Mecanismos neurais subjacentes aos efeitos Forbrain®: uma proposta de pesquisa

por Carles Escera, PhD, Professor
Diretor do Instituto do Cérebro, Cognição e Comportamento (IR3C)
Departamento de Psiquiatria e Clínica de Psicobiologia da Universidade de Barcelona (info)

Carles Escera

 

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Extrato :

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State-of-the-art

Forbrain® é um dispositivo de fácil utilização, que implementa um condutor de osso e uma série de filtros dinâmicos para dar ao utilizador o retorno da sua própria voz, de uma forma que é pensada para melhorar a sua percepção, optimizando todos os componentes do loop áudio-vocal. É considerado como um produto que pode melhorar a fala, fluência, memória, concentração, coordenação e muitas outras funções sensoriais, resultando em vários ajustes no domínio psicológico (cognitivo) / emocional.

A utilização de um condutor de osso pelo dispositivo Forbrain® aumenta as possibilidades de manipulação e apresentação de estímulos de uma forma sem precedentes, resultando em novas possibilidades de enriquecimento do ambiente acústico. Através da condução óssea (vibração óssea), a onda de som que se propaga atinge o ouvido interno, induz uma onda viajando na membrana basilar e estimula a cóclea pelos mesmos mecanismos da condução aérea normal (Stenfelt et al., 2003). Desta forma, a cóclea, a sua membrana basilar e a codificação do sinal de som recebido num impulso neural, é um gargalo através do qual tanto o ar conduzido como a condução óssea convergem no seu caminho para o sistema auditivo central (Stenfelt et al., 2003 ; 2005). Se a amplitude e fase de um som particular são ajustados de forma adequada, o seu sinal coclear deve ser anulado. Portanto, através do filtro dinâmico implementado pelo Forbrain®, mudanças inesperadas e aleatórias no sinal de condução óssea são introduzidos que podem, eventualmente, anular ou distorcer com o sinal de condução aérea para os mesmos sons, resultando em inesperadas, raras e potencialmente surpreendentes mudanças no sinal auditivo.

No que diz respeito ao Forbrain® e como um factor crítico para ser levado em consideração, devemos realçar que a cóclea, a sua membrana basilar e a codificação do sinal de som recebido num impulso neural, pode ser considerado como um gargalo, através do qual os sons, tanto conduzidos por via aérea ou óssea, convergem no seu caminho, através do sistema auditivo central (Stenfelt et al., 2003;. 2005). Assim, se a amplitude e fase de um som particular são ajustados de forma adequada, o seu sinal coclear deve ser cancelado. Isso já foi observado acidentalmente por von Békésy por um tom de 0,4 kHz nos humanos, e, posteriormente replicada em animais e humanos nas faixas de 0,1 a 15 kHz de frequência (Wever e Lawrence, 1954; Khanna et al., 1976). Isto é importante porque, através do filtro dinâmico implementado no Forbrain®, alterações imprevisíveis e aleatórias no sinal transmitido via óssea podem, eventualmente, anular, ou pelo menos modificar substancialmente com o sinal de condução aérea para os mesmos sons (isto é, o proferido pelo utilizador, que atinge o canal aéreo, e o emitido pelo canal ósseo após a modificado pelos filtros Forbrain® resultando em mudanças inesperadas, raras e potencialmente surpreendentes no sinal auditivo que é finalmente “transducido” na cóclea e transportado para o centro do sistema auditivo)

Propõe-se aqui que, de facto, Forbrain® pode induzir alterações plásticas no sistema nervoso central, por, pelo menos, dois mecanismos neurais independentes mas relacionados: 1) desafiando o circuito áudio-vocal através do sinal de voz modificado levando a um ambiente acústico enriquecido originando plasticidade auditiva e 2), forçando a uma série de mecanismos de execução de controle de atenção, para lidar com os sinais de atenção involuntários provocados pelos inputs de fala que não combinam. O resultado final de todos estes processos, pode ser o reforço dos mecanismos de execução de controlo da atenção, resultando numa melhor concentração, numa mais forte resistência à distração, em melhorias na capacidade de memória de trabalho e na sensação de estar mais concentrado.

Em comparação com muitos outros métodos de treino e reabilitação de capacidades comunicativas, melhoria da linguagem e desenvolvimento cognitivo, Forbrain® tem a vantagem de, embora ser necessário falar em voz alta e seguir um determinado plano de exercícios, impor muito poucas exigencias ao utilizador. Na verdade, ao passo que outros métodos exigem a realização de determinado nível de desempenho numa série de exercícios que são estruturados de forma progressiva e de dificuldade crescente ao longo de várias semanas, os exercícios Forbrain® são adaptados pela motivação, comprometimento e vontade de seguir com o treino por parte do utilizador, sem maiores constrangimentos. Esta é obviamente uma vantagem competitiva forte.

