estudo da privação de sono na conectividade funcional do...
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UNIVERSIDADE DE LISBOA
FACULDADE DE CIÊNCIAS
DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA ANIMAL
Estudo da privação de sono
na conectividade funcional do lobo frontal
Eduardo João Nunes Leal
Mestrado em Biologia Humana e Ambiente
Dissertação orientada por:
Dr. Alberto Leal
Prof. Paulo Fonseca
2018
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AGRADECIMENTOS
O autor deseja agradecer a todas as pessoas e instituições que de alguma forma contribuíram para a
elaboração deste trabalho e, em particular:
• Ao Doutor Alberto Leal, pela possibilidade de realização deste projecto, pelo seu incentivo,
disponibilidade e apoio que sempre demonstrou;
• Ao Professor Paulo Fonseca pela sua inesgotável disponibilidade, inúmeras sugestões e
ensinamentos que me permitiram prosseguir este trabalho;
• Ao Centro Hospitalar Psiquiátrico de Lisboa por todo o apoio prestado durante a realização
desta tese;
• Aos colegas e amigos que disponibilizaram do seu tempo, para a recolha de dados necessários
a este trabalho, sempre com simpatia e incentivo;
A todas estas pessoas que mencionei, sem o contributo das quais não teria sido possível a realização
desta tese, o meu sincero agradecimento.
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iii
RESUMO
O sono é um estado comportamental presente em todos os animais com um sistema nervoso
diferenciado, todavia a sua função biológica fundamental permanece incerta.
A investigação sobre o papel do sono tem levado à formulação de variadas hipóteses sobre a sua função
que incluem, entre outras, modulação imunitária, conservação de energia metabólica, termorregulação
ou consolidação de memórias.
Presentemente, um grupo de hipóteses com especial proeminência tem-se focado na regulação da
plasticidade sináptica que sucede durante a vigília, propondo que durante o sono ocorre um conjunto de
operações que, em última análise, levam à consolidação de mudanças sinápticas induzidas durante a
vigília através da interacção com o ambiente.
A formação de novas memórias na vigília implica a modificação da comunicação entre as redes
neuronais, as quais podem ser estudadas ao nível macroscópico através da alteração da conectividade
funcional entre elas.
O EEG/MEG é, actualmente, a metodologia com a maior resolução temporal para caracterizar estas
interacções e com a facilidade de registo no escalpe associada à sua reduzida interferência com o sono,
oferece oportunidades relevantes para estudos experimentais da sua modulação durante as várias fases
do ciclo sono-vigília.
Existem numerosas evidências experimentais que associam a conectividade funcional com a interacção
entre redes neuronais que constituem a base do processamento cognitivo, com o estudo da interferência
do sono na conectividade funcional cerebral a prometer revelar certos aspectos da sua relação com a
cognição.
Neste contexto, é importante o estudo da conectividade dos lobos frontais, pois esta aparenta encontrar-
se significativamente modificada durante o sono, para além de exercer um controlo cognitivo “top-
down” sobre as outras áreas cerebrais. Não existe, no entanto, um modelo descrevendo o mecanismo
responsável pelas variações na conectividade funcional dos lobos frontais durante o sono e o seu papel
na organização da actividade cerebral.
Palavras-chave: sono; conectividade funcional; lobos frontais; EEG
iv
v
ABSTRACT
Sleep is a behavioral state present in all animals with a well differentiated nervous system, however its
fundamental biological function remains uncertain.
Research on the role of sleep led to the formulation of numerous hypotheses about its function that
include, among others, immune modulation, metabolic energy conservation, thermoregulation or
consolidation of memories.
A group of hypotheses with prominence at present focuses on the regulation of synaptic plasticity that
takes place in wakefulness, being proposed that during sleep a set of operations occurs that ultimately
consolidate the synaptic changes induced in wakefulness by interaction with the environment.
The formation of new memories in wakefulness implies modifying the communication between
neuronal networks, which can be studied at the macroscopic level through modification of the functional
connectivity between them.
The EEG/MEG is currently the methodology with the highest temporal resolution to characterize these
interactions, and the ease of records on the scalp, associated with reduced interference with sleep, offers
important opportunities for experimentally study its modulation in the various stages of the sleep-wake
cycle.
There is currently large experimental evidence associating functional connectivity with the interaction
between neural networks which are the base of cognitive processing. The study of interference of sleep
in brain functional connectivity promises to illuminate certain aspects of this relationship with cognition.
In this context, it is relevant the study of connectivity of the frontal lobes as it appears prominently
modified in sleep, in addition to exercising a ' top-down ' control over the other brain areas in cognition.
There is not, however, a model describing the mechanism responsible for variations in functional
connectivity of frontal lobe during sleep and its role in organization of brain activity.
Keywords: sleep; functional connectivity; frontal lobes; EEG
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ÍNDICE
AGRADECIMENTOS ............................................................................................................................. i
RESUMO ............................................................................................................................................... iii
ABSTRACT .............................................................................................................................................v
LISTA DE TABELAS ........................................................................................................................... xi
LISTA DE FIGURAS .......................................................................................................................... xiii
LISTA DE ANEXOS .......................................................................................................................... xvii
LISTA DE ABREVIATURAS ............................................................................................................ xix
1. INTRODUÇÃO................................................................................................................................1
1.1 Teorias sobre a função do sono .....................................................................................................1
1.2 Papel do sono na regulação da plasticidade cerebral .....................................................................3
1.3 Lobos frontais ................................................................................................................................4
1.4 EEG ...............................................................................................................................................6
1.5 Conectividade ................................................................................................................................9
1.6 A conectividade funcional em EEG como uma medida da interacção entre áreas funcionais
cerebrais .............................................................................................................................................11
1.7 Evidências do efeito da privação do sono na conectividade funcional dos lobos frontais ..........12
2. OBJECTIVOS ................................................................................................................................13
3. METODOLOGIA ..........................................................................................................................14
3.1 Participantes ................................................................................................................................14
3.2 Protocolo experimental ................................................................................................................14
3.3 Desenho do estudo.......................................................................................................................16
3.4 Equipamento utilizado .................................................................................................................17
3.5 Análise dos dados ........................................................................................................................17
3.6 Criação de segmentos para a conectividade ................................................................................18
3.7 Determinação das regiões de interesse ........................................................................................18
3.8 Cálculo da conectividade funcional.............................................................................................19
3.9 Análise estatística ........................................................................................................................20
4. RESULTADOS ..............................................................................................................................22
4.1 Tarefas comportamentais ............................................................................................................22
4.2 Conectividade associada à tarefa experimental ...........................................................................26
4.3 Conectividade associada à privação do sono ...............................................................................27
viii
ix
4.4 Conectividade associada à sesta ..................................................................................................30
5. DISCUSSÃO ..................................................................................................................................32
5.1 Desempenho comportamental .....................................................................................................32
5.1.1 Efeito da tarefa comportamental ......................................................................................... 32
5.1.2 Efeito da privação de sono .................................................................................................. 33
5.1.3 Efeito da sesta ...................................................................................................................... 33
5.2 Conectividade entre áreas cerebrais ............................................................................................34
5.2.1 Efeito da tarefa experimental............................................................................................... 34
5.2.2 Efeito da privação de sono .................................................................................................. 35
5.2.3 Efeito da sesta ...................................................................................................................... 36
6. CONCLUSÕES .........................................................................................................................37
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................................38
8. ANEXOS ...................................................................................................................................45
x
xi
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 – Idade, sexo e profissões dos participantes. .......................................................................14
Tabela 3.2 – Protocolo de fecho e abertura de olhos para medição do EEG em estado de repouso. ....16
Tabela 4.1 – Percentagem de erros cometidos por participante sem e com privação de sono e
respectiva variação. ................................................................................................................................23
xii
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 – Principais áreas cerebrais. ...................................................................................................5
Figura 1.2 – Representação de uma porção da região cortical com a presença de células piramidais. ...6
Figura 1.3 – Representação dos potenciais extracelulares associados à actividade sináptica. ................8
Figura 1.4 – Os potenciais eléctricos no escalpe resultantes da soma de múltiplos dipolos corticais
constitui a base do EEG............................................................................................................................8
Figura 1.5 – Fases do sono. .....................................................................................................................9
Figura 1.6 – EEG realizado ao nível do escalpe. ...................................................................................10
Figura 1.7 – Representação do modo como a actividade neuronal produzida por uma fonte é captada
por diferentes sensores. ..........................................................................................................................10
Figura 1.8 – Reconstrução de fonte. ......................................................................................................10
Figura 1.9 – EEG de alta resolução. .....................................................................................................11
Figura 3.1 – Montagem de EEG de alta resolução com 82 electrodos utilizada durante a realização da
tarefa experimental. ................................................................................................................................15
Figura 3.2 – Sequência de eventos durante a avaliação experimental...................................................16
Figura 3.3 – Regiões de interesse. .........................................................................................................19
Figura 3.4 – Bandas de EEG analisadas. ...............................................................................................19
Figura 3.5 – Representação das principais conectividades (esquerda) e matriz de todas as
conectividades (direita) entre as ROIs de um participante durante a realização da tarefa experimental.
................................................................................................................................................................20
Figura 4.1 – Número de respostas certas, erradas e falhadas de cada participante sem e com privação
de sono, antes da realização de uma sesta. .............................................................................................22
Figura 4.2 – Percentagem de erros cometidos por cada participante sem e com privação de sono. .....23
Figura 4.3 – Caixas de bigodes dos tempos de reacção. .......................................................................24
Figura 4.4 – Hipnogramas das sestas realizadas, com tempo total e percentagem de fase 1 e 2 do sono
de cada um dos participantes com privação de sono. .............................................................................25
Figura 4.5 – Tempo total de sono e tempo decorrido nas diferentes fases do sono nas sestas realizadas
pelos participantes com privação. ..........................................................................................................26
Figura 4.6 – Conectividade dos pares de ROIs na condição passiva e activa. ......................................27
Figura 4.7 – Conectividade dos pares de ROIs sem e com privação de sono. ......................................28
Figura 4.8 – Correlação entre o aumento de erros em privação de sono e a conectividade Occipito-
Frontal. ...................................................................................................................................................29
Figura 4.9 – Correlação entre o aumento de erros em privação de sono e a conectividade Parieto-
Frontal. ...................................................................................................................................................30
xiv
xv
Figura 4.10 – Conectividade dos pares de ROIs antes e depois da sesta. .............................................31
xvi
xvii
LISTA DE ANEXOS
Anexo 1 – Percentagem de erros sem e com privação de sono e respectiva normalização antes da sesta.
