Escolas Internacionais de Inverno IFGW
Relat´rio de Neurof´
o
ısica
Juliana Cougo
25 de Julho 2013
Sum´rio
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1 Introdu¸˜o
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2 Teoria
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2.1 Espectroscopia Optica de Difus˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...
Cap´
ıtulo 1

Introdu¸˜o
ca
A existˆncia de um acoplamento entre uma determinada atividade neuronal, fluxo sangu´
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ıneo e
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W = γBo.

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Cap´
ıtulo 2

Teoria
2.1

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Espectroscopia Optica de Difus˜o
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A espectroscopia ´ptica de difus˜o (DOS) permite inferir i...
concentra¸˜o total de hemoglobina [THC], a satura¸˜o de oxigˆnio do tecido St O2 e a fra¸˜o de exca
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tra¸˜o de oxig...
Cap´
ıtulo 3

Experimento
O Experimento refere-se a apn´ia na parte frontal do c´rebro, ao qual selecionamos dois instante...
λ = 690nm
30.22 s −→ 0.1419cm−1
75.49s −→ 0.1359cm−1
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30.22 s −→ 7.7964cm−1
75.49s −→ 8.5408cm−1
µa
30.22 s −→ 11.5038cm...
Figura 3.1: Gr´ficos que mostram a amplitude e fase espalhada em fun¸˜o da distˆncia
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Referˆncias Bibliogr´ficas
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[1] MESQUITA, Rickson Coelho. Desenvolvimento de M´todos Opticos para o Estudo do
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Acopla...
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Relatorio de Neurofísica - Escolas de Inverno do IFGW 2013

