A guide for functional magnetic resonance imaging

Abstract

The brain is the most amazingly powerful and complex organ in the human body. Constituted by approximately 86 billion of highly interconnected neurons, it allows us to have unique cognitive capabilities, such as language production and comprehension, memory, judgement and problem solving, or even experience feelings. The full understanding of the organization and functioning of the human brain is receiving increasing attention but remains an exciting challenge for all neuroscientists. To assist in this quest, fMRI stands as a safe and powerful non-invasive neuroimaging tool providing high visualization quality of the location of activity in the brain resulting from, for example, sensory stimulation, cognitive or motor function, or even resting state fluctuations, being then widely used for mapping the human brain. It allows the study of how the healthy brain works, how it is affected by different diseases, how it recovers from damage and how drugs can modulate activity or post-lesion recovery. Starting purely as a research tool, fMRI was quickly adopted for clinical purposes and has now a growing role in clinical neuroimaging. Constantly gaining increased popularity among clinicians and researchers, fMRI is presently a promising tool for studying the brain function in living humans. However, it has a complex workflow that implicates knowledge of paradigm design, imaging artifacts, complex MRI protocol definition, a multitude of preprocessing and analysis methods in several software packages, statistical analyzes, and in results interpretation. In addition, fMRI data can be analyzed with a large quantity of commonly used tools, with minor consensuses on how, when, or whether to apply each one. This dissertation aims to compile a practical guide of crucial information and essential references to consider in setting up fMRI studies, optimizing data quality, and interpreting results. All the major stages are covered with the aim to ultimately help the fMRI beginner researcher, clinician to consider and overcome the most significant difficulties along the process and expand the use of this imaging technique. To validate this guide two examples of fMRI studies were analyzed, with real data, obtaining results according to similar studies literature.

O cérebro é o órgão mais poderoso e complexo do corpo humano. Constituído por aproximadamente 86 mil milhões de neurões altamente interligados, confere-nos capacidades cognitivas únicas, tais como a criação e compreensão de linguagem, formação de memória, resolução de problemas, ou experienciar sentimentos. O conhecimento profundo da organização e funcionamento do cérebro humano continua a ser um desafio para os neurocientistas, apesar da crescente atenção que tem recebido. Para auxiliar na pesquisa deste conhecimento, a Imagem por Ressonância Magnética funcional (IRMf) posiciona-se como uma poderosa ferramenta que para além de ser segura, é não-invasiva e proporciona visualizações de alta qualidade das localizações de actividade cerebral resultante de, por exemplo, estimulação sensorial, função cognitiva, ou até mesmo de fluctuações em repouso, sendo por isso amplamente utilizada para o mapeamento do cérebro humano. Permite desta forma o estudo do funcionamento do cérebro saudável, de como é afectado por diferentes doenças, como recupera de lesões, e como fármacos influenciam a actividade cerebral e recuperação de lesões. Apesar de começar por ser uma ferramenta usada para investigação, a IRMf foi rapidamente adoptada para aplicações clínicas, tendo agora uma crescente importância em neuroimagem clínica. Ganhando crescente popularidade entre médicos e investigadores, IRMf é neste momento uma ferramenta muito promissora no estudo in-vivo do funcionamento do cérebro em humanos. Contudo implica um conhecimento e domínio do seu fluxo de trabalho, nomeadamente desenho do paradigma, artefactos de imagem, definição de protocolos complexos de IRM, uma multitude de métodos de pré-processamento e análise estatística, e finalmente na interpretação dos resultados. Tudo isto usando uma ampla colecção de diferentes softwares, sem que haja consenso em quais são os mais adequados. Esta dissertação tem como objectivo compilar um guia prático contendo a informação crucial e referencias essenciais à definição, optimização e interpretação de estudos de IRMf. Todas as principais etapas estão cobertas de forma a auxiliar os principiantes em IRMf a considerar e ultrapassar as principais dificuldades normalmente encontradas e assim expandir a utilização desta técnica de imagem médica. Para validar este guia, dois exemplos de estudos de IRMf foram analisados com dados reais e foram obtidos resultados de acordo com os de estudos semelhantes já publicados.