................................................................................................................................................................45
Anexo 2 – Tempos de reacção (em milissegundos) das respostas correctas, erradas e respectivos
desvios-padrões dos participantes sem e com privação de sono. ...........................................................45
Anexo 3 – Percentagem de erros cometidos pelos participantes com privação de sono antes e após a
sesta. .......................................................................................................................................................46
Anexo 4 – Anova de três vias para o efeito da tarefa experimental sobre a conectividade das regiões
cerebrais seleccionadas. . ........................................................................................................................47
Anexo 5 – Anova de três vias para o efeito da privação de sono sobre a conectividade das regiões
cerebrais seleccionadas...........................................................................................................................47
Anexo 6 – Anova de três vias para o efeito da sesta sobre a conectividade das regiões cerebrais
seleccionadas. .........................................................................................................................................48
Anexo 7 – Parecer da Comissão Científica e Pedagógica do Centro Hospitalar Psiquiátrico de Lisboa.
................................................................................................................................................................49
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xix
LISTA DE ABREVIATURAS
REM Movimento rápido dos olhos
EEG Electroencefalografia
MEG Magnetoencefalografia
LFP Potencial de Campo Local
PET Tomografia de Emissão de Positrões
ATP Adenosina trifosfato
EPSP Potencial pós-sináptico excitatório
IPSP Potencial pós-sináptico inibitório
DC
Corrente contínua
ECG
Electrocardiograma
EOG
Electroculograma
DTF Direct Transfer Function
FrontOccip Fronto-Occipital
FrontPar Fronto-Parietal
OccipFront Occipito-Frontal
ParFront
Parieto-Frontal
BOLD Blood Oxygen-level Dependent (Dependente do Nível de Oxigénio
Sanguíneo)
xx
1
1. INTRODUÇÃO
O sono é um estado fisiológico amplamente disseminado no mundo animal, estando presente em todos
os animais com um sistema nervoso diferenciado como, por exemplo, nos vertebrados, mas igualmente
em nemátodes, como C. elegans (Raizen et al., 2008) ou artrópodes como a mosca da fruta (Drosófila
melanogaster) (Greenspan et al., 2001; Huber et al., 2004). Constitui um processo fisiológico que ocorre
ciclicamente, caracterizado do ponto de vista comportamental pela drástica redução da interacção com
o meio externo, com marcado aumento do limiar de resposta a estímulos sensoriais, possuindo ainda
propriedades homeostáticas (Krueger et al., 2016).
A sua larga disseminação no reino animal sugere uma função importante para estes seres vivos, todavia
ainda não existe actualmente uma noção bem estabelecida de qual o seu papel fundamental. Nos
mamíferos, o sono parece indispensável à normal regulação do comportamento e homeostasia corporal.
Em ratos, a privação de sono causa um aumento significativo do gasto energético, assim como o
aparecimento de sintomas semelhantes à má nutrição, tais como anemia ou perda de peso (Everson,
1995). Quando este período é alargado (em média cerca de 21 dias), surgem efeitos fatais, decorrentes
de uma menor resistência a infeções por parte do sistema imunitário. Contrariamente, em humanos, a
privação de sono não acarreta mortalidade, sendo principalmente caracterizada pela marcada perda de
capacidades cognitivas, tais como redução da coordenação motora, fala arrastada, afasia parcial,
astereognosia, dificuldades de concentração e no discurso, lapsos de memória, bem como das
capacidades funcionais, nomeadamente dificuldade de focagem visual e falta de coordenação (Patrick e
Gilbert, 1896; Ross, 1965). Ocorrem igualmente alterações comportamentais, como irritabilidade ou
falta de cooperação e, por vezes, sintomatologia psicótica como alucinações visuais (Patrick e Gilbert,
1896).
Deste modo, parece assim haver efeitos diversos ao nível das espécies em relação com a privação do
sono, o que tornou historicamente difícil o estabelecimento de uma função única para o mesmo. Ao
longo das últimas décadas, têm sido propostas muitas funções para o sono, no entanto, nenhuma delas
apresenta uma explicação plenamente satisfatória do ponto de vista biológico.
1.1 Teorias sobre a função do sono
Ao longo dos anos, têm surgido diversas teorias que procuram explicar a função principal do sono. Uma
proposta relaciona o mesmo com o sistema imunitário, baseando-se em evidências que o sono
desempenha um papel ao nível da modelação de vários parâmetros imunológicos, tais como o aumento
do número de células T indiferenciadas e citocinas pró-inflamatórias, a diminuição do número de células
T citotóxicas e de citocinas anti-inflamatórias, assim como a facilitação do transporte das células T para
os nódulos linfáticos (Besedovsky et al., 2012). Foram igualmente registados aumentos do número de
células T auxiliares induzidas imunologicamente na noite após uma vacinação, tendo sido sugerido que
o sono lento possa ter papel importante nesse processo (Lange et al, 2011).
2
Outra função postulada para o sono reside na conservação de energia. Esta teoria deriva originalmente
da constatação que os animais com maiores períodos de sono possuem taxas metabólicas mais elevadas,
assim como uma menor massa corporal (Zepelin e Rechtschaffen, 1974). Deste modo, animais com
maiores taxas metabólicas, como por exemplo o rato, dormem cerca de 18 horas por dia, enquanto
animais maiores e com taxas mais baixas, como a girafa ou o elefante, dormem apenas 3 a 4 horas. Por
outro lado, durante o sono ocorre uma diminuição da taxa metabólica no organismo destes animais,
indicando que as reservas de energia gastas durante a vígilia serão recuperadas no sono, de forma a que
o organismo consiga ter sempre um fornecimento adequado de energia (Krueger et al., 2016). Todavia,
não parece evidente que conservar energia seja a sua função primordial, pois o ganho energético durante
o sono é bastante modesto (Chokroverty, 2009), sendo que não são explicados alguns dos seus aspectos
fundamentais, como a significativa redução da capacidade de resposta aos estímulos exteriores.
Apesar deste baixo ganho energético, é possível que o sono tenha uma função metabólica específica no
cérebro. Estudos utilizando PET têm mostrado que o consumo de glucose durante o sono não-REM é
inferior ao existente na vigília. Em 2002, numa experiência com 14 indivíduos verificou-se um
decréscimo de cerca de 11% no metabolismo da glucose durante o sono não-REM, observando-se
igualmente diminuições significativas em grandes regiões do córtex frontal, parietal, temporal e
occipital (Nofzinger et al., 2002). Por outro lado, o sono REM parece registar um aumento metabólico
relativamente à vigília. Medições da função cerebral utilizando um radioisótopo de oxigénio mostraram
que certas regiões do cérebro que eram activadas no sono REM (em relação ao sono não-REM),
apresentavam níveis mais elevados que na vigília (Braun et al., 1997).
No contexto do metabolismo cerebral, o glicogénio tem também merecido atenção. Em 1983, num
estudo efectuado em ratos, observou-se que os níveis de glicogénio no cérebro após o começo da vigília
decresciam substancialmente em relação aos níveis existentes durante o sono, os quais atingiam o seu
máximo durante o sono lento (Karnovsky et al., 1983). Esse facto levou à teoria de que o sono lento
poderia ter como função restaurar os níveis de glicogénio gastos durante a vigília para produzir ATP
(Benington e Heller, 1995). Esta hipótese foi testada em várias espécies com diferentes durações de
privação de sono. No entanto, contrariamente ao expectável, os resultados obtidos mostram que o nível
de glicogénio se mantém estável durante a privação, observando-se um aumento do seu turnover assim
como de moléculas envolvidas na sua produção, como a enzima glicogénio sintetase (Petit e Magistretti,
2015). Isto poderá significar que para além da degradação de glicogénio, o metabolismo promove
igualmente a sua síntese, mantendo a concentração a níveis constantes e conservando as suas reservas.
Outra tese relativa à função do sono defende o seu papel na termorregulação do organismo, tendo por
base evidências de anormalidades na mesma durante a privação de sono, ao passo que durante o sono
normal é mantida a homeostase termoregulatória (Chokroverty, 2009). Vários estudos suportam a
relação entre os dois processos, ao passo que outros sugerem que poderão ser parcialmente
independentes, mostrando que alterações num dos processos não se reflectem sempre em modificações
no outro (Bach et al., 2011), sendo por isso ainda desconhecida a sua relação de causalidade.
Por fim, o sono poderá ainda desempenhar um papel ao nível da consolidação das memórias adquiridas.
Esta hipótese possui uma longa história abrangendo observações dos efeitos da privação de sono na
3
formação de novas memórias, assim como dos efeitos de um período de sono imediatamente após a
realização de uma tarefa. Existem evidências que o seu processamento seja dependente do sono em
várias espécies animais, nomeadamente em gatos, ratos, ratinhos, no Homem e noutros primatas
(Chokroverty, 2009). Em humanos, os estudos mais antigos centram-se em tarefas de aprendizagem
declarativa. Em 1989, De Koninck e os seus colaboradores mostraram que após a aprendizagem
intensiva de uma língua estrangeira ocorria um aumento do sono REM, o qual se correlacionou com a
aprendizagem obtida. Estes resultados sugerem que o sono REM seria importante para a consolidação
da memória, tendo propriedades homeostáticas. No entanto, resultados contrários foram obtidos por
Meienberg, que não registou alterações nos parâmetros do sono REM num indivíduo sujeito a este tipo
de aprendizagem verbal intensiva durante 3 semanas (Meienberg, 1977).
Encontram-se igualmente documentados efeitos do sono REM ao nível da aprendizagem perceptual.
Em 1994, um estudo testou os efeitos da privação de sono lento e sono REM neste tipo de aprendizagem
em 6 jovens adultos, não tendo observado melhorias após a privação de sono REM, contrariamente ao
sono normal e à privação de sono lento (Karni et al., 1994). Por outro lado, existem experiências que
têm atribuído ao sono lento a função de consolidação de memórias declarativas. Um estudo realizado
por Gais e Born, em 2004, demonstrou que em tarefas de associação envolvendo conjuntos de pares de
palavras, ocorria uma diminuição da performance dos indivíduos com o aumento do nível de acetilcolina
durante o sono lento. Adicionalmente, dois anos depois, uma experiência demonstrou que o aumento do
sono lento, obtido com recurso ao estímulo das oscilações muito lentas do córtex pré-frontal, permite
uma melhor retenção das memórias declarativas (Marshall et al., 2006).
1.2 Papel do sono na regulação da plasticidade cerebral
Nos anos mais recentes, tem havido grande interesse em elucidar de que forma o sono se relaciona com
a aprendizagem e consolidação de memórias. É sabido que estes processos envolvem fenómenos de
plasticidade cerebral, ou seja, mudanças estruturais e funcionais ao nível das respostas neuronais a
diferentes estímulos, que se traduzem em alterações de actividade nas várias regiões do cérebro
(Chokroverty, 2009). Actualmente, existem evidências da acção do sono nestes processos, obtidas
através de estudos electrofisiológicos que mostram que eventos característicos do sono não-REM e do
sono REM parecem estar envolvidos na plasticidade cerebral, por via de mecanismos de potenciação e
depressão sináptica. Com efeito, Steriade e os seus colaboradores, em 2001, mostraram que é possível
provocar modificações permanentes na resposta de neurónios corticais, estimulando-os em surtos
semelhantes aos produzidos por fusos do sono, característicos da fase 2 do sono. Adicionalmente,
estudos em ratos mostraram que durante a realização de tarefas espaciais e novas experiências, os
padrões de disparo de redes neuronais de várias regiões corticais e sub-corticais do cérebro presentes na
vigília, são replicadas durante o sono lento e REM subsequentes (Chokroverty, 2009).
