutuações de BOLD são uma propriedade intrínseca do cérebro, já que persistem através de condições como sono, anestesia e execução de tarefas. Por outro lado, a origem neuronal da atividade BOLD é suportada por estudos baseados na combinação de fMRI e tomografia por emissão de pósitrons (PET), que destacaram o envolvimento da matéria cinzenta (GM) sozinha em voxels significativos , por estudos baseados na combinação de fMRI e eletroencefalogramas, que revelaram uma correlação entre o sinal BOLD e a atividade elétrica cortical , e por estudos que destacaram alterações de RSNs induzidas por doença neurológica .
3. fMRI em repouso: Abordagens Metodológicas
Para proporcionar a melhor configuração possível para estudos de RS, os sujeitos são normalmente instruídos a permanecer acordados, calmos e ainda no scanner, para fixar um ponto específico ou fechar os olhos, e para tentar não pensar em nada. O uso de um campo magnético elevado é geralmente melhor, uma vez que permitiria detectar mais facilmente mudanças de sinal, que são proporcionais ao campo magnético principal, e separar mais eficazmente as frequências de ruído dos RSNs adequados, devido a um curto tempo de relaxamento. O objectivo da aplicação fMRI é detectar diferentes RSNs e investigar o seu envolvimento em funções específicas. Os dois métodos mais comumente aplicados para investigação de RSNs são a análise da região de interesse (ROI) e toda a investigação cerebral, esta última consiste principalmente na análise de componentes independentes (ICA) . A análise do ROI correlaciona o curso temporal de um ROI pré-definido com outros voxels cerebrais, de acordo com a detecção de flutuações coerentes do BOLD. No entanto, esta abordagem é limitada pela relativa arbitrariedade da seleção do ROI. Por outro lado, o ICA é uma abordagem baseada em dados, de cérebro inteiro, projetada para separar um sinal multivariante em seus subcomponentes, fornecendo assim um único sinal de um complexo de sinais. O ICA é usado sem qualquer hipótese a priori e assumindo a independência estatística das fontes e o sinal BOLD é decomposto em mapas espacial e temporalmente distintos com seus próprios cursos de tempo. Cada mapa pode ser interpretado como uma rede de regiões do cérebro que compartilham flutuações semelhantes de BOLD ao longo do tempo. Uma questão que precisa ser considerada na detecção de RSNs, utilizando análise regional ou cerebral inteira, é a presença de possíveis artefatos relacionados ao movimento e ao ruído fisiológico, ou seja, ciclos cardíacos e respiratórios. Entretanto, tem sido demonstrada uma diferença de freqüência entre os RSNs e o ruído, sendo o primeiro caracterizado por flutuações de 0,01-0,1 Hz e o segundo por flutuações de 0,3-1 Hz . Dada a importância de remover sinais confusos para melhorar a qualidade dos dados , os sinais de ruído são agora comumente monitorados por meio de software específico que corrige retrospectivamente os dados da fMRI . Da mesma forma, outras fontes de ruído específicas da região, como os sinais de matéria branca (WM) e líquido cefalorraquidiano (LCR), devem ser consideradas e removidas durante a análise, pois o sinal BOLD nessas regiões é mais suscetível a artefatos do que no GM cortical. Apesar de todas as questões técnicas envolvidas na coleta de dados BOLD RS, ainda não se chegou a um consenso sobre a necessidade de um cenário experimental preciso. No entanto, a detecção de muitos sistemas neuroanatômicos cuja atividade espontânea é consistente tem levado à identificação de RSNs funcionais específicos. Os mais conhecidos destes sistemas são o modo padrão, sensorial-motor, atenção dorsal, visual, função executiva, auditivo, frontoparietal lateralizado, saliência, cerebelar e redes de gânglios basais (ver Figura 1). Recentemente, mudanças na métrica da FC ao longo do tempo também foram demonstradas, dando assim origem à caracterização da FC dinâmica. A literatura emergente, ao utilizar novas técnicas de análise, ou seja, análise de janelas deslizantes, análise de coerência tempo-frequência e estratégia de regressão de parâmetros variáveis no tempo, sugere que as métricas dinâmicas de CF podem fornecer a existência de mudanças nos padrões de atividade neural macroscópica provavelmente relacionadas às condições comportamentais. Entretanto, as limitações relacionadas à análise e interpretação permanecem e ainda não está claro se a CF dinâmica consiste na recorrência de múltiplos padrões discretos ou se é uma simples variação de padrões ao longo do tempo.