Agora e criticamente, se o input "natural" de voz esperado via canal aéreo é manipulado por fornecimento "artificial" (o "extra" de feedback condução óssea) e, portanto, de input "inesperado" através do canal ósseo, as previsões sensoriais desencadeadas pela cópia eferente são, portanto, violadas, resultando em ajustes necessários ao modelo de expectativa sensorial. Este modelo de violação, por um input inesperado, resulta necessáriamente num desafio de atenção, à medida que o sistema auditivo identifica o sinal de entrada como "desviante", "raro" ou "inesperado", resultando numa mudança involuntária da atenção (Escera et al., 1998). Na realidade, um grande conjunto de evidências indica que estímulos auditivos novos ou inesperados, promovem uma mudança de atenção involuntária em direção ao estímulo recebido, resultando em distração comportamental da tarefa primária em curso e num ajuste concomitante da atividade cerebral na rede neural subjacente (ver comentários em Escera et al., 2000;. Escera e Corral, 2007; ver também, em baixo, a secção de captura da atenção e resposta orientada). Assim, em situações de feedback auditivo através da condução óssea, poder-se-ia esperar submeter o sistema auditivo a um regime de desafio constante, através de estímulos novos ou inesperados, impondo uma alta dose de procura de atenção. Além disso, em segundo lugar, a implementação do filtro introduz manipulações de frequência e temporais na voz emitida, de forma a que se afaste ainda mais o sinal obtido a partir da sua cópia eferente, aumentando, ainda mais, o desafio de atenção trazido por Forbrain®.

O circuito (loop) áudio-vocal

A utilização dos filtros dinâmicos altera o sinal de fala do utilizador, que é então enviado de volta através de um condutor ósseo e difere da descarga (cópia eferente) dos sons planeados. Estes refinados ajustes das forças no circuito áudio-vocal, podem ser considerados como um enriquecimento da avaliação científica do Forbrain® - 2. ambiente acústico levando à plasticidade auditiva. O sistema vocal (motor) envia uma cópia eferente ou, descarga do som produzido intencionalmente, de forma a que a codificação do input auditivo resultante dos sons auto-produzidos é atenuada no sistema auditivo (Aliu et al., 2008; veja Wolpert et al., 1995;. Crapse e Sommer, 2008; Scott, 2013).

Está devidamente estabelecido que, o córtex auditivo pode sofrer alterações plásticas em resposta a sons comportamentalmente relevantes (Fritz et al., 2005;. Nelken, 2009), tais como aqueles que estão condicionados por recompensas ou penalizações em experiências com animais. O que parece ser crítico, para induzir estas alterações plásticas é a importância comportamental do estímulo. Um exemplo gritante desta propriedade do sistema auditivo é o visto no cérebro dos músicos, que mostram grandes diferenças anatómicas e funcionais em comparação com não-músicos (Zatorre, 2013). No entanto, a plasticidade auditiva não foi vista apenas em condições ativas. Por exemplo, Eggermont e colegas demonstraram, em gatos, que a exposição passiva a longo prazo a um ambiente acústico de espectro melhorado, produz uma reorganização massiva do mapa tonotópico no córtex auditivo (Noreña et al., 2006;. Pienkowski e Eggermont, 2012). Também em humanos, a plasticidade cerebral induzida pela audição musical passiva (uma hora por dia durante dois meses, de materiais selecionados pelo próprio) foi observada num estudo sobre pacientes em recuperação de acidente vascular cerebral (Särkämo et al., 2008) que, mostrou uma recuperação reforçada da memória verbal, atenção e em várias medições de humor, que permaneceram presentes mesmo após 6 meses de tratamento.

A rede cerebral para a linguagem, inclui a área de Broca no lobo frontal do hemisfério esquerdo e sua contraparte de compreensão, localizada na área de Wernicke no banco posterior do lobo temporal superior. Há, no entanto, uma área particular relacionada com audição, localizada na parte posterior do “planun temporale” do hemisfério esquerdo que, também está envolvida na produção da fala, a chamada área Spt (Hickok et al., 2000, 2003). Spt é ativado durante a percepção passiva da fala e durante a cobertura (subvocal) da articulação da fala (Buschbaum et al., 2001, 2005) e é altamente correlacionada com ela nos “pars opercularis” (Buschbaum et al., 2005) – uma região anatómica que auxilia parte da área de Broca, com o qual é densamente interligada através de tratos de substância branca (Hickok et al., 2011). Assim, por estar situado no meio de uma rede auditiva (sulco temporal superior) e áreas de motor (pars opercularis), o SPT tem sido considerado como o centro de integração sensório-motor para a fala e funções trato-vocais (Hickok et al., de 2010), sendo implicada no controlo do feedback auditivo da produção da fala. Tem sido proposto que a região SPT funciona como um mecanismo de controlo, para ajustar dinamicamente os sinais da fala planeada à medida que é produzida (Hickok et al., 2010).