A um nível mais microscópico, o modelo de plasticidade sináptica mais detalhadamente caracterizado
e promissor para explicar a aprendizagem e memória nos sistemas nervosos mais complexos consiste
no fenómeno de Potenciação de Longa Duração, o qual produz um aumento da resposta pós-sináptica
mais eficiente que o mecanismo antagónico de Depressão de Longa Duração, criando um desequilíbrio
que se torna necessário controlar (Tononi e Cirelli, 2014). Neste contexto, o sono poderia desempenhar
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um papel de regulador ao reestabelecer o equilíbrio sináptico perturbado durante a vigília, ao diminuir
o ganho na transmissão sináptica de tal forma que as várias sinapses não fiquem saturadas e recuperem
o seu potencial de plasticidade no dia seguinte.
Outra forma de avaliar a acção do sono na aprendizagem e consolidação de memórias consiste na
realização de estudos neuroimagiológicos. Um dos principais objectivos deste tipo de experiências tem
sido procurar perceber se o treino numa determinada tarefa durante a vigília condiciona as características
da activação funcional do cérebro durante o sono. Uma forma de observar esse efeito seria pela repetição
no sono, de padrões de actividade cerebral característicos da realização dessa tarefa. Um trabalho
representativo desta ideia foi feito por Maquet, que demonstrou que durante o sono REM são replicados
padrões de actividade motora manifestados durante tarefas motoras na vigília (revisto em Chokroverty,
2009). Além disso, estes investigadores verificaram também que a aprendizagem obtida durante a
realização destas tarefas correlacionava-se com o grau de reactivação durante o sono REM. A realização
de tarefas espaciais envolvendo labirintos virtuais foi também associada a reactivações de áreas do
hipocampo durante o sono lento seguinte, sendo o grau de activação tanto maior quanto melhor a
performance dos indivíduos no dia seguinte (Peigneux et al., 2004). Estas observações demonstram que
a realização e o nível de aprendizagem obtida numa tarefa, podem modelar a actividade cerebral que
ocorre durante o sono, com reactivações que conduzem a melhores performances comportamentais.
Outro modo de estudar a plasticidade dependente do sono consiste ainda em comparar padrões de
actividade cerebral antes e após uma noite de sono. Recorrendo a ressonância magnética funcional, foi
possível, por exemplo, detectar uma maior activação cerebral em determinadas zonas do córtex motor e
também do cerebelo durante a realização de tarefas de sequência motora após uma noite de sono (revisto
em Chokroverty, 2009).
Em síntese, este tipo de estudos permite compreender melhor a plasticidade cerebral associada à
memória/aprendizagem que é dependente do sono, pois nele ocorrem reactivações de padrões de
actividade neuronal presentes durante a realização de tarefas na vigília prévia, sendo mais fortes aquando
de uma melhor performance pós-sono.
1.3 Lobos frontais
Os lobos frontais (Figura 1.1) constituem uma das principais áreas cerebrais no Homem, definindo
aspectos fundamentais da sua personalidade e comportamento (Stuss e Knight, 2002). A sua importância
foi controversa durante o século XIX e a primeira metade do século XX, com autores defendendo que o
córtex frontal possuia funções cerebrais muito integradoras e com outros afirmando que a sua relevância
era diminuta, pois eram poucos os défices associados a lesões no córtex frontal (revisto em Stuss e
Knight, 2002). Esta divisão devia-se, em boa parte, ao famoso caso de Phineas Gage (1848), pois este
mostrou que danos significativos nos lobos frontais provocavam uma grande alteração no
comportamento e personalidade dos indivíduos, mantendo intactas, no entanto, a consciência, a
sensibilidade, movimento e a maior parte das funções cognitivas.
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Ao longo do tempo, este dilema foi sendo resolvido com a melhoria das avaliações clinicas e evolução
dos instrumentos neurofisiológicos, permitindo a documentação de casos de pacientes com lesões do
córtex frontal que revelavam alterações do foro comportamental, tornando-se profanos, irresponsáveis
ou irascíveis, enquanto outros evidenciavam perda de espontaneidade, curiosidade, iniciativa,
diminuição da atenção, motivação, criatividade, raciocínio abstrato ou resolução de problemas , entre
outros aspectos (Stuss e Knight, 2002). Além disso, foi demonstrado que uma lesão nos lobos frontais
pode afectar de forma marcada a capacidade de planear e sequenciar comportamentos complexos,
entender o contexto e natureza de situações complexas, resistir à distracção e interferência, seguir
instruções com vários passos ou a inibição de respostas imediatas, mas inapropriadas, entre outras
(Mesulam, 1986).
A realização de testes neuropsicológicos em pacientes tem revelado uma concordância com o descrito
acima, evidenciando deficiências em diversas tarefas (revisto em Stuss e Knight, 2002). No entanto, a
grande maioria dos testes de percepção, construção, linguagem e atenção espacial permaneceram
normais.
Actualmente, sabe-se que os lobos frontais e em especial o córtex pré-frontal, desempenham um papel
preponderante nas funções relacionadas com a organização temporal do comportamento intencional, da
linguagem e da razão, obtidos exercendo sobre as outras áreas cerebrais um controlo “top-down”
importante (Fuster, 2008). Estas funções, denominadas funções executivas, constituem processos
cognitivos complexos envolvidos no controlo e coordenação de acções com vista ao cumprimento de
objectivos futuros, incluindo um conjunto de capacidades tais como a capacidade de focar a atenção
ignorando estímulos irrelevantes, planear e sequenciar pensamentos e comportamentos, actualizar
informação à medida que as condições se alteram, inibir acções inapropriadas, formar conceitos
abstratos ou pensar de modo flexível e inovador.
Figura 1.1 – Principais áreas cerebrais. Lobo frontal – azul; Lobo parietal – amarelo; Lobo temporal – verde; Lobo occipital
– rosa (Retirado de http://www.drdiagram.com/human-brain-diagram-cerebrum/human-brain-diagram-cerebrum-3/).
6
1.4 EEG
O EEG consiste no registo da actividade eléctrica cerebral ao nível do escalpe, tendo sido realizado pela
primeira vez por Berger na década de 20. Apesar da sua aceitação como um método de análise da função
cerebral, os mecanismos de geração e a significância funcional do EEG permaneceram controversos
durante bastante tempo devido não só à complexidade dos geradores neuronais, mas também à
transferência dos sinais da superfície cortical até ao escalpe, que é condicionada pelas diferentes
propriedades topológicas e eléctricas dos condutores de volume, nomeadamente o cérebro, líquido
cefalorraquidiano, crânio e o escalpe.
O EEG representa a actividade eléctrica conjunta de populações de neurónios, juntamente com uma
pequena contribuição de células gliais (Lopes da Silva, 2010). Os neurónios são células excitáveis cuja
actividade produz campos eléctricos e também magnéticos. Estes campos podem ser detectados por
eléctrodos colocados a pequenas distâncias das fontes (EEG local ou LFP), da superfície cortical
(Electrocorticograma) ou a longas distâncias a partir do escalpe (EEG).
Foi demonstrado que, de entre os vários tipos de neurónios, as células piramidais localizadas no córtex
são as responsáveis pela geração dos campos eléctricos registados pelo EEG. São células excitatórias
que constituem cerca de 80% a 90% dos neurónios do Sistema Nervoso Central, possuindo um corpo
celular com uma forma piramidal característica. Estas encontram-se orientadas perpendicularmente à
superfície cortical (Figura 1.2), com as dendrites apicais mais próximas da superfície e o corpo celular
e axónio estendendo-se na direcção diametralmente oposta. A sua organização em paliçada (Figura 1.2)
permite que, quando activadas de forma sincronizada, estas células gerem campos eléctricos dipolares
amplos, resultado da soma de um grande número de pequenos dipolos individuais.
Figura 1.2 – Representação de uma porção da região cortical com a presença de células piramidais (Retirado de
http://charlesfrye.github.io/FoundationalNeuroscience/02/).
7
A activação neuronal pode ocorrer de duas formas fundamentais: por via de uma despolarização rápida
das membranas neuronais gerando potenciais de acção ou através de potenciais sinápticos.
Um potencial de acção consiste numa rápida reversão da polaridade eléctrica de uma região da
membrana celular que posteriormente se propaga ao longo do axónio até aos terminais sinápticos sem
perda de amplitude. Este envolve a acção de canais iónicos dependentes de voltagem localizados na
membrana (canais de sódio e potássio), os quais aumentam a condutância quando a membrana celular
atinge um certo limiar de voltagem. No entanto, a brevidade deste tipo de activação neuronal torna-o
pouco relevante para o EEG.
Os potenciais pós-sinápticos mais lentos, por outro lado, são os que mais contribuem para o potencial
eléctrico observado no EEG. Estes podem ser excitatórios (EPSPs) ou inibitórios (IPSPs), dependendo
do neurotransmissor e respectivo receptor pós-sinaptico, assim como da sua interacção com
determinados canais iónicos.
Num EPSP, a corrente eléctrica transmembranar é formada pela entrada de iões de sódio (Na+) ao nível
da sinapse, direccionando-se para o meio intracelular.
Num IPSP, essa corrente eléctrica é formada pela entrada de iões de cloro (Cl-) ou saída de iões de
potássio (K+) do interior para o exterior do neurónio. Consequentemente, gera-se um potencial negativo
no meio extracelular no caso de um EPSP e um potencial positivo no caso de um IPSP.
A compreensão de como estes potenciais originam campos detectáveis no escalpe exige o conhecimento
de dois factos adicionais:
a) as sinapses excitatórias distribuem-se preferencialmente nas dendrites distais, ou seja, perto da
superfície cortical;
b) as sinapses inibitórias distribuem-se mais profundamente, sobretudo junto do corpo celular. Quer
se trate de um EPSP ou IPSP, a estimulação das células piramidais origina um pequeno dipolo, cujo
polo negativo é superficial e o positivo se encontra na profundidade.
O facto de os estímulos sinápticos ocorrerem de forma sincronizada pela estimulação de vias aferentes
contendo múltiplos terminais sinápticos, assim como a orientação paralela dos dipolos individuais
(Figura 1.3), leva à soma dos campos elétricos microscópicos que passam a ser detectáveis na superfície
do escalpe como EEG (Figura 1.4).