A função cerebral é amplamente conhecida por depender não só da atividade de regiões individuais, mas também da interação funcional de diferentes áreas através de todo o cérebro através dos chamados connectomes . Os Connectomes são projeções axonais que permitem a comunicação funcional entre regiões anatomicamente separadas do cérebro. Técnicas recentes de processamento permitem a investigação de conexões funcionais em larga escala, permitindo assim a criação de um gráfico matricial da conectividade cerebral. A conectividade de rede em larga escala é geralmente representada como um gráfico que consiste de regiões cerebrais (nós) que estão interconectadas (bordas). Muito brevemente, após uma definição inicial de nós, uma matriz de conexões funcionais entre nós é computada, embora apenas as conexões superiores ao limiar de configuração sejam classificadas como bordas. A conectividade funcional é fornecida como um coeficiente de correlação estatística da coerência do sinal BOLD entre diferentes redes . A estrutura de uma rede pode ser projetada de acordo com as características de certos valores gráficos, tais como o coeficiente de agrupamento, o comprimento do caminho, a centralidade, o grau e a modularidade de um nó, destacando assim um padrão específico de organização . Foi demonstrado que a conectividade global da rede cerebral apresenta uma organização mundial pequena, longe de ser aleatória, caracterizada por um alto nível de conexões locais entre nós e um trajeto muito curto que configura o chamado “hub” e uma baixa presença de conexões longas entre hubs; esta organização de rede eleva a eficiência e reduz substancialmente a redundância . A chamada organização “rich-club” também foi demonstrada, consistindo na presença de hubs de alta ordem mais densamente conectados. O fenômeno rich-club fornece informações importantes sobre a estrutura de alta ordem de uma rede, particularmente sobre hierarquia e especialização .
As patologias neurológicas podem alterar as interações dos nós, perturbando a integração dos sistemas e prejudicando seu funcionamento.
4. fMRI do estado de repouso: Aplicação na Esclerose Múltipla
Avanços na compreensão da FC e o papel de suas alterações na fisiopatologia do cérebro humano são dados pelo estudo de doenças como a EM. De fato, a EM é caracterizada por um dano particularmente disseminado e grave, afetando principalmente a matéria branca que pode causar alterações na CF secundárias à desconexão estrutural entre os nós RSN.
NRSNs anormalidades foram encontradas em quase todos os fenótipos de esclerose múltipla (EM).
FC é maior em áreas específicas do cérebro de muitos RSNs em pacientes com síndrome clinicamente isolada (CIS) do que em indivíduos saudáveis (HS) ou em pacientes com EM recorrente (RR-MS), mesmo que o volume de GM e a integridade de WM sejam preservados . Estes resultados sugerem que a coerência da atividade cerebral aumenta na fase inicial da doença, provavelmente como um fenômeno compensatório, e é posteriormente perdida na fase tardia da doença, como resultado da progressão do dano estrutural. Entretanto, ainda não se chegou a um acordo sobre o real significado das alterações da fMRI na EM precoce: mesmo que a hipótese compensatória ainda prevaleça, um único estudo relatou valores globais inferiores de coerência temporal em pacientes com SIC .
Resultados por RS fMRI só foram parcialmente concordantes quando foram estudados os sujeitos da EM RR, provavelmente devido ao amplo espectro de características clínicas peculiares a este fenótipo, bem como às diferentes abordagens metodológicas. Anomalias generalizadas da FC foram encontradas em sujeitos de RR-MS: alguns estudos apontaram para um aumento significativo nos níveis de conectividade global e outros relataram diminuição da FC. A redução da CF está em linha com os resultados dos estudos de perfusão PET e RM, que mostraram hipometabolismo cerebral difuso e hipoperfusão nesta condição, provavelmente devido ao acúmulo progressivo de danos estruturais. O aumento da FC é um evento mais complexo; embora seja geralmente considerado como uma tentativa adaptativa de compensar o dano tecidual, qualquer hipótese alternativa de aumento da FC pode representar plasticidade maladaptativa ou um epifenômeno do processo patológico não pode ser completamente descartada. Por último, alguns estudos constataram que redes específicas, ou seja, o RSN e o DMN talâmico, podem mostrar conexões significativamente mais fracas com algumas regiões do cérebro e conexões mais fortes com outras, sugerindo assim que há uma redistribuição da conectividade, além de uma tendência geral de aumento ou diminuição global da FC em EM .
Apenas poucos estudos focaram os fenótipos progressivos da EM. Em um trabalho recente que explorou a alteração da FC em RR e EM progressiva (SP) secundária, os autores encontraram um aumento da FC em ambos os grupos de pacientes; entretanto, mudanças específicas em qualquer direção foram observadas também entre os grupos de EM em RR e SP. Curiosamente, essas alterações da CF parecem paralelas ao estado clínico dos pacientes e à capacidade de compensar a gravidade das incapacidades clínicas/cognitivas, apoiando o papel compensatório da reorganização funcional .
