Neural correlates of perceptual decision and categorization : implications for basic science and clinical research

Abstract

Basic and Clinical Neuroscience are two mutually dependent multidisciplinary fields and it is the flow of information and knowledge between both that stimulates scientific advance. The work compiled in this thesis is yet another contribution for this intertwining, by mainly studying perceptual decision and visual categorization in the human brain while focusing on possible implications for the treatment of patients with Temporal Lobe Epilepsy or TLE. However, the path here travelled starts with a pure methodological study that aims at improving the mapping of interictal spikes in TLE. In fact, it is only by understanding the limitations of currently available methodology that one can address the basic science questions which answers may also help circumvent clinical problems. We approach the mapping of interictal epileptiform discharges (IEDs), abnormal electrical events that happen between epileptic seizures, not by the development of a new tool but by the optimization and combination of the existent ones. The mapping of interictal spikes in epilepsy is an especially difficult topic because these events are comprised of fast propagating and non-independent activity. In the tested framework, we combined a blind source separation technique named Independent Component Analysis (ICA) with a source localization algorithm that retains advantages of both high and low-resolution current density reconstructions. In addition to simulated data through which we validated the approach, we investigated the clinical question of confirming the involvement of the frontal lobe in the TLE epileptic network. We obtained promising results. First, by successfully localizing and extracting the timecourse of activation for the simulated sources. Then, by confirming our clinical hypothesis. The contribution of neuroimaging techniques in the field of epilepsy is not restricted to the mapping of interictal events, which is a crucial step in the pre-operative work for epilepsy surgery. Another important application that bloomed in recent years is that of functional brain mapping. In short, a subject is placed inside a Magnetic Resonance Imaging (MRI) scanner, and performs a sequence of tasks while data is being collected. Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) is a neuroimaging technique that explores magnetic properties of the changes in cerebral blood flow that indirectly accompanies neuronal activation. By statistically correlating these changes with task times, fMRI is able to identify the brain areas that underlie the execution of a given task, thereby, in its simplest version, assigning function to location. Thus, this technique has been used in epileptic patients mainly to map language, motor and memory functions in each individual, for a better planning of resection areas and projection of the post-operative impairment. In this thesis, we propose that these mapping batteries should be augmented to include the mapping of high-level visual networks, namely category-preferring networks (face, body, object and place-preferring networks). This procedure can be particularly informative in posterior brain epilepsies, in which mapping the epileptic foci remains a difficult exercise because none of the available methods (reports of clinical manifestations, neurological examination, EEG assessment and neuropsychological evaluations) provides sufficient information about the area of onset, and the fast spread of paroxysms often produces mixed features of occipital, temporal and parietal related symptoms. Epileptic foci mapping has already been shown to benefit from such characterization using category-selective visual evoked potentials (the N170, elicited by face stimuli). Therefore it is natural to foresee the benefit of assessing this topic with the flexibility and improved spatial resolution of fMRI. Despite almost two decades of fMRI studies concerning category-preferring visual networks, a standard methodology for their reliable and robust definition in each individual has not yet been obtained. The work here presented thus turns to cognitive neuroscience, hoping to contribute to a more thorough understanding of category-preferring networks which will allow maximizing the benefit of using visual localizers in the pre-operative mapping of epilepsy. A number of authors have already explored the impact of changing the stimuli, the duration, the contrasts and the statistical thresholds used in visual localizer studies. We opted for an emerging complementary approach, which attempts to integrate anatomical information with the consistent spatial relations to other category-preferring visual areas of different categories. We used anatomical information, spatial relations and response profiles across categories to disentangle face-preferring patches in the lateral occipitotemporal cortex, a region where many selective patches co-exist and inconsistent results have been reported. We identified a patch on the posterior continuation of the Superior Temporal Sulcus (STS) that is dissociable from the classically reported STS activation to faces. Yet another way to build on the current knowledge concerning category-preferring networks is by assessing their modulation with endogenous decision- related rather than exogenous factors, i.e., manipulating task-goals and perceptual demands arising from top-down processes rather than relying on passive responses to changes in the simple features extracted by bottom-up processing. To this end, we designed visually ambiguous long-trial perceptual decision-making paradigms through the use of impoverished images. Our paradigm was based on the slow rotation of these images until the subject suddenly perceived the content occluded in it, allowing us to compare pre-perceptual and post-perceptual states on these networks. Furthermore, other features of experimental design (see Chapter 5) allowed us to separate sensory, decision-making and motor response processes. Prior to the intended characterization of visual category-preferring networks with these tasks, and in order to establish parallels to other perceptual decision-making areas, we used the paradigms to clarify the neural correlates of the decision-making architecture. We mainly focused on the insular/frontal operculum complex, to which many different roles have been assigned. This is not without due cause. We managed to prove the existence of multiple sub-divisions inside this complex, with the anterior insula being related to evidence accumulation, mid-insula/operculum being linked to decision-signaling and posterior insula participating in response execution. The modulations of selectivity and other properties of category-preferring visual networks are reported in our last study (Chapter 6). We concluded that category-preferring networks also participate in the perception of their non-preferred categories, with the notable exceptions of the STS and the parahippocampal place area, which is selective for places and scenes. We functionally dissociated the Fusiform Face Area and Occipital Face Area, two of the most important nodes in the face-network, by evidencing a coupling of the latter to demanding visual search computations while the former had no such link, being involved in post-perception analysis. Overall, we believe that this thesis, by exploring methodological, basic cognitive neuroscience, and brain mapping issues with a potential for clinical application in epilepsy, has contributed to shorten the gap that still exists between fundamental and applied biomedical science.