Isto é muito relevante para Forbrain® porque o feedback sensorial proporcionado pelo condutor ósseo e filtros dinâmicos realmente contraria as previsões internas, levando necessariamente a reajustes em tempo real e remodulação do modelo interno da fala. Por exemplo, um estudo mostrou que “gagos persistentes” exibem uma deficiente representação dos sons da sua língua nativa (fonemas), na presença da representação das características acústicas preservadas, quando medidas em condições passivas (Corbera et al., 2005). Além disso, esta representação deficiente dos fonemas, correlacionada com a gravidade da gaguez, suporta o modelo teórico descrito acima. Uma implicação importante do modelo em geral e, em particular no que respeita ao Forbrain®, é que o uso da própria voz é suficiente para gerar sinais corretivos dos atos de produção da fala, tal como ouvir as vozes dos outros oradores é suficiente para aprender e ajustar novos padrões de fala. Assim, pode esperar-se que as redes de motoras da fala, no córtex frontal, são ativados durante a escuta passiva da fala, ao mesmo tempo que uma profunda recalibração do sistema é levada a cabo em tempo real, num nível muito sutil durante a produção normal da fala. Agora, se os sinais de entrada, esperados da voz do próprio, são profundamente alterados, como ocorre com Forbrain®, enormes mudanças plásticas são esperadas no circuito áudio-vocal.

Mecanismos de controlo da atenção

Em segundo lugar, as alterações inesperadas das previsões do modelo de sons auto emitidos, desencadeia uma cascata de processos de atenção involuntários, incluindo orientação involuntária relativamente à avaliação científica de Forbrain® - 3. Estas mudanças, lidam com as distrações e reorientam a atenção de volta para a tarefa primária (por exemplo, a mensagem em curso), tudo isto ocorrendo numa escala sub-secondária. Na verdade, uma consequência dos mecanismos atrás explicados, é que as previsões sensoriais desencadeadas pela cópia eferente da fala em curso, são alterados pela entrada via condução óssea, resultando em ajustes necessários para o modelo da expectativa sensorial. Essa alteração ao padrão, por uma entrada inesperada, resulta num desafio para a atenção, à medida que o o sistema auditivo identifica o sinal de entrada como "perturbador" produzindo uma alteração involuntária da atenção (Escera et al., 1998). Um grande conjunto de evidências tem indicado que os estímulos auditivos novos ou inesperados, acionam uma alteração involuntária da atenção em direção ao estímulo recebido resultando numa distração comportamental da tarefa primária em curso e num ajuste concomitante da atividade cerebral na rede neural subjacente (ver comentários em Escera et al ., 2000; Escera e Corral, 2007). A activação desta rede neural pode ser monitorizada pela gravação da sua assinatura neural no couro cabeludo, quer isto dizer, através da extracção das correspondentes e relacionados potenciais cerebrais, através de um EEG. Uma série de ondas foram identificadas em conformidade com o chamado potencial de distracção (DP; ver Figura 1) e reflectem três estádios sucessivos na cadeia de atenção involuntária: a negatividade desfasada (MMN) reflectindo a detecção de disparidades (Escera et al ., 1998); (. Escera et al, 1998), a novidade-P3, o que reflecte a orientação eficaz da atenção para o som provocado e a negatividade reorientada (RON) (Schröger e Wolff, 1998; Escera et al., 2001). Além disso, o potencial de distração (DP) pode revelar as interações entre a a alta das mais baixas e a baixa das mais altas formas de atenção, tal como durante o carregamento do trabalho de memória (SanMiguel et al., 2008) e desafios emocionais (Domínguez-Borràs et al., 2009). Tal como discutido acima, é muito provável que, pela natureza das alterações que introduz na voz dos utilizadores, Forbrain® induza um desafio notável a esta rede cerebral para controlo involuntário da atenção e a gravação destes potenciais involuntários relacionados com a atenção, forneça um quadro sem precedentes para validar os seus princípios de ação.