8
Figura 1.3 – Representação dos potenciais extracelulares associados à actividade sináptica. E – EPSP; I – IPSP (Adaptado de
Mulert e Lemieux, 2010, p.21).
Figura 1.4 – Os potenciais eléctricos no escalpe resultantes da soma de múltiplos dipolos corticais constitui a base do EEG
(Adaptado de Nunez e Srinivasan, 2006, p. 5).
Deste modo, o EEG representa a actividade eléctrica resultante da estimulação sináptica sincronizada
de múltiplas células piramidais no córtex cerebral. Quando as células neuronais não possuem a
organização em paliçada anteriormente referida, como acontece por exemplo, no Tálamo ou no
Cerebelo, o seu contributo para o EEG é nulo. A definição dos vários ritmos cerebrais possibilitados
pelo EEG serviram de base para estabelecer as diferentes fases existentes no sono (Figura 1.5), sendo
ainda actualmente o método de referência.
9
Figura 1.5 – Fases do sono (Retirado de https://tigerweb.towson.edu/rburns8/project_02).
1.5 Conectividade
A conectividade cerebral constitui uma medida das interacções entre grupos neuronais de diferentes
áreas cerebrais. Considera-se habitualmente 3 tipos de conectividade:
1. Estrutural (ou neuroanatómica), que se refere à distribuição anatómica das fibras ao longo das
regiões cerebrais, sendo frequentemente estudada através de técnicas como a Ressonância
Magnética Nuclear (Hagmann et al., 2007) ou o Tensor de Difusão (Heuvel et al., 2009).
2. Funcional, que consiste na caracterização das correlações estatísticas entre a actividade temporal
gerada pela actividade de grupos neuronais em regiões distintas do cérebro, podendo ser analisada
utilizando sinais de Electroencefalografia (Smit et al., 2007), Magnetoencefalografia (Stam et al.,
2007), Potenciação de Longo Termo (Ray e Maunsell, 2011), Tomografia de Emissão de
Positrões (Grady et al., 2003) ou Ressonância Magnética Funcional (Roy et al., 2009).
3. Efectiva, que mede a influência exercida por um grupo/sistema neuronal sobre outro, ou seja, a
causalidade das interacções entre as diferentes regiões cerebrais.
Neste âmbito, o EEG constitui uma óptima opção para o estudo destes tipos de conectividade, pois
possui uma resolução temporal na ordem dos milissegundos (He et al., 2011), permitindo calcular as
interações entre regiões cerebrais ao longo ao tempo numa ampla gama de frequências. Neste contexto,
os registos de EEG mais vantajosos são realizados no escalpe (Figura 1.6), devido à sua natureza não
invasiva, no entanto, os campos eléctricos gerados pelas diferentes fontes neuronais apresentam uma
10
elevada dispersão global (Figura 1.7), levando a uma contaminação cruzada significativa do sinal
captado pelos diversos sensores (eléctrodos) (Schoffelen e Gross, 2009).
Figura 1.7 – Representação do modo como a actividade
neuronal produzida por uma fonte é captada por diferentes
sensores (Adaptado de Schoffelen e Gross, 2009).
Este facto limita a utilidade das medidas de conectividade obtidas entre os registos dos vários sensores,
tornando a sua interpretação bastante complicada. A imprecisão resultante pode ser minimizada
recalculando as fontes na superfície cerebral, por via de métodos de análise de fonte (Astolfi e Babiloni,
2008) (Figura 1.8). Todavia, a tarefa de localizar os geradores intracranianos dos potenciais eléctricos
no escalpe é problemática, não só devido à complexa configuração dos campos eléctricos associados,
mas também à distorção produzida pelas diferentes condutividades eléctricas do cérebro, crânio e do
escalpe (Babiloni et al, 2005).
Figura 1.8 – Reconstrução de fonte (Retirado de http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/~wpenny/research/meeg.html).
Este obstáculo foi minimizado graças ao surgimento do EEG de alta resolução (Figura 1.9), que
possibilitou estimar com maior precisão a actividade cortical a partir de medições de EEG não invasivas,
Figura 1.6 – EEG realizado ao nível do escalpe
(Retirado de https://www.epilepsysociety.org.uk/what-
epilepsy#.Wk5Pit9l8uU).
11
utilizando um número elevado de eléctrodos no escalpe, modelos realistas da cabeça baseados em
imagens de Ressonância Magnética Estrutural, assim como metodologias de processamento
relacionadas com a solução do problema inverso.
Figura 1.9 – EEG de alta resolução.
Nos últimos anos tem havido grande expansão de métricas de conectividade, instrumentos matemáticos
que procuram quantificar o grau de correlação entre as séries temporais registadas da actividade de
várias áreas cerebrais. A validação empírica destas métricas encontra-se, no entanto, ainda nas fases
iniciais não sendo clara qual a metodologia mais adequada nos diversos contextos.
1.6 A conectividade funcional em EEG como uma medida da interacção
entre áreas funcionais cerebrais
A ideia de que o sono poderia ter uma função na regulação da conectividade entre diferentes redes
neuronais surgiu na sequência de evidências relacionando a actividade nas diferentes áreas cerebrais
com o tipo de aprendizagem efectuado na vigília prévia (Huber et al., 2004; Marshall et al., 2006). A
modulação da actividade sináptica associada à aprendizagem traduz-se, a nível macroscópico, na
modificação da sincronização entre a actividade intrínseca das redes neuronais envolvidas, o que origina
modificação da conectividade funcional entre elas. O estudo da conectividade funcional entre as
diferentes áreas cerebrais seria assim um correlato a nível das redes neuronais da plasticidade sináptica
a nível neuronal.
O estudo da conectividade funcional capitaliza no facto de as diversas redes neuronais apresentarem
oscilações intrínsecas que se correlacionam com o estado funcional (Schoffelen e Gross, 2009). Em
diversos estádios de activação, estas oscilações modificam em amplitude e frequência, podendo
apresentar fenómenos de sincronização temporal com outras redes neuronais. Estas sincronizações
12
transitórias entre redes neuronais parecem corresponder a períodos de troca de informação, com
importância crucial para compreender o funcionamento cerebral.
Na actualidade, o estudo da conectividade funcional em humanos efectua-se usando primariamente
registos neurofisiológicos (EEG e MEG) ou neuro vasculares (Ressonância Magnética), que pela sua
natureza não invasiva são adequados a estudos da dinâmica cerebral em condições ecologicamente
válidas.
1.7 Evidências do efeito da privação do sono na conectividade funcional dos
lobos frontais
Várias das funções executivas atribuídas aos lobos frontais encontram-se perturbadas de forma
proeminente durante a privação do sono, o que sugere uma interferência particularmente importante da
mesma no funcionamento destas regiões cerebrais.
A conectividade funcional dos lobos frontais é proeminente com a generalidade das áreas corticais
(Fuster, 2008), o que certamente se correlaciona com o referido controlo sobre a restante actividade
cerebral. Será, pois, expectável que a degradação cognitiva associada à privação do sono se relacione
com perturbações desta conectividade funcional. Permanece, no entanto, pouco claro se esta perturbação
se correlaciona com uma degradação difusa da conectividade ou se esta é selectiva para algumas
estruturas em particular. Na verdade, alguns estudos enfatizam a importância da conectividade funcional
entre os lobos frontais e as áreas parietais como especificamente relevantes (Cui et al., 2015), enquanto
outros evidenciam alterações mais difusas (Verweij et al., 2014).
Seria assim importante caracterizar a selectividade das alterações da conectividade funcional fronto-
parietal na degradação cognitiva associada à privação do sono, comparando nos mesmos indivíduos,
protocolos de avaliação do impacto da privação em diferentes aspectos da cognição.
13
2. OBJECTIVOS
O principal objectivo desta tese consiste em caracterizar o impacto da privação completa de uma noite
de sono na conectividade funcional entre os lobos frontais, os lobos parietais e as áreas visuais occipitais,
assim como no desempenho funcional durante a realização de uma tarefa experimental associada à
activação occipital e frontal.
Os objectivos secundários serão:
1. Avaliação do impacto da activação experimental na conectividade frontal.
2. Avaliação do efeito de uma sesta na recuperação funcional.
14
3. METODOLOGIA
3.1 Participantes
6 voluntários (5 homens e 1 mulher), de idades compreendidas entre os 25 e os 52 anos, participaram
neste estudo (Tabela 3.1). Eram adultos saudáveis com um ciclo de trabalho normalizado, bons hábitos
de sono, sem doenças neurológicas ou psiquiátricas e sem problemas associados ao sono. Na semana
anterior aos registos não foram reportadas alterações significativas dos hábitos de sono. Adicionalmente,
os voluntários negaram a utilização de medicação crónica, estimulantes ou álcool nas 24 horas anteriores
ao estudo, tendo preenchido um questionário breve - Escala de Epsworth (Johns, 1991) - para quantificar
o nível de sonolência antes de o iniciar.
Tabela 3.1 – Idade, sexo e profissões dos participantes.
Participante Idade Sexo Profissão
P1 52 Masculino Médico
P2 52 Feminino Médica
P3 25 Masculino Estudante
P4 34 Masculino Técnico Neurofisiologia
P5 51 Masculino Militar
P6 33 Masculino Técnico Neurofisiologia
3.2 Protocolo experimental
Cada participante submeteu-se a dois registos experimentais: um após uma noite de privação total de
sono (totalizando aproximadamente 34 horas de privação) e outro sem alteração do ritmo circadiano
individual. Os registos tiveram lugar durante a semana às 17 horas.
A tarefa experimental consistiu na aplicação de uma variante do protocolo Go-Nogo. que é
frequentemente utilizado em estudos de inibição de respostas, uma função executiva dos lobos frontais
que consiste na capacidade de um individuo suprimir uma resposta não adaptativa ou inapropriada.
Classicamente, este requer a execução de uma resposta motora a um estímulo frequente (Go) e a inibição
dessa resposta em face de um estímulo menos frequente (Nogo); na nossa variante é exigida uma
resposta motora ao estímulo Go e uma resposta motora alternativa ao estímulo Nogo.
O protocolo foi realizado juntamente com registo de EEG de alta resolução com 82 eléctrodos mais
electrocardiograma. Estes eléctrodos, constituídos por cloreto de prata, foram colocadas numa touca
contendo as 82 posições de amostragem no escalpe (Figura 3.1), correspondente ao mapa do sistema
10-10 mais os eléctrodos temporais inferiores. Seguidamente foi aplicado gel condutor e aferidas as
impedâncias de modo a obter valores inferiores a 5 KΩ em todos os eléctrodos.
A montagem utilizada nos registos foi a referencial, na qual se regista a diferença de potencial eléctrico
entre cada eléctrodo e uma referência comum, neste caso localizada sobre o lobo frontal (Fcz) (Figura
15
3.1). O eléctrodo de terra foi colocado 2 centímetros anterior ao eléctrodo AFz, igualmente sobre os
lobos frontais.