As neurociências básica e clínica são dois campos multidisciplinares em que a troca recíproca de informação e conhecimento estimula o avanço científico. Ao estudar os correlatos neuronais da decisão percetual e categorização visual ao mesmo tempo que se foca em possíveis aplicações na epilepsia do lobo temporal, o trabalho compilado nesta tese contribui para o reforçar desta ligação entre os dois tópicos. No entanto, o caminho aqui percorrido começa com um estudo essencialmente metodológico que visa melhorar o mapeamento das descargas interictais na epilepsia do lobo temporal. Na verdade, só através do entendimento das limitações da metodologia atual poderemos avaliar as questões de neurociência básica cujas respostas podem também contribuir para a resolução de problemas clínicos. Abordamos o mapeamento das descargas interictais epileptiformes, descargas elétricas anormais que ocorrem entre crises epiléticas, não através do desenvolvimento de uma nova ferramenta mas sim pela combinação e otimização de duas já existentes. Este mapeamento é particularmente difícil uma vez que os eventos interictais se caracterizam por atividade que se propaga rapidamente entre diferentes focos, gerando manifestações neuroelétricas no escalpe que não são independentes. Na abordagem testada, combinámos uma técnica de separação de fontes chamada Análise por Componentes Independentes com um algoritmo de localização de fontes que reúne as vantagens das reconstruções de densidade de corrente de alta e baixa resolução. Para além de simulações através das quais validámos a nossa abordagem, investigámos também como questão clínica o envolvimento do lobo frontal na rede epilética da epilepsia de lobo temporal. Os resultados obtidos foram prometedores: primeiro, pelo sucesso na localização e extração da trajetória temporal das fontes simuladas. Depois, pela confirmação da hipótese clínica em análise. A contribuição das técnicas de neuroimagem no campo da epilepsia não se limita ao mapeamento das descargas interictais, um dos passos cruciais no trabalho que precede a intervenção cirúrgica. Outra aplicação essencial que tem florescido nos anos mais recentes diz respeito ao mapeamento cerebral funcional. Em resumo, neste procedimento o paciente é colocado num scanner de ressonância magnética e executa uma sequência de tarefas ao mesmo tempo que se recolhem dados. A ressonância magnética funcional é uma técnica de neuroimagem que explora as diferentes propriedades magnéticas do fluxo sanguíneo cerebral indiretamente ligado à atividade neuronal. Pela correlação estatística das diferenças nestes dados com os tempos de execução das tarefas, a ressonância magnética funcional consegue, na sua forma mais simples, identificar as áreas responsáveis pelas ditas tarefas, estabelecendo uma correspondência entre anatomia e função. Assim sendo, esta técnica é usada nos pacientes com epilepsia primariamente como forma de mapear as redes neuronais que estão na base de funções de linguagem, motoras e de memória, com vista a excluí-las se possível das áreas de ressecção e perceber realisticamente o impacto pós-operatório no perfil cognitivo do doente. Nesta tese, propomos que esta bateria de testes deveria ser aumentada pela inclusão do mapeamento das redes visuais de alto-nível, nomeadamente redes de processamento visual preferencial de categorias específicas, como caras, corpos, objetos e locais. A informação daqui proveniente será particularmente benéfica para a avaliação de epilepsias do córtex posterior, nas quais o mapeamento dos focos é ainda uma tarefa difícil dado que nenhum dos métodos disponíveis (relatórios de manifestações clínicas, exames neurológicos, avaliação neuropsicológica e EEG) proporciona informação suficiente acerca da zona de início, e a rápida propagação dos paroxismos frequentemente produz sintomas relacionados com os lobos temporal, occipital e parietal. Alguns autores reportaram já melhorias na localização do mapeamento dos focos epiléticos conseguidas através do uso de potenciais evocados específicos de uma categoria (N170, potencial evocado por faces). Deste modo, os benefícios associados ao uso destes paradigmas numa técnica de maior flexibilidade e superior resolução espacial como é o caso da ressonância magnética funcional são fáceis de prever. Apesar de quase duas décadas de estudos de ressonância magnética funcional sobre as redes visuais que