Num estudo que incluiu pacientes com EM primária progressiva (PP) e SP, em comparação com HS, constatou-se que a CF diminuiu em algumas áreas da DMN em ambos os grupos de pacientes; a CF nos componentes anteriores da DMN foi correlacionada com o comprometimento cognitivo. Quando pacientes com EM SP e PP foram comparados, uma maior FC no córtex cingulado anterior foi encontrada em SP .
Ajustados estes resultados mostram que não há uma relação direta entre as alterações do RSN e o fenótipo clínico, sugerindo um papel decisivo das características clínicas e genéticas específicas de indivíduos isolados na determinação da resposta funcional à doença.
5. fMRI Functional Connectivity Changes and Their Correlation with Clinical Disability
5.1. Conectividade dentro da rede
Correlações das alterações da FC dentro da rede com parâmetros clínicos de EM têm sido amplamente relatadas em EM . Embora a capacidade da fMRI do RS em detectar a reorganização funcional cerebral na EM tenha sido comprovada, o papel das alterações da CF na patogênese da EM, bem como a relação potencial entre a reorganização da rede em estado de repouso e a incapacidade clínica, não foi completamente compreendida.
Uma correlação negativa entre a força da CF e a incapacidade clínica tem sido repetidamente relatada; poucos estudos relataram uma correlação positiva entre a força da CF e a incapacidade clínica . Resultados discordantes entre estudos podem ser devidos não só a diferenças nas populações de pacientes e análise de dados, mas também à função clínica considerada e às RSNs específicas analisadas.
No que diz respeito às correlações entre a rede motora e a incapacidade clínica, um trabalho recente revelou uma associação entre a redução da conectividade intranetwork na rede motora e níveis mais elevados de gravidade da doença em pacientes com EM RR, apontando assim para a possibilidade de alterações no estado de repouso poderem servir como um biomarcador da progressão da doença. Por outro lado, verificou-se que o aumento da conectividade na área pré-motora esquerda estava associado a uma maior incapacidade clínica na EM RR, embora não na EM SP . Este achado sugere que mesmo que a progressão da doença esteja relacionada à CF perturbada dentro da rede motora, o aumento da CF em áreas motoras específicas pode representar uma tentativa de compensar a deficiência funcional, pelo menos na EM RR.
Correlações entre as alterações da CF e o desempenho cognitivo, que resulta da interação de várias funções cerebrais complexas envolvidas na cognição, ou seja, memória de trabalho, atenção e função executiva, a interpretação dos resultados é mais complexa. Aumento, diminuição, e tanto o aumento como a diminuição da FC dentro das redes de atenção sustentada foram encontrados associados ao desempenho cognitivo na EM. A diminuição da FC nos componentes anteriores da DMN correlacionou-se com a acumulação de déficits cognitivos em pacientes com EM progressiva. Bonavita et al. confirmaram a disfunção anterior da DMN também na EM RR; além disso, verificaram que pacientes com EM RR também apresentaram um aumento da FC nos componentes posteriores da DMN, o que foi mais pronunciado em pacientes com preservação cognitiva. Um estudo recente sobre um grupo heterogêneo de EM mostrou que a diminuição do desempenho cognitivo é acompanhada pela redução da FC em todos os principais RSNs e também está diretamente relacionada ao dano cerebral. Por outro lado, outro estudo sobre a SM RR, focado no RSN talâmico, relatou uma diminuição do desempenho associado ao aumento da FC, sugerindo que as alterações neuroplásicas são incapazes de compensar totalmente a disfunção cognitiva .
Junto, esses resultados demonstram que a reorganização do RSN está intimamente associada à deficiência cognitiva na SM. Com base nesta forte associação, as alterações da FC têm sido propostas como promissoras marcadores substitutos da carga da doença, assim como ferramentas úteis para monitorar estratégias de reabilitação na EM. De fato, a reabilitação cognitiva tem se mostrado correlacionada com mudanças na CF do RS das regiões cerebrais que subservem funções treinadas .
5,2. Conectividade de Redes de Grande Escala
Estudos de conectividade de redes de grande escala têm sido aplicados na EM com a tentativa de dar uma visão global dos padrões distribuídos de anormalidades da CF também em relação a danos estruturais e incapacidade.