Os filtros definidos e aplicados a todos os canais de EEG durante a aquisição foram: passa-alto a DC e
passa-baixo a 200 Hz, que permite manter as variações dependentes de potenciais electrotónicos e
remover oscilações rápidas, por exemplo, causadas por ruído ou por eventos transientes de curta duração
sem relevância para a interpretação do EEG. A amostragem foi realizada a 1000 Hz.
Figura 3.1 – Montagem de EEG de alta resolução com 82 electrodos utilizada durante a realização da tarefa experimental. A
vermelho encontra-se destacada a referência utlizada nesta montagem (Fcz).
Os participantes encontravam-se confortavelmente sentados face a um monitor colocado a 1,5 metros
de distância em que se apresentavam estímulos visuais de forma sequencial, sendo solicitados a dar
respostas utilizando uma caixa com botões. Os estímulos apresentados eram números de 0 a 9, que
surgiam individualmente durante um período fixo que permitia uma fácil identificação (200
milissegundos) e com intervalos de tempo variáveis (entre 1200 e 1800 milissegundos). O voluntário
foi instruído a carregar o mais rapidamente possível num botão com o polegar esquerdo (botão 1),
aquando do aparecimento de qualquer número à excepção do número 0 e noutro botão com o polegar
direito (botão 2) quando surgisse o número 0 (o estímulo pouco frequente). As respostas eram registadas
como eventos no sistema de apresentação de estímulos (STIM), correspondendo a cada um dos tipos de
resposta dados (1’ para o botão 1 e 2’ para o botão 2).
16
Em cada avaliação, realizaram-se 6 sessões de estímulos. Cada sessão continha uma sequência diferente
de 300 números, sendo 20% deles o número 0. Após 3 sessões de respostas, os voluntários fizeram uma
sesta de 30 a 40 minutos, com manutenção do registo EEG, à qual se seguiam as restantes 3 sessões
(Figura 3.2).
Figura 3.2 – Sequência de eventos durante a avaliação experimental.
Foi igualmente registado o EEG no estado de repouso antes do início da tarefa experimental e após a
sesta, tendo-se pedido a cada participante que fechasse e abrisse os olhos durante certos períodos (Tabela
3.2), de modo a obter dados de referência para o cálculo da conectividade funcional.
OF
5 minutos
OA
30 seg.
OF
30 seg.
OA
30 seg.
OF
30 seg.
OA
30 seg.
Tabela 3.2 – Protocolo de fecho e abertura de olhos para medição do EEG em estado de repouso. OF - Olhos Fechados; OA –
Olhos Abertos.
3.3 Desenho do estudo
O design escolhido para o estudo seguiu o modelo cross-over, onde cada participante faz parte
simultaneamente do grupo de intervenção e do grupo de controlo, realizando duas avaliações espaçadas
no tempo.
A vantagem fundamental deste modelo é a redução da variabilidade entre o grupo de controlo e de
intervenção, o que permite a utilização de amostras mais pequenas, reduzindo os custos inerentes à
experiência e a sua duração.
As principais desvantagens são a possível permanência na segunda avaliação, de efeitos causados pela
intervenção prévia, assim como a aprendizagem adquirida nos testes realizados. Para minimizar estes
riscos, definiu-se um intervalo de, pelo menos, 3 semanas entre as avaliações do mesmo participante,
com a intervenção no sono a ser efectuada de forma contrabalançada, ou seja, metade dos participantes
realizaram a privação de sono aquando do primeiro registo, enquanto que os restantes a realizaram
apenas no segundo registo experimental.
17:00 h
17
3.4 Equipamento utilizado
Para esta tarefa experimental foi utilizado o sistema de apresentação de estímulos sensoriais e registo de
respostas STIM 2 (Compumedics - Neuroscan), que possibilitou a apresentação dos estímulos visuais e
recolha das respostas motoras. Este sistema encontrava-se conectado ao sistema de registo de EEG,
composto por um Electroencefalógrafo digital SYNAMPS 2 (Compumedics – Neuroscan) com 128
canais que possibilitava a inserção sincronizada de triggers sincronizados com o registo de EEG. O
programa utilizado para a visualização e registo do EEG foi o SCAN v. 4.5 (Compumedics -
Neuroscan).
3.5 Análise dos dados
3.5.1 Dados comportamentais
As variáveis comportamentais seleccionadas para análise foram: respostas certas (estímulo “0”, botão
2), respostas erradas (estímulo “0”, botão 1), tempo de reacção (em milissegundos) e respostas falhadas
(não carregar no botão).
Os dados recolhidos em cada registo foram concatenados em Excel em dois grupos, referentes às sessões
antes e após a sesta, sendo apenas considerados as respostas ao número 0. Seguidamente, foi
contabilizado o número total de respostas certas, erradas e falhadas, assim como os respectivos tempos
médios de reacção e desvios padrão de cada voluntário. Para o cálculo dos tempos de reacção, não foram
contabilizadas respostas inferiores a 100 milissegundos, consideradas como respostas antecipatórias,
nem respostas superiores a 1000 milissegundos, definido como sensivelmente o dobro do tempo máximo
de reacção obtido em registos preliminares (450 milissegundos).
3.5.2 Registo EEG
O processamento do registo de EEG decorreu de acordo com os seguintes passos:
1) Aplicação de um filtro passa-alto a 1 Hz sem alteração de fase, seguido de um filtro passa-baixo
de 70 Hz igualmente sem alteração;
2) Selecção e interpolação de canais com artefactos (se existissem);
3) Marcação e remoção de segmentos do traçado contendo artefactos;
4) Marcação dos artefactos causados pelo ECG e posterior remoção através da construção e
aplicação de um filtro espacial;
5) Marcação dos artefactos causados pelo EOG e posterior remoção através da construção e
aplicação de um filtro espacial;
18
O estadiamento do sono durante a sesta foi efectuada por análise visual em épocas de 30 segundos, de
acordo com os critérios definidos pelo Manual da Academia Americana de Medicina do Sono para o
Estadiamento do Sono e Eventos Associados (Berry et al., 2016).
3.6 Criação de segmentos para a conectividade
Para o cálculo da conectividade funcional, foram seleccionados segmentos de EEG com 30 segundos,
com o participante em repouso com os olhos fechados, em repouso com os olhos abertos e durante a
realização da segunda sessão de respostas, antes e após a sesta.
A primeira sessão foi excluída com vista a minimizar os efeitos adversos decorrentes da adaptação
inicial à tarefa experimental e à inércia do sono após a sesta, enquanto que a terceira sessão foi retirada
da análise de modo a reduzir o efeito provocado pelo desgaste acumulado, visto que, em condições de
privação de sono, o tempo despendido numa tarefa traduz-se, em geral, num desempenho cognitivo
progressivamente pior, independentemente da tarefa em questão (Durmer e Dinges, 2005).
Estas segmentos foram processados no software MATLAB R2015b utilizando a toolbox eConnectome
(He et al., 2011). Os canais contendo artefactos foram interpolados e calculou-se uma estimação do
potencial eléctrico na superfície cortical pela norma mínima (Schoffelen e Gross, 2009).
3.7 Determinação das regiões de interesse
As regiões de interesse (ROIs) (Figura 3.3) foram estabelecidas com base nos dados da literatura para
as áreas corticais activadas nas tarefas de Go-noGo e discriminação visual.
A tarefa experimental implementada requeria a discriminação de um estímulo visual, que trabalhos
prévios evidenciaram produzir activação de áreas visuais secundárias, localizadas na região occipital
inferior de ambos os hemisférios, pelo que as ROIs occipitais foram colocadas simetricamente nesta
área cortical. Por outro lado, as tarefas de inibição e selecção de respostas encontram-se associadas à
zona mesial dos lobos frontais, mais concretamente, à área pré-suplementar motora (Mostofsky e
Simmond, 2008), sendo assim as ROIs frontais colocadas simetricamente nesta região. As ROIs
parietais foram colocadas simetricamente na região lateral.
19
As ROIs são constituídas por áreas circulares na superfície cortical com diâmetros de 3 centímetros nos
lobos frontais e occipitais inferiores e de 2 centímetros nos lobos parietais.
3.8 Cálculo da conectividade funcional
A conectividade funcional entre as regiões de interesse foi estimada para as várias bandas de EEG
utilizando a métrica DTF (Direct Transfer Function) (Kaminski e Blinowska, 1991). Para cada
segmento de EEG foram analisadas as bandas delta (1 Hz – 4 Hz), teta (4 Hz – 7 Hz), alfa (8 Hz – 12
Hz) e beta (12 Hz - 30Hz) (Figura 3.4), tendo-se utilizado a toolbox eConnectome (He et al., 2011) para
calcular a DTF. A significância estatística das determinações foi determinada através de testes de
permutação (N = 1000, p < 0.05), utilizando o mesmo software.
Figura 3.4 – Bandas de EEG analisadas (Retirado de http://econtact.ca/14_2/ortiz_biofeedback.html).
Figura 3.3 – Regiões de interesse (construído com a toolbox eConnectome do software MATLAB R2015b).
20
Foram calculadas as conectividades entre as ROI dos lobos frontais, occipitais e parietais (Figura 3.5).
Apesar de as determinações terem sido efectuadas entre ROIs localizadas nos dois hemisférios, para
efeitos estatísticos seleccionaram-se os maiores valores de conectividade entre as ROIs frontais,
occipitais e parietais, independentemente da lateralidade das mesmas.
3.9 Análise estatística
Foi efectuada a análise estatística tendo em vista comparar as variações na conectividade entre as regiões
corticais de interesse sem e com privação de sono (objectivo principal), em repouso passivo vs execução
experimental (objectivo secundário), antes e após a sesta (objectivo secundário).
Para cada uma das comparações, foi efectuada uma ANOVA de 3 vias em que os factores foram: a
banda espectral do EEG (delta, teta, alfa e beta); pares de regiões de interesse (Fronto-Occipital,
Occipito-Frontal, Fronto-Parietal e Parieto-Frontal); execução da tarefa experimental / privação de sono
/ sesta.
Figura 3.5 – Representação das principais conectividades (esquerda) e matriz de todas as conectividades (direita) entre
as ROIs de um participante durante a realização da tarefa experimental. Cada número na matriz corresponde a uma
determinada região cerebral: 1- região frontal esquerda; 2 - região frontal direita; 3 – região parietal esquerda. 4 – região
parietal direita; 5- região occipital esquerda; 6 – região occipital direita. A matriz é lida no sentido ji. Os valores das
conectividades variam entre 0 (sem conectividade) e 1 (conectividade máxima). Construído com a toolbox
eConnectome do software MATLAB R2015b.