Além disso, além de distração do sistema auditivo também pode lidar com as distrações, reorientando facilmente a atenção de volta para o desempenho da tarefa, após uma transitória mudança da atenção (Escera et al, 2001;. Schröger e Wolff, 1998; ver Escera e Corral, 2007). O resultado final de todos esses avanços e recuos processuais de orientação e reorientação da atenção, durante a audição da própria voz alterada, através de um condutor ósseo, pode ser uma melhoria geral nas capacidades de controlo da atenção, permitindo uma proteção mais fácil contra distrações e uma melhor concentração.

graph escera

Figura 1. O potencial de distracção (DP). (à esquerda) Eventos relacionados com os potenciais cerebrais suscitados pela norma desviante e, novos ensaios durante a execução da tarefa visual, enquanto ignora a estimulação auditiva. (à direita). Formas de ondas de subtração (distração, ou seja, desviante e fora do comum, menos os ensaios padrão) revelando DP.
O DP aparece como uma forma de três ondas-fásicas divulgando a contribuição de MMN, N1-aprimoramento, P3a / novidade-P3 e RON. Adaptado de Escera e Corral (2007).

 

 

 

 

 

 

 

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Um campo de potencial interesse: Falar, no meio de ruído

A percepção auditiva e da fala, são funções naturais para a maioria das pessoas, mesmo quando realizadas em ambientes normais que, geralmente são preenchidos com vários tipos de ruído de fundo, como na agitação das ruas da cidade, nos cafés, eventos sociais e até mesmo em salas de aula mas, o sistema auditivo tem (Figura 1.) potencial de distração (DP) (à esquerda) Potenciais cerebrais relacionados com o evento provocam a norma, desviantes e novos ensaios durante a execução da tarefa visual enquanto se ignora a estimulação auditiva. (à direita) Formas de ondas de subtração (distração, ou seja, desviante e fora do comum, menos ensaios standard) revelando DP. O DP aparece como uma forma de onda de três fases divulgando a contribuição de MMN, N1-aprimoramento, P3a / novidade-P3, e RON. Adaptado de Escera e Corral (2007). Avaliação científica de Forbrain® - 4. Implementar o que é conhecido como a percepção bem sucedida da fala no meio do ruído. As crianças, especialmente aquelas com dificuldades de aprendizagem e os idosos, são particularmente vulneráveis aos efeitos do ruído na percepção da fala (Bradlow et al, 2003;. Ziegler et al, 2005;.. Kim et al, 2006). Estas dificuldades, podem surgir até na presença de uma audiometria normal da audição, sugerindo que os défices subjacentes, surgem a partir de deficientes mecanismos auditivos centrais (Anderson e Kraus, 2010). Consequentemente, foi proposto que algumas dificuldades de aprendizagem nas crianças poderão resultar, em parte, de um défice de exclusão de ruído, que se manifestaria na presença de ruído, mas não em situações de silêncio (Sperling et al, 2005;.. Ziegler et al, 2009).

Percepção da fala em ambiente ruidoso, é uma tarefa complexa que envolve a interação entre os processos sensoriais e cognitivos. A fim de identificar e separar o som alvo de um altifalante do ruído de fundo, o sistema auditivo primeiro necessita de formar um “objecto auditivo” separando do que é baseado em pistas de sinais auditivos. Por exemplo, a voz do orador é identificada pelo agrupamento auditivo das suas características acústicas críticas, tais como a freqüência fundamental (F0) e o segundo harmónico do estímulo (H2), que define o tom vocal (Anderson e Kraus, 2010). Vários estudos têm demonstrado que a audiometria do tronco encefálico, gravado a partir do couro cabeludo humano, conhecida como a Frequency Following Response (FFR), considerado como a assinatura biológica de codificação do som no tronco encefálico (Skoe e Kraus, 2010; Chandrasekaran e Kraus, 2009; ver Figura 2) é retardado e atenuado quando é obtido a partir de estímulos apresentados em condições de ruído de fundo (Cunningham et al., 2001;. Anderson e Kraus, 2010). Além disso, vários estudos recentes têm mostrado que, diferentes programas de treino podem ajudar a melhorar a percepção da fala em ambiente com ruído, através de mecanismos de reforço da codificação das características relevantes da fala no tronco encefálico (Anderson e Kraus, 2013; Kraus, 2012). Aqui, Forbrain® aparece como uma ferramenta muito poderosa, para induzir as necessárias mudanças plásticas auditivas, melhorando a percepção da fala-em-ruído.

graph carles escera

Figura 1. A Frequency Following Response (FFR) (A) e os seus componentes espectrais correspondentes (B) para a / ba /, / wa / 1, / wa / 2, / wa / 3, / wa / 4 estímulos apresentados com igual probabilidade na mesma sequência de estímulos. A) Salienta-se a melhoria significativa da amplitude de resposta em duas janelas de latência (18-22 ms e 27-31 ms) sobre a transição temporal da F1 e F2 que foi observado para a / ba / sílaba em comparação com o / wa / 1 sílaba ('*', p <0,05). B) Notavelmente, as amplitudes das harmónicas H2 seguidas do aumento da duração dos períodos de transição, de forma a que possa ser considerado como o marcador biológico da codificação deste recurso de som no tronco cerebral auditivo humano. Adaptado de Slabu et al. (2012).

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