Anormalidades na CF de redes de grande escala têm sido demonstradas em pacientes com EM, com a desconexão parecendo ser proporcional à extensão das lesões e correlacionada com a gravidade da incapacidade . O envolvimento da desconexão da RSN na EM é generalizado e inclui anormalidades motoras, sensíveis, visuais e cognitivas da função da rede. A FC é normalmente diminuída em todo o cérebro. Por exemplo, a diminuição da FC em regiões subcorticais e corticais e conexões contralaterais mostrou-se relacionada à carga de lesão e capaz de discriminar os pacientes com EM dos controles com sensibilidade de 82% e especificidade de 86% . Além disso, a FC em redes atencionais é mais forte em pacientes com preservação cognitiva do que em pacientes com deficiência cognitiva e está correlacionada com danos estruturais menores. A integração funcional reduzida entre áreas separadas também foi encontrada nos estágios iniciais da EM. Estes achados sugerem que a desconexão funcional é paralela tanto ao dano estrutural quanto ao comprometimento clínico.
Por contraste, um maior grau de conectividade entre as RSNs associadas às funções visuais está correlacionado com uma maior carga de doença, apesar da redução da conectividade dentro da rede em outras áreas . Este achado pode ser interpretado como um evento focalizado dentro de uma estrutura de reorganização global da FC cerebral ao longo do curso da doença. Esta hipótese é suportada pelo achado de uma ampla redistribuição da modularidade na EM, com alguns RSNs exibindo menor conectividade, devido em parte também à carga de lesão e comprometimento clínico, e outros exibindo maior conectividade .
A análise de conectividade em larga escala, quando aplicada em pacientes em comparação aos controles, pode destacar as diferenças na organização funcional de toda a rede cerebral entre os dois grupos. Assim, a CF em larga escala tem sido proposta como uma ferramenta promissora para discriminar os sujeitos de EM da SH, para compreender o substrato funcional da incapacidade clínica e para monitorar os efeitos das terapias. Entretanto, estudos adicionais são necessários para esclarecer o significado adequado dessas mudanças e se modificações funcionais limitam o impacto clínico da doença ou, inversamente, são um biomarcador da gravidade da doença.
6. Discussão e Direções Futuras
fMRI técnica permite detectar a conectividade funcional do cérebro através do cérebro. Sua aplicação em patologias neurológicas, ou seja, EM, pode fornecer informações valiosas sobre as alterações neuronais que ocorrem após a lesão, ajudando assim a compreender a fisiopatologia da doença e as possíveis abordagens terapêuticas. Anormalidades de conectividade disseminadas são evidentes tanto dentro como entre os RSNs em pacientes com EM, mas, infelizmente, os resultados nem sempre são concordantes e o significado das alterações da fMRI na EM não é completamente claro. Além disso, os estudos de fMRI por RS são limitados pela interferência de artefatos de ruído, como eventos respiratórios ou cardíacos, que podem ser parcialmente responsáveis por essas incongruências e também podem explicar, pelo menos em parte, resultados discordantes de fMRI em fenótipos semelhantes de EM em diferentes estudos. Outra questão que pode afetar a homogeneidade dos resultados pode ser atribuída às diferenças entre pacientes, ou seja, em termos de duração da doença, dentro de uma mesma coorte, ou entre coortes com fenótipo de doença semelhante. Este problema também pode influenciar as correlações entre os resultados da CF e as medidas comportamentais, uma vez que nem sempre mostram as mesmas direções. Assim, a importância das alterações da fMRI na patologia neurológica, em termos de mecanismos compensatórios ou mal adaptados, ainda não foi esclarecida. Apesar de alguns resultados discrepantes, um aumento da FC em RSN tem sido repetidamente relatado e interpretado como reorganização adaptativa do cérebro; esta hipótese é suportada pelo fato de que o aumento da conectividade da FC em pacientes com EM geralmente ocorre em áreas do cérebro com extensas conexões corticais. Entretanto, este fenômeno adaptativo pode ser um processo finito que está presente nos estágios iniciais da doença, mas se perde em estágios mais avançados, quando o dano estrutural e o comprometimento clínico são muito severos para serem compensados. De facto, o aumento do acoplamento funcional entre algumas áreas da rede motora, que é paralelo à incapacidade crescente, parece estar limitado ao estádio RR da doença e perde-se nos estádios mais avançados; da mesma forma, a FC em algumas regiões da DMN é maior em doentes com RRMS cognitivamente preservados do que em doentes com RRMS cognitivamente afectados.
A caracterização da dinâmica do RS, a análise teórica gráfica para estudar as propriedades da rede cerebral, e a integração dos dados da RMRF do RS com outras técnicas, ou seja, a estimulação magnética transcraniana e o PET, poderiam proporcionar no futuro próximo uma nova visão da fisiopatologia da EM para fins clínicos e terapêuticos.
Conflito de Interesses
Os autores declaram que não há conflito de interesses em relação à publicação deste trabalho.