privilegiam o processamento de uma categoria principal, ainda não se estabeleceu uma metodologia comum para a sua definição fiável e robusta em cada pessoa. O trabalho aqui reportado debruça-se desta forma na neurociência cognitiva, na esperança de contribuir para um entendimento mais profundo de tais redes que permita maximizar o benefício associado ao uso de localizadores visuais na avaliação pré-operatória em pacientes com epilepsia. O impacto de alterar os estímulos, a duração, o contraste e os limites estatísticos associados aos localizadores visuais já foi alvo de avaliação por outros grupos de investigação. Aqui, optámos por uma abordagem complementar, emergente na literatura, que se propõe a integrar a informação anatómica com as relações espaciais consistentes a outras áreas do mesmo foro visual de alto nível mas com respostas preferenciais para outras categorias. Juntámos ainda a esta informação a caracterização dos perfis de resposta de cada região a várias categorias com vista à separação das áreas corticais preferenciais para faces que se incluem no cortex lateral occipitotemporal, uma região na qual se verifica uma multiplicidade de áreas com processamento preferencial e alguma inconsistência de resultados. Esta estratégia permitiu-nos identificar uma região na continuação do sulco temporal superior (STS) dissociável da zona de ativação para faces classicamente associada ao STS. Uma outra maneira de expandir a caracterização das redes visuais preferenciais é pela modulação da sua atividade por fatores endógenos em oposição aos exógenos, i.e., pela manipulação das tarefas e requisitos percetuais em vez da simples quantificação do incremento ou decremento na atividade das regiões por reação passiva às mudanças nas propriedades básicas dos estímulos. Com este intuito, construímos paradigmas de longa duração que induzem ambiguidade percetual por meio de imagens com informação limitada, como é o caso das imagens Mooney, constituídas por jogos de sombras a preto e branco. O nosso paradigma baseia-se na rotação lenta destas imagens até que o observador subitamente percebe o seu conteúdo. Este procedimento permite-nos a comparação dos períodos pré e pós-percetuais nestas redes visuais. Para além disso, outras propriedades do nosso paradigma experimental (ver Capítulo 5) permitiram-nos separar os processos sensoriais e motores dos de pura decisão. Previamente à caracterização pretendida das redes visuais preferenciais para categorias específicas, e para que se pudessem estabelecer paralelos com as restantes áreas envolvidas na decisão, usámos estes paradigmas para clarificar os correlatos neuronais da arquitetura cerebral para a tomada de decisões percetuais. O foco deste estudo foi no complexo insula/opérculo frontal, um dos módulos menos compreendidos, uma vez que já lhe foram afetas várias funções neste contexto. A origem desta variabilidade ficou patente nos nossos resultados, ao provarmos a existência de várias subdivisões neste complexo. Estabelecemos uma ligação da ínsula anterior à função de acumulador, enquanto que o opérculo frontal e a porção da ínsula que lhe é adjacente se relacionam com mecanismos mais puros de decisão e da sua sinalização à restante rede. A ínsula posterior acarreta funções relacionadas com a execução das respostas associadas à decisão. A modulação da seletividade e outras propriedades dinâmicas das redes visuais preferenciais são reportadas no nosso último estudo (Capítulo 6). Concluímos que as redes preferenciais para categorias específicas também participam na perceção das suas categorias não-preferidas, com as importantes exceções do STS e da região do giro parahipocamapal preferencial para locais e cenas. Obtivemos também uma dissociação funcional entre dois dos nós mais importantes da rede de processamento de faces, a área de faces fusiforme e a área de faces occipital. Conseguimo-lo ao mostrar que esta última está particularmente envolvida em computações de busca visual em condições adversas e exigentes, enquanto que a primeira não é envolvida neste tipo processamento, favorecendo análises pós-percetuais. Em suma, acreditamos que esta tese, por exploração da metodologia de EEG, neurociência cognitiva e tópicos de mapeamento cerebral com vista à aplicação clínica na epilepsia do lobo temporal, contribuiu para encurtar a distância que ainda existe entre a ciência biomédica aplicada e fundamental.