  1. 1. Escolas Internacionais de Inverno IFGW Relat´rio de Neurof´ o ısica Juliana Cougo 25 de Julho 2013
  2. 2. Sum´rio a 1 Introdu¸˜o ca 2 2 Teoria ´ 2.1 Espectroscopia Optica de Difus˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a 2.2 Aplica¸˜o ao Tecido Biol´gico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ca o 2.3 Modelo Geom´trico Infinito, com uma Fonte de Luz Modulada na Frequˆncia . . . e e 4 4 4 5 3 Experimento 6 Referˆncias Bibliogr´ficas e a 9 1
  3. 3. Cap´ ıtulo 1 Introdu¸˜o ca A existˆncia de um acoplamento entre uma determinada atividade neuronal, fluxo sangu´ e ıneo e oxigena¸˜o relativamente bem conhecida. A explica¸˜o aceita para tal ´ a libera¸˜o sin´ptica ca ca e ca a associada com a comunica¸˜o neuronal, que inicia uma cadeia de processos e resultam em varia¸˜es ca co na vasculatura e na concentra¸˜o de hemoglobina. A natureza deste acoplamento, conhecido como ca neuro-metab´lico-vascular, contudo, ´ um assunto pouco entendido e de grande debate nos dias de o e hoje. Embora os mecanismos que conectam ativa¸˜o neuronal e a fisiologia cerebral sejam ainda ca objeto de intensa pesquisa, ´ bem sabido que ativa¸˜o neuronal leva a um aumento no consumo e ca de ATP (adenosina trifosfato), o que implica em um aumento na demanda por glicose e oxigˆnio. e Para suprir a necessidade desses substratos b´sicos, ocorre uma eleva¸˜o do n´ a ca ıvel de perfus˜o a local, ou seja, um aumento localizado de atividade neuronal leva a um aumento local no volume e no fluxo de sangue . Essas altera¸˜es fisiol´gicas associadas ´ atividade cerebral acabam sendo co o a fundamentais para a RMf em raz˜o das propriedades magn´ticas da hemoglobina (Hb), componente a e do sangue respons´vel pelo transporte e difus˜o de oxigˆnio no n´ celular. O que ocorre ´ que, a a e ıvel e ao atravessar a rede de vasos capilares, a oxihemoglobina (hemoglobina carregando oxigˆnio) libera e O2, transformando se em desoxihemoglobina (dHb), cujas propriedades paramagn´ticas atuam no e sentido de refor¸ar localmente os efeitos do campo magn´tico externo. Portanto, naquelas regi˜es c e o do cerebro em que se d´ momentaneamente uma atividade neuronal mais elevada, a passagem de a hemoglobina do estado HbO2 para dHb ´ tamb´m mais pronunciada, levando a um s´bito aumento e e u da concentra¸˜o local de dHb. Para suprir esse d´ficit momentˆneo de O2, ocorre um aumento ca e a no volume e no fluxo sangu´ ıneo locais, o que leva a uma posterior diminu¸˜oo na concentra¸˜o ca ca de dHb em rela¸˜o ao n´ basal. Essas altera¸˜es na concentra¸˜o de dHb funcionam como um ca ıvel co ca agente de contraste end´geno, permitindo a gera¸˜o de imagens funcionais. A Espectroscopia no o ca infravermelho pr´ximo (NIRS) e tomografia ´ptica de difus˜o (DOT) s˜o t´cnicas muito utilizadas o o a a e para o estudo do c´rebro humano utilizando a luz laser com comprimentos de onda entre 650 e e 950 nm, isto permite penetrar at´ alguns cent´ e ımetros no tecido biol´gico atingindo o cortex e o interagindo com o oxi e deoxi-hemoglobina do sangue cerebral. Ent˜o, se mede a intensidade da a luz que emerge do crˆnio usando detectores que s˜o colocados sobre o escalpo, a varia¸˜o do n´ a a ca ıvel de oxigena¸˜o do tecido cerebral, que permite localizar regi˜es de ativa¸˜o no c´rebro. Atrav´s ca o ca e e destas t´cnicas n´s podemos ter uma melhor compreens˜o do acoplamento neuro-vascular das e o a flutua¸˜es neurofisiol´gicas e da hemodinˆmica cerebral, sendo que isto serve tamb´m de motiva¸˜o co o a e ca a sua aplica¸˜o a outros m´todos de neuroimagem, principalmente com a ressonˆncia magn´tica ca e a e funcional (fMRI) atrav´s de abordagem multimodais. e A ressonˆncia magn´tica funcional se destaca como um das t´cnicas de IRM que vem permitindo a e e explorar fun¸˜es cerebrais como a mem´ria, linguagem e controle da matricidade. co o As propriedades de ressonˆncia magn´tica tˆm origem na intera¸˜o entre um ´tomo e um campo a e e ca a magn´tico externo, de forma mais exata ´ um fenomeno em que part´ e e ıculas contendo momento angular e momento magn´tico exibem um movimento de precess˜o quando est˜o sob a a¸˜o de e a a ca um campo magn´tico. Na tentativa de alinhamento com o campo, e por possuir o spin, surge e um segundo movimento chamado de precess˜o. A analogia com um pi˜o sob a a¸˜o do campo a a ca gravitacional ´ valida para entendermos este movimento. Sob a¸˜o de um campo magn´tico, os e ca e pr´tons de hidrogˆnio ir˜o precessar a uma frequˆncia w determinada pela equa¸˜o de Larmor. o e a e ca 2