21
A variável independente foi a conectividade cortical. Foram efectuados testes de Tukey pós-hoc para
avaliar a significância estatística da diferença de médias individuais.
Foram efectuadas análises de correlação linear entre as variações de conectividade e a variação dos erros
comportamentais, com a privação de sono. O software usado para processamento estatístico foi o
OriginalLab Pro 2017.
22
4. RESULTADOS
4.1 Tarefas comportamentais
As tarefas experimentais do paradigma Go-Nogo foram executadas sem problemas, tendo havido uma
boa adesão dos participantes, assim como um número reduzido de respostas falhadas (Figura 4.1).
Os níveis de sonolência apurados aquando do seu início revelaram-se adequados, com os participantes
a registarem uma pontuação média na Escala de Epsworth de 4,8 (valor normal ≤ 10) após uma noite
normal e de 14,3 com privação de sono.
Figura 4.1 – Número de respostas certas, erradas e falhadas de cada participante sem e com privação de sono, antes da
realização de uma sesta.
O desempenho comportamental evidenciou que a proporção de respostas erradas de cada participante
possuía uma marcada variabilidade inter-individual, pelo que o efeito da privação foi avaliado
normalizando os erros segundo o valor sem privação (Figura 4.2 e Anexo 1).
117
174
112
134140
158
60
5
59
46
32
19
3 19
08
3
121
174
113122
113
149
50
6
67
54 51
30
90 0
4
16
1
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
P1 P2 P3 P4 P5 P6
Respostas comportamentais
Correctas sem privação Erradas sem privação Falhadas sem privação
Correctas com privação Erradas com privação Falhadas com privação
23
Figura 4.2 – Percentagem de erros cometidos por cada participante sem e com privação de sono.
Observou-se um aumento médio de 23% nos erros com a privação de sono sendo, no entanto, ainda
aparente apreciável variabilidade (Tabela 4.1), com um dos participantes a apresentar mesmo uma
redução dos erros após a privação (P1).
Tabela 4.1 – Percentagem de erros cometidos por participante sem e com privação de sono e respectiva variação.
Participante sem privação com privação Variação
P1 34% 29% -14%
P2 3% 3% 0%
P3 35% 37% 8%
P4 26% 31% 20%
P5 19% 31% 67%
P6 11% 17% 56%
Média 21% 25% 23%
34%
3%
35%
26%
19%
11%
29%
3%
37%
31% 31%
17%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
P1 P2 P3 P4 P5 P6
Erros sem e com privação de sono
sem privação
com privação
24
Sem privação de sono, o tempo de reacção médio para as respostas certas foi de 365 milissegundos, e
para as respostas erradas de 270 milissegundos. Após a privação, o tempo de reacção para respostas
certas foi de 363 milissegundos e para as erradas 262 milissegundos (Anexo 2).
A diferença das médias não atingiu significância estatística (p > 0,05) , não suportando assim a existência
de um efeito significativo da privação de sono nestas variáveis (Figura 4.3).
Figura 4.3 – Caixas de bigodes dos tempos de reacção.
Globalmente, os anteriores resultados evidenciam que a privação de uma noite de sono produziu a nível
do desempenho um aumento do número de erros, consentâneo com uma diminuição da capacidade de
monitorização, mas sem significativa modificação dos tempos de reacção nas respostas individuais.
Foram ainda analisados os erros cometidos antes e após a sesta. Os participantes dormiram em média
cerca de 19 minutos, encontrando-se 59,6 % do tempo em fase 1 do sono e 40,4 % em fase 2 (Figuras
4.4 e 4.5).
150
200
250
300
350
400
450
Correctos sem privação Correctos com privação Erros sem privação Erros com privação
Tempos de reacção sem e com privação de sono
25
Figura 4.4 – Hipnogramas das sestas realizadas, com tempo total e percentagem de fase 1 e 2 do sono de cada um dos
participantes com privação de sono. W- Vigília; 1 – fase 1; 2 – fase 2; 3 – fase 3.
sono 6,5 minutos
Fase 1 61,5%
Fase 2 38,5%
sono 20,5 minutos
Fase 1 80,5%
Fase 2 19,5%
Sono 27 minutos
Fase 1 20,4%
Fase 2 79,6%
sono 14,5 minutos
Fase 1 62,1%
Fase 2 37,9%
sono 16 minutos
Fase 1 90,6%
Fase 2 9,4%
sono 27 minutos
Fase 1 42,6%
Fase 2 57,4%
W
1
2
3
P3
W
1
2
3
P4
W
1
2
3
P6
W
1
2
3
P5
W
1
2
3
P1
W
1
2
3
P2
26
Figura 4.5 – Tempo total de sono e tempo decorrido nas diferentes fases do sono nas sestas realizadas pelos participantes com
privação.
Os erros cometidos antes e após a sesta nos participantes com privação de sono atingiram valores médios
de 25% e 23% respectivamente (Anexo 3), não suportando a existência de um efeito significativo da
sesta no desempenho dos participantes (p > 0,05).
4.2 Conectividade associada à tarefa experimental
A fim de avaliar o efeito da tarefa experimental na conectividade entre as áreas cerebrais seleccionadas,
efectuou-se uma ANOVA de três vias (Anexo 4), usando como factores as bandas espectrais (delta, teta,
alfa e beta), os pares de ROIs (OccipFront, FrontOccip, ParFront e FrontPar) e a condição experimental
(Passiva, Activa), sendo a variável independente a conectividade.
Esta análise evidenciou os seguintes resultados:
a) As médias das conectividades das bandas espectrais não são significativamente diferentes (p =
0,88), não sendo demonstráveis diferenças de conectividade ao nível das bandas;
b) As médias de conectividade entre ROIs são significativamente diferentes (p < 0,05), o que suporta
a existência de conectividades distintas entre as ROIs;
c) As médias de conectividade entre a condição passiva (repouso) e activa não são
significativamente diferentes (p = 0,68), o que sugere não existir variação relevante;
0
5
10
15
20
25
30
P1 P2 P3 P4 P5 P6
Tem
po
(m
inu
tos)
Tempos de sono total e suas fases
Sono Fase 1 Fase 2
27
O teste de Tukey para comparação de pares de médias evidencia que nas conectividades entre ROIs, as
postero-anteriores (Occipito-Frontal e Parieto-Frontal) são significativamente maiores que a antero-
posteriores (Fronto-Occipital e Fronto-Parietal) (p < 0,05).
A interacção da condição experimental (Passiva e Activa) com os pares de ROIs, (Figura 4.6), evidencia
que na condição activa as conectividades Parieto-Frontal, Fronto-Parietal e Fronto-Occipital diminuem
ligeiramente, aumentando somente a Occipito-Frontal. Adicionalmente, a comparação da conectividade
média Parieto-Frontal com a Occipito-Frontal na condição passiva é estatisticamente significativa (teste
Tukey), mas não significativa na condição activa.
Estes resultados suportam a existência de um aumento relativo da conectividade entre as áreas visuais
secundárias e as áreas meso-frontais com a realização da tarefa experimental visuo-motora.
Figura 4.6 – Conectividade dos pares de ROIs na condição passiva e activa.
4.3 Conectividade associada à privação do sono
Foi avaliado o efeito da privação de sono na conectividade entre as áreas cerebrais seleccionadas por
meio de uma ANOVA de 3 vias (Anexo 5), utilizando como factores as bandas espectrais (delta, teta,
alfa e beta), os pares de ROIs (OccipFront, FrontOccip, ParFront e FrontPar) e a condição experimental
(sem e com privação de sono), sendo a variável independente a conectividade.
Passiva Activa
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
Conecti
vid
ade
parROI
FrontOccip
OccipFront
FrontPar
ParFront
28
Obtiveram-se os seguintes resultados:
a) As médias de conectividade das bandas espectrais não são significativamente diferentes (p =
0,89), pelo que não existe diferenças entre bandas ao nível da conectividade;
b) As médias de conectividade dos pares de ROIs são significativamente diferentes (p < 0,05), o que
suporta a existência de conectividades distintas entre ROIs;
c) As médias de conectividade globais sem e com privação de sono são significativamente diferentes
(p < 0,05), logo a privação influencia os níveis de conectividade entre as diferentes áreas
cerebrais;
O teste de Tukey evidencia que nas conectividades entre ROIs, as conectividades postero-anteriores são
significativamente maiores do que as antero-posteriores (p < 0,05). A conectividade Parieto-Frontal é
significativamente maior que a Occipito-Frontal (p < 0,05), porém não existe diferença significativa
entre as conectividades antero-posteriores (p > 0,05). A interacção entre as conectividades dos pares de
ROIs evidencia uma tendência geral de aumento da conectividade com a privação, com a conectividade
Parieto-Frontal a registar o maior aumento (Figura 4.7).
Efectuando uma comparação das médias das conectividades Parieto-Frontal e Occipito-Frontal antes e
após privação (teste de Tukey), apenas se observa uma diferença estatisticamente significativa com a
privação, suportando a existência de um aumento relativo da conectividade Parieto-Frontal em relação
à Occipito-Frontal com a privação de sono.
Figura 4.7 – Conectividade dos pares de ROIs sem e com privação de sono.
sem com
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
Conec
tivid
ade
Privação
parROI
FrontOccip
OccipFront
FrontPar
ParFront
29
Verificou-se também a relação entre os erros cometidos durante a tarefa experimental e as
conectividades mais elevadas antes e após a privação de sono, nomeadamente a conectividade Occipito-
Frontal e Parieto-Frontal, através de análise de correlação linear. A conectividade Occipito-Frontal não
apresentou qualquer correlação significativa com os erros cometidos (r de Pearson = - 0.01) (Figura
4.8), ao passo que a conectividade Parieto-Frontal apresentou uma correlação negativa (r de Pearson =
- 0.643) (Figura 4.9).
Estes resultados evidenciam que o aumento selectivo desta conectividade com a privação do sono está
associado a uma menor percentagem de erros, com os participantes que registaram menores acréscimos
de erros com a privação do sono, a ser os que mais aumentaram a conectividade Parieto-Frontal.
Figura 4.8 – Correlação entre o aumento de erros em privação de sono e a conectividade Occipito-Frontal.
-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6
0,0
0,5
Vari
ação
da c
on
ecti
vid
ad
e O
ccip
Fro
nt
Erros
Equation y = a + b*x
Plot OccipFront Conect var
Weight No Weighting
Intercept 0,05263 ± 0,20267
Slope -0,01149 ± 0,54449
Residual Sum of Squares 0,61227
Pearson's r -0,01055
R-Square(COD) 1,11364E-4
Adj. R-Square -0,24986
30
Figura 4.9 – Correlação entre o aumento de erros em privação de sono e a conectividade Parieto-Frontal.
4.4 Conectividade associada à sesta
Foi avaliado o efeito de uma sesta na conectividade entre as áreas cerebrais seleccionadas por meio de
uma ANOVA de 3 vias (Anexo 6), utilizando como factores as bandas espectrais (delta, teta, alfa e beta),
os pares de ROIs (OccipFront, FrontOccip, ParFront e FrontPar) e a condição experimental (antes e após
a sesta), sendo a variável independente a conectividade.
Obtiveram-se os seguintes resultados:
a) As médias de conectividade das bandas espectrais não são significativamente diferentes entre si
(p = 0,92), pelo que não existe diferenças entre bandas ao nível da conectividade;
b) As médias de conectividade dos pares de ROIs são significativamente diferentes (p < 0,05) sendo
assim a especificidade dos ROIs um factor relevante para a variação da conectividade;
c) As médias de conectividade globais antes e após a sesta não são significativamente diferentes (p
= 0,44), logo a sesta não aparenta influenciar a conectividade global entre as diferentes áreas
cerebrais.
-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6
0,0
0,5V
ari
ação
da c
on
ecti
vid
ad
e P
arF
ron
t
Erros
Equation y = a + b*x
Plot ParFront Conect var
Weight No Weighting
Intercept 0,32262 ± 0,14411
Slope -0,65154 ± 0,38715
Residual Sum of Squares 0,30955
Pearson's r -0,64384
R-Square(COD) 0,41453
Adj. R-Square 0,26816
31
O teste de Tukey evidencia que as conectividades postero-anteriores são significativamente maiores que
as antero-posteriores nas duas condições experimentais (p < 0,05). Adicionalmente, a conectividade
Parieto-Frontal é significativamente maior que a Occipito-Frontal antes da realização da sesta (p < 0,05).
A interacção da condição experimental (antes e após a sesta) com os pares de ROIs, (Figura 4.10),
evidencia que a conectividade Parieto-Frontal é a que regista a maior variação, diminuindo após a sesta.
No entanto, a mesma não atinge significância estatística (p > 0,05).
Figura 4.10 – Conectividade dos pares de ROIs antes e depois da sesta.
Efectuando uma comparação das médias das conectividades Parieto-Frontal e Occipito-Frontal antes e
após a sesta (teste de Tukey) apenas se observa uma diferença estatisticamente significativa antes da
sesta, verificando-se uma diminuição selectiva da conectividade Parieto-Frontal em relação à Occipito-
Frontal. A sesta parece assim provocar uma variação inversa à da privação de sono na conectividade
Parieto-Frontal.
pre pos
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
Co
necti
vid
ade
Sesta
parROI
FrontOccip
OccipFront
FrontPar
ParFront
32
5. DISCUSSÃO
O nosso estudo pretendeu analisar os efeitos de uma noite de privação total de sono no desempenho
comportamental e conectividade cerebral utilizando um protocolo Go-Nogo contendo uma resposta
motora alternativa ao estímulo Nogo. Esta é uma tarefa simples e robusta, permitindo, neste caso, não
só avaliar a capacidade de inibir uma resposta inapropriada, mas também de iniciar uma resposta
alternativa.
A curta duração da privação de sono (aproximadamente 34 horas) permitiu apenas uma pequena
interferência da sonolência no estado de vigília dos participantes, sendo adequada para uma boa
execução do protocolo proposto. Estudos envolvendo longas privações de sono (> 45 horas) registam
frequentemente perturbações como micro-sonos ou ataques de sono, revelando uma maior variabilidade
ao nível da performance cognitiva, que se traduz por um aumento do número de lapsos (erros de
omissão) e erros de comissão (efectuar a resposta motora habitual ao estímulo Nogo) (Durmer e Dinges,
2005). Esta variabilidade intra-individual é provavelmente consequência de uma instabilidade no estado
de vigília (Doran et al., 2001), que ocorre quando mecanismos homeostáticos de iniciação do sono
interferem na vigília, sendo dependente da severidade da privação de sono. Neste contexto, o
desempenho cognitivo torna-se cada vez mais variável e dependente de mecanismos compensatórios
como manter-se em pé (Patrick e Gilbert, 1896) ou até incentivos monetários (Horne e Pettite, 1985).
Outro aspecto relevante prende-se com a existência de diferenças inter-individuais na vulnerabilidade
aos efeitos decrementais provocados pela privação de sono. Apesar das mesmas se encontrarem
identificadas há bastante tempo (Wilkinson, 1961), apenas nos últimos 15 anos surgiram evidências
demonstrando que estas diferenças são estáveis e provavelmente constituirão uma característica pessoal
que permanece ao longo do tempo (Leproult et al., 2003; Van Dongen et al., 2004). Adicionalmente,
um estudo preliminar usando ressonância magnética funcional BOLD numa tarefa de memória de
trabalho sugeriu que indivíduos vulneráveis à privação de sono apresentam padrões de activação
cerebral diferentes de indivíduos resistentes, quer a um nível basal, quer após privação de sono (Mu et
al., 2005a). O modelo crossover adoptado no nosso estudo visou minimizar este efeito, com o grupo de
intervenção e o grupo de controlo a serem constituídos pelos mesmos participantes.
5.1 Desempenho comportamental
5.1.1 Efeito da tarefa comportamental
Após uma noite normal de sono, verificou-se que a realização da tarefa comportamental gerou uma
variabilidade acentuada ao nível dos erros de comissão cometidos. No entanto, a proporção média deste
tipo de erros encontra-se em linha com outro estudo analisando uma privação de sono de duração similar
(Drummond et al., 2006). Por outro lado, os tempos de reação obtidos apresentam igualmente uma certa
variabilidade, sendo que as respostas certas são, em média, mais lentas que os erros cometidos. Este
resultado é expectável pois os erros são resultantes de uma incapacidade de inibir uma resposta
automática a um estímulo frequente, a qual será mais rápida que a resposta alternativa, dada após um
estímulo pouco frequente.
33
5.1.2 Efeito da privação de sono
É reconhecido que a privação de sono provoca deficiências de desempenho em tarefas requerendo
processos cognitivos simples como testes de tempos de reacção, que envolvem geralmente medidas de
atenção, vigilância ou memória declarativa (Durmer e Dinges, 2005). Um exemplo paradigmático é a
tarefa de vigilância psicomotora, a qual requer atenção contínua de modo a detectar a ocorrência de
estímulos aleatórios.
Este tipo de testes, exigentes em atenção, têm-se revelado como uma medida segura e sensível da
privação de sono. Por outro lado, processos cognitivos mais complexos envolvendo funções executivas
como a inibição de respostas, apresentam resultados inconsistentes. Um estudo utilizando a tarefa Stroop
para medir a capacidade de inibir uma resposta prepotente revelou que a privação de sono não provocou
alterações no desempenho (Sagaspe et al., 2006), todavia estudos que mediram esta função executiva
aplicando uma tarefa Go-Nogo observaram uma diminuição do desempenho após a privação de sono
(Drummond et al., 2006; Chuah et al., 2006).
Os nossos resultados demonstraram que uma noite com privação total de sono provocou um aumento
médio do número de erros de comissão cometidos na realização desta tarefa, em linha com estudos
similares que registam um aumento significativo deste tipo de erros após aproximadamente 24 horas de
privação de sono (Drummond et al., 2006; Chuah et al., 2006).
Analisamos igualmente os tempos de reacção das respostas certas ao estímulo Nogo (o número 0). O
nosso objectivo consistia em perceber se a privação de sono afectava significativamente a rapidez com
que era realizada uma resposta motora alternativa. Os resultados demonstram que tal não sucede, com
os participantes a alterarem a sua resposta à mesma velocidade, independentemente de terem dormido
na noite anterior. Adicionalmente, verificamos que os erros de comissão também não apresentaram
diferenças a este nível.
5.1.3 Efeito da sesta
Vários estudos têm demonstrado que sestas diurnas de curta duração (inferiores a 30 minutos) têm um
efeito benéfico na manutenção dos níveis de vigília durante o dia e no desempenho cognitivo (Gillberg
et al., 1996; Hiyashi et al, 1999; Takahashi e Arito, 2000). Contrariamente, sestas longas nestes
contextos estão associadas a perda de produtividade e a inércia do sono (Lubin et al., 1976), a qual
ocorre logo após o indivíduo acordar e se traduz numa lentificação no desempenho de várias tarefas
cognitivas, sendo a sua severidade dependente do tipo de tarefa realizada (Tassi e Muzet, 2000).
Os nossos resultados mostraram que a sesta não provocou alterações significativas na eficácia dos
participantes. No contexto da inibição de respostas, um estudo recente realizado em pessoas que dormem
sestas regulares de 30-40 minutos evidenciou que a ausência das mesmas provocava um aumento
significativo de erros numa tarefa Go-Nogo independentemente do nível de dificuldade aplicada (Ru et
al., 2017). A ausência de significância dos nossos resultados pode dever-se à hora a que a sesta foi
realizada. Os participantes dormiram a sesta por volta das 17:30, 1 hora e meia depois da hora
34
considerada óptima para a realização da mesma (15 horas) (Dhand e Sohal, 2006), contribuindo
possivelmente para a ocorrência de períodos de sono mais curtos e menos profundos, reduzindo o efeito
benéfico da mesma.
5.2 Conectividade entre áreas cerebrais
5.2.1 Efeito da tarefa experimental
A realização da tarefa experimental provocou um aumento selectivo da conectividade entre as regiões
occipitais inferiores e as regiões situadas nas áreas pré-motoras da zona mesial dos lobos frontais quando
comparado com a variação da conectividade Parieto-Frontal. As regiões occipitais fazem parte de áreas
corticais de associação visual que rodeiam o córtex visual primário, sendo responsáveis pela
interpretação de sinais e reconhecimento da sua forma, enquanto que as áreas da zona mesial fazem
parte da Área Pré-suplementar Motora, que aparenta ser fundamental para a preparação e selecção de
respostas, incluindo seleccionar a inibição de uma resposta motora.
Evidências electrofisiológicas, imagiológicas e envolvendo lesões cerebrais têm demonstrado a
importância desta área cerebral na inibição de respostas. Em 1994, Lim e os seus colaboradores
revelaram que a aplicação de estimulação eléctrica de baixa intensidade na Área Pré-suplementar
Motora provocava uma supressão da actividade motora. Observações em estudos de ressonância
magnética funcional empregando a tarefa Go-Nogo, registam frequentemente activações desta área
associadas a situações de inibição (Garavan et al., 2006; Mostofsky et al., 2003), distinguindo, no
entanto. a actividade relacionada com a resposta automática (Go) localizada na Área Suplementar
Motora, da referente à inibição de resposta (Nogo) presente na Área Pré-suplementar Motora (Mostofsky
et al., 2003). Por último, estudos envolvendo a análise de lesões cerebrais têm associado um aumento
no número de erros de comissão a lesões na Área Pré-suplementar Motora (Drewe, 1975; Picton et al.,
2007).
Medições electrofisiológicas também realçam a importância desta área cerebral na selecção de respostas.