  4. 4. W = γBo. 3
  5. 5. Cap´ ıtulo 2 Teoria 2.1 ´ Espectroscopia Optica de Difus˜o a A espectroscopia ´ptica de difus˜o (DOS) permite inferir informa¸˜es sobre a oxigena¸˜o microo a co ca vascular nas regi˜es do tecido coberta pelo arranjo ptico. Com isso, ´ poss´ detectar varia¸˜es o e ıvel co fisiol´gicas de origem vascular, bem como relacion´-las com disfun¸˜es fisiol´gicas tais como heo a co o morragias, isquemias e tumores. De forma geral, a intensidade de luz detectada pode ser utilizada para determinar o coeficiente de absor¸˜o do meio (ou sua varia¸˜o). No caso do tecido ca ca biol´gico, na regi˜o do infra-vermelho pr´ximo, o coeficiente de absor¸˜o depende prioritariao a o ca mente de dois crom´foros: a oxi-hemoglobina, mol´cula de hemoglobina ligada a uma mol´cula de o e e oxigˆnio (HbO2), e a deoxi-hemoglobina, mol´cula de hemoglobina sem a presen¸a de uma mol´cula e e c e de oxigˆnio (Hb). Desta forma, se medirmos a intensidade de luz para pelo menos dois comprie mentos de onda diferentes, podemos separar as contribui¸˜es dos dois crom´foros e determinar as co o concentra¸˜es de HbO2 e Hb no tecido (ou suas varia¸˜es). Em s´ co co ıntese a espectroscopia ´ptica de o difus˜o consiste em irradiar luz em meios densos, como os tecidos biol´gicos, e medir a intensia o dade da luz espalhada. De tal modo, torna-se poss´ inferir acerca das propriedades ´pticas que ıvel o comp˜em o meio, tais como, os coeficientes de absor¸˜o e de espalhamento reduzido, ´ partir da o ca a compara¸˜o entre a teoria e a amplitude da luz medida. Tais coeficientes est˜o relacionados com as ca a concentra¸˜es das mol´culas absorvedoras e espalhadoras no meio. A estimativa dos coeficientes de co e absor¸˜o e espalhamento se d´ invertendo o caminho apresentado at´ ent˜o. Ou seja, medindo-se ca a e a a fluˆncia e com o uso da equa¸˜o da difus˜o dos f´tons para meios semi-infinitos estima-se os e ca a o coeficientes, o que difere do sugerido at´ o momento, onde dados os coeficientes encontrava-se a e fluˆncia. e 2.2 Aplica¸˜o ao Tecido Biol´gico ca o Os conceitos apresentados anteriormente podem ser facilmente aplicados a tecidos biol´gicos, que o s˜o considerados meios densos por terem o coeficiente de espalhamento reduzido muito maior que o a coeficiente de absor¸˜o. Tais coeficientes, por sua vez, podem ser relacionados com as propriedades ca das mol´culas que comp˜em o meio. O coeficiente de absor¸˜o, ent˜o, ´ proporcional ´ concene o ca a e a tra¸˜o de part´ ca ıculas no tecido, cuja somat´ria ´ apresentada anteriormente. J´ o coeficiente de o e a espalhamento reduzido ´ proporcional a densidade e ao tamanho de tais part´ e ´ ıculas, representadas pelas constantes A e B, tamb´m mostrado anteriormente. Tratando-se da regi˜o do infravermee a lho pr´ximo, dois crom´foros s˜o os principais absorvedores no tecido: a oxi-hemoglobina (Hb o o a O2) e a deoxi-hemoglobina (Hb), que contribuir˜o para o coeficiente de absor¸˜o medido, onde a a ca quantidade relativa que cada crom´foro contribui depende de seus coeficientes de extin¸˜o e de o ca sua concentra¸˜o. O coeficiente de absor¸˜o reduzido ir´ depender do tecido a ser estudado, j´ ca ca a a que est´ relacionado com a densidade e tamanho das part´ a ıculas constituintes do meio. Os dados devem ser obtidos, portanto, atrav´s de no m´ e ınimo dois comprimentos de onda incididos,a fim de se estimar duas vari´veis. Combinando as concentra¸˜es [Hb O2] e [Hb] de oxi-hemoglobina e a co de deoxi-hemoglobina, ´ poss´ saber o volume de sangue da amostra. Assim, obt´m-se ent˜o a e ıvel e a 4