Em 2007, Isoda e Hikosaka verificaram que, numa tarefa de selecção de respostas em macacos Rhesus
que exigia a mudança de uma resposta automática para outra mais controlada, esta área cerebral era
sempre activada independentemente do tipo de resposta dado. No entanto, a ocorrência de respostas
incorrectas provocava uma activação mais tardia, sugerindo que esta ocorria demasiado tarde para
prevenir as mesmas. Adicionalmente, estes autores observaram que, ao aplicar microestimulação na
Área Pré-suplementar Motora aquando do aparecimento do aviso, a mudança de resposta era facilitada,
indicando que uma activação imediata desta área cerebral será essencial para a selecção de uma resposta
apropriada.
O aumento da conectividade Occipito-Frontal em relação ao estado de repouso no nosso protocolo Go-
Nogo com resposta alternativa é assim compatível com as evidências conhecidas para o papel das duas
regiões neste tipo de tarefa experimental.
35
5.2.2 Efeito da privação de sono
A privação de sono provocou um marcado aumento da conectividade Parieto-Frontal em relação à
Occipito-Frontal, originando uma diferença significativa entre os valores destas conectividades.
Adicionalmente, a variação da conectividade Parieto-Frontal encontra-se negativamente correlacionada
com a percentagem de erros de comissão cometidos, ou seja, os participantes com privação de sono que
conseguem aumentar mais esta conectividade, obtêm um menor número de respostas erradas. O reforço
da conectividade Parieto-Frontal parece assim funcionar como um mecanismo compensatório dos
efeitos da privação de sono na capacidade de monitorização dos lobos frontais.
A activação das regiões frontais e parietais é particularmente susceptível à privação de sono em tarefas
de memória de trabalho (Chee e Choo, 2004; Choo et al., 2005, Chee et al., 2006), com diminuições
mais acentuadas a nível do córtex parietal (Mu et al., 2005b). Além disso, a magnitude de activação
destas regiões no estado de repouso é aparentemente preditivo de um declínio no desempenho na
realização das tarefas (Mu et al., 2005a; Chee et al., 2006), assim como do modo como as regiões
respondem em privação de sono (Lythe et al., 2012). Neste âmbito, a região frontal apresenta
variabilidade no nível de activação durante o desempenho em privação de sono reflectindo
provavelmente um mecanismo compensatório (Chee et al., 2006).
No contexto de inibição de respostas, observa-se um efeito semelhante a nível da região frontal. Em
2006, Chuah e os seus colaboradores, utilizaram ressonância magnética funcional para mostrar que 24
horas de privação de sono resultavam num decréscimo da actividade tónica decorrente da realização de
uma tarefa Go-Nogo, nas regiões pré-frontais anterior e ventral. No entanto, verificaram que quando
ocorriam inibições bem-sucedidas, surgiam activações fásicas no córtex pré-frontal ventrolateral direito,
que variavam de acordo com a eficiência inibitória dos indivíduos. Uma maior eficiência aparentava
estar relacionada com uma maior capacidade de recrutar esta área cerebral, actuando assim como um
mecanismo compensatório à privação de sono em indivíduos menos vulneráveis à mesma. Por outro
lado, os indivíduos vulneráveis registavam uma maior activação basal nessa região, sugerindo que tal
seria necessário para apresentarem um desempenho satisfatório na tarefa Go-Nogo.
Mais recentemente, a análise da conectividade anatómica tem suportado a importância das regiões
frontais e parietais no desempenho comportamental em privação de sono. Em 2015, Cui e os seus
colaboradores, utilizando Tensor de difusão e Tractografia probabilística verificaram que a integridade
da microestrutura dos feixes de fibras de matéria branca que conectam as regiões frontais e parietais se
encontrava positivamente correlacionada com a resistência dos indivíduos à privação de sono, não
observando qualquer outra correlação com feixes de fibras presentes noutras regiões cerebrais.
Os nossos resultados apontam para um mecanismo compensatório semelhante ao nível da inibição de
respostas, no qual estas regiões frontais e parietais apresentam uma maior conectividade entre si nos
participantes menos vulneráveis à privação de sono, fazendo com que mantenham aproximadamente o
mesmo nível de eficácia na realização da tarefa experimental.
36
5.2.3 Efeito da sesta
A realização de uma sesta provocou uma diminuição da conectividade Parieto-Frontal, reduzindo
significativamente a sua diferença em relação à conectividade Occipito-Frontal.
Este resultado possui especial relevância, pois parece indicar uma diminuição do reforço desta
conectividade em comparação com a Occipito-Frontal, sugerindo que após uma sesta, os participantes
menos vulneráveis à privação de sono necessitam de um menor aumento da conectividade Parieto-
Frontal, de modo a manter o mesmo nível de eficácia na realização da tarefa experimental.
37
6. CONCLUSÕES
A realização da tarefa experimental revelou uma elevada variabilidade no desempenho dos participantes,
após uma noite de privação total de sono, observando-se uma tendência marcada de diminuição da
eficácia (aumento dos erros de comissão), mas não dos tempos de reacção.
No que concerne à conectividade funcional, os participantes que apresentaram um menor declínio no
desempenho após a privação de sono, registaram maiores aumentos da conectividade Parieto-Frontal
em comparação com as restantes conectividades, sugerindo a existência de um mecanismo
compensatório em relação ao efeito produzido pela privação de sono.
Neste contexto, a realização de uma sesta não produziu efeitos relevantes no desempenho dos
participantes, verificando-se, todavia, uma redução da conectividade Parieto-Frontal, indicando que os
participantes menos vulneráveis à privação de sono necessitam de um menor reforço desta conectividade
após uma sesta, de modo a manter aproximadamente o nível de eficácia.
38
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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8. ANEXOS
Anexo 1 – Percentagem de erros cometidos sem e com privação de sono e respectiva normalização antes da sesta.
Participante sem privação com privação Normalização
P1 33,9% 29,2% -13,7%
P2 3,0% 3,0% 0,0%
P3 34,5% 37,2% 7,9%
P4 25,6% 30,7% 20,1%
P5 18,6% 31,1% 67,1%
P6 10,7% 16,8% 56,1%
Média 21,0% 24,7% 22,9%
Anexo 2 – Tempos de reacção (em milissegundos) das respostas correctas, erradas e respectivos desvios-padrões
dos participantes sem e com privação de sono. TR – tempo de reacção; DP – desvio-padrão.
Sem Privação
Média TR correcta (ms) DP Média TR errada (ms) DP
P1 398,97 48,73 239,85 46,55
P2 332,12 56,34 310,00 56,24
P3 328,08 51,56 199,86 41,69
P4 355,88 58,80 278,46 34,33
P5 391,38 65,91 332,56 83,06
P6 382,91 62,38 258,63 87,92
Média 364,89 57,29 269,89 58,30
46
Com Privação
Média TR correcta (ms) DP Média TR errada (ms) DP
P1 398,10 54,96 259,84 93,16
P2 319,65 48,05 280,67 37,63
P3 320,02 43,86 202,71 26,15
P4 379,98 75,34 288,13 33,64
P5 378,47 75,12 289,80 82,53
P6 380,53 70,89 252,57 62,27
Média 362,79 61,37 262,29 55,90
Anexo 3 – Percentagem de erros cometidos pelos participantes com privação de sono antes e após a sesta.
Participante Pré-sesta Pós-sesta Diferença
P1 29,2% 27,0% -2,3%
P2 3,3% 4,4% 1,1%
P3 37,2% 33,5% -3,7%
P4 30,7% 30,1% -0,6%
P5 31,1% 27,5% -3,6%
P6 16,8% 15,0% -1,7%
Média 25% 23% -2%
Desvio-Padrão 12% 11% 2%
47
Anexo 4 – Anova de três vias para o efeito da tarefa experimental sobre a conectividade das regiões cerebrais seleccionadas.
FreqRange – bandas espectrais; parROI – pares de ROI; passiva/activa – condição passiva e activa; DF – graus de liberdade.
DF Sum of Squares Mean Square F Value P Value
FreqRange 3 0,03156 0,01052 0,22893 0,87615
parROI 3 3,88191 1,29397 28,15874 1,13E-14
Passiva/Activa 1 0,00801 0,00801 0,17427 0,6769
FreqRange * parROI 9 0,22928 0,02548 0,55438 0,83258
FreqRange *
Passiva/Activa 3 0,04596 0,01532 0,3334 0,8012
parROI *
Passiva/Activa 3 0,20555 0,06852 1,491 0,21905
FreqRange * parROI *
Passiva/Activa 9 0,10618 0,0118 0,25675 0,98479
Model 31 4,50845 0,14543 3,16486 1,21E-06
Error 160 7,35243 0,04595 0 0
Corrected Total 191 11,86088 0 0 0
Anexo 5 – Anova de três vias para o efeito da privação de sono sobre a conectividade das regiões cerebrais seleccionadas.
FreqRange – bandas espectrais; parROI – pares de ROI; DF – graus de liberdade.
DF Sum of Squares Mean Square F Value P Value
FreqRange 3 0,03278 0,01093 0,20966 0,8896
parROI 3 5,54402 1,84801 35,45989 0
Privacao 1 0,25085 0,25085 4,81339 0,02968
FreqRange * parROI 9 0,3004 0,03338 0,64046 0,76118
FreqRange * Privacao 3 0,01879 0,00626 0,12021 0,94811
parROI * Privacao 3 0,1685 0,05617 1,07775 0,36023
FreqRange * parROI *
Privacao 9 0,14015 0,01557 0,29881 0,97421
Model 31 6,4555 0,20824 3,99578 4,11E-09
Error 160 8,33847 0,05212 0 0
Corrected Total 191 14,79397 0 0 0
48
Anexo 6 – Anova de três vias para o efeito da sesta sobre a conectividade das regiões cerebrais seleccionadas. FreqRange –
bandas espectrais; parROI – pares de ROI; DF – graus de liberdade.
DF Sum of
Squares
Mean
Square F Value P Value
FreqRange 3 0,02909 0,0097 0,16228 0,9216
parROI 3 5,94396 1,98132 33,15924 1,11E-16
Sesta 1 0,03521 0,03521 0,58924 0,44384
FreqRange * parROI 9 0,25663 0,02851 0,47722 0,88836
FreqRange * Sesta 3 0,02705 0,00902 0,1509 0,92899
parROI * Sesta 3 0,24223 0,08074 1,35131 0,25975
FreqRange * parROI
* Sesta 9 0,10021 0,01113 0,18635 0,99532
Model 31 6,63438 0,21401 3,5817 6,90E-08
Error 160 9,56027 0,05975 0 0
Corrected Total 191 16,19465 0 0 0
49
Anexo 7 – Parecer da Comissão Científica e Pedagógica do Centro Hospitalar Psiquiátrico de Lisboa.