  6. 6. concentra¸˜o total de hemoglobina [THC], a satura¸˜o de oxigˆnio do tecido St O2 e a fra¸˜o de exca ca e ca tra¸˜o de oxigˆnio OEF. A concentra¸˜o total de hemoglobina [THC] correlaciona-se estritamente ca e ca com a contagem de hem´cias ou gl´bulos vermelhos do sangue. A satura¸˜o de oxigˆnio St O2 , por a o ca e sua vez, ´ determinada pelo consumo de oxigˆnio pelos tecidos. J´ a fra¸˜o de extra¸˜o de oxigˆnio, e e a ca ca e ´ OEF , ´ a porcentagem de oxigˆnio ofertada que ´ extra´ na utiliza¸˜o pelos tecidos. E poss´ e e e ıda ca ıvel correlacionar esses valores com algumas informa¸˜es pr´vias para se extrair informa¸˜es cl´ co e co ınicas, segundo o tecido irradiado. Ou seja, diante dos valores obtidos torna-se poss´ concluir acerca ıvel das propriedades fisiol´gicas dos tecidos, tais como a vasculariza¸˜o e locais de maior atividade. o ca 2.3 Modelo Geom´trico Infinito, com uma Fonte de Luz Moe dulada na Frequˆncia e 2 ¯ φ(s, t) − νµa + S(r) = ∂dφ ∂dt ¯ S(r, t) = S(r − 0)eiwt S(r, t) = φ(reiwt ) 2 D 2 2 φ(r)eiwt ) − νµφ(reiwt + S(reiwt ) = iwtφ(reiwt ) φ(r) − (νµa + iwφ(r)D = −S(r) D φ(r) + Ko2 φ(r) = S(r) Ko2 = (νµa + iwφ(r)D 2 2 2 2 2 Ko2 = (Kor + iKoi )2 = Kor = Kor + 2iKor Koi − Koi = (Kor − Koi + i(2Kor Koi ) Ko2 = 2 νµa D + iw D 2 (Kor − Koi ) i(2Ko2 K r Koi ) (2.1) 5
  7. 7. Cap´ ıtulo 3 Experimento O Experimento refere-se a apn´ia na parte frontal do c´rebro, ao qual selecionamos dois instantes e e diferentes referidos nos gr´ficos (um instante durante o primeiro minuto (repouso) e outro instante a durante o per´ ıodo de tarefa, Mostramos o comportamento da amplitude e fase espalhada, em fun¸˜o da distˆncia em rela¸˜o a fonte. Sabe-se que a forma da resposta hemodinˆmica varia de ca a ca a acordo com a amplitude, da dura¸˜o e freqˆncia do est´ ca e ımulo aplicado. At´ mesmo a natureza do e est´ ımulo interfere no tipo de resposta vascular para satisfazer as varia¸˜es dos neurˆnios. co o A partir dos gr´ficos que obtivemos com os dados do experimento no podemos calcular as partes a real e imagin´ria do n´mero de onda da onda espalhada no tecido. a u λ = 690nm Kor µs 30.22 s −→ 1.8469 ± 0.51 75.49s −→ 1.894 ± 0.51 Koi µa 30.22 s −→ 0.8132 ± 0.08 75.49s −→ 0.3009 ± 0.05 λ = 850nm Kor µs 30.22 s −→ 1.9286 ± 0.24 75.49s −→ 1.9355 ± 0.24 Koi µa 30.22 s −→ 0.2281 ± 0.02 75.49s −→ 0.2257 ± 0.02 λ = 850nm µs 30.22 s −→ 0.1064cm−1 75.49s −→ 0.1069cm−1 µa 6
  8. 8. λ = 690nm 30.22 s −→ 0.1419cm−1 75.49s −→ 0.1359cm−1 µs 30.22 s −→ 7.7964cm−1 75.49s −→ 8.5408cm−1 µa 30.22 s −→ 11.5038cm−1 75.49s −→ 11.57cm−1 µ(λ1) = Hb(λ)[Hb] + HbO2(λ1)[HbO2] µ(λ2) = Hb(λ2)[Hb] + HbO2(λ2)[HbO2] [Hb](t=30.22 s) = 0.00457 [HbO2](t=30.22 s) = 0.00124 [Hb](t=75.49 s) = 0.00453 [HbO2](t=75.49 s) = 0.00129 THC = [HbO2] + [Hb] (3.1) O Corpo ´ composto de 80% de ´gua. e a w = 2Kor Koi −→ w3µs = 2vKor Koi D µs = 2vKor Koi 3(2πf ) n = CV 1.33 = 3 108 V v = 2.26 108 cm s f = 110 MHz = 1.1 (108 ) cm s (3.2) 7
  9. 9. Figura 3.1: Gr´ficos que mostram a amplitude e fase espalhada em fun¸˜o da distˆncia a ca a 8
  10. 10. Referˆncias Bibliogr´ficas e a ´ [1] MESQUITA, Rickson Coelho. Desenvolvimento de M´todos Opticos para o Estudo do e Acoplamento-neurovacuslar-metab´lico Intr´ o ınseco ´ Dinˆmica Cerebral.. Campinas, S˜o Paulo a a a 2009. ´ [2] MALANDRIN, Poliana.Aplica¸˜es de Optica de Difus˜o no tratamento do Cˆncer de Mama. co a a Campinas, S˜o Paulo 2013. a [3] MESQUITA R. C. and YODH A. G. Diffuse Optics: Fundamentals Tissue Applications. Societ´ Italiana di Fisica, Department of Physics Astronomy, University of Pennsylvania, 209 a South 33rd Street, Philadelphia, PA 19104-6396, USA. [4] MESQUITA R. C. and Covolan R. J. M. Estudo Funcional do C´rebro atrav´s de NIRS e e e ´ Tomografia Optica de Difus˜o. Grupo de Neurof´ a ısica, Instituto de F´ ısica “Gleb Wataghin”, Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP,13083-970, Campinas, SP, Brasil. [5] MAZZOLA A. A. Ressonˆncia magn´tica: princ´ a e ıpios de forma¸˜o da imagem e aplica¸˜es em ca co imagem funcional. Revista Brasileira de F´ ısica M´dica. 2009;3(1):117-29. e [6] COVOLAN R., Dr´ulio B. de Ara´jo, Antonio Carlos dos Santos e Fernando Cendes. RESa u ˆ ´ ˜ ´ SONANCIA MAGNETICA FUNCIONAL: AS FUNCOES DO CEREBRO REVELADAS POR SPINS NUCLEARES. Cienc. Cult. vol.56 no.1 S˜o Paulo Jan./Mar. 2004. a [7] http://latexbr.blogspot.com 9

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