Brain Activity in Threat Situations

Abstract

It has been proved that threat stimuli evoke a defensive response and trigger physiological reflexes. The study of brain activity under the appearance of an unexpected threat situation detected by the visual system can give some insights into how the brain reacts to potential dangers and threats, and how the defensive response is originated. Past studies have used electroencephalography (EEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI) to identify the brain areas activated in response to a threatening stimulus. While fMRI provides good spatial resolution, EEG warrants better temporal resolution. Regarding the threatening stimulus used in previous studies, most of them resorted mainly to images, videos, and sounds, which induced emotional responses related to a threatening situation. Although, these studies did not provide an immersive scene, reducing the feeling of being under threat.In this project, a virtual reality (VR) video is used to present an unexpected threat in a calm scene with the aim of invoking a defensive reaction. The threat consisted of a neutral object approaching quickly towards the observer and was designed with the aim of reducing induced emotions related to the stimulus itself. While the video is observed, brain activity is measured using EEG, providing good temporal resolution. The main goal of this project is to study the brain areas involved in the threatening situation, and the functional connectivity between those areas in order to depict the flow of information.The results show that the inferior frontal gyrus, premotor cortex, supplementary motor cortex, prefrontal cortex, superior temporal gyrus, middle temporal gyrus, associative visual cortex, primary motor cortex and primary somatosensory cortex are involved in the processing of threatening situations. Also, the relevance of delta, beta and gamma frequency bands in threat processing was evidenced. Regarding the connectivity analysis, the relevant functional connections are concentrated in the front half of the brain. There is a flux of information from the left inferior frontal gyrus and left middle temporal gyrus to the motor areas (primary motor cortex and premotor cortex), as well as a flux of information from the premotor cortex to the primary motor cortex. The remaining relevant connections involve the prefrontal cortex.The results obtained in this study provide new insights about the brain functioning under threat stimuli, and may subsequently contribute to the delineation of therapeutic approaches in some psychiatric conditions.

Já foi provado que um estímulo ameaçador evoca uma resposta defensiva e desencadeia reflexos fisiológicos. O estudo da ativação cerebral resultante de uma ameaça visual inesperada pode fornecer informação sobre como o cérebro reage a potenciais perigos e ameaças, e como são originadas as respostas defensivas.Estudos anteriores usaram eletroencefalografia (EEG) e ressonância magnética funcional (fMRI) para identificar as áreas cerebrais ativadas em resposta a um estímulo ameaçador. Embora o fMRI forneça boa resolução espacial, o EEG garante melhor resolução temporal. Quanto aos estímulos utilizados em estudos anteriores, a maioria recorre principalmente a imagens, vídeos e sons que induzem respostas emocionais relacionadas a uma situação ameaçadora. Porém, esses estudos não proporcionaram uma cena imersiva, reduzindo a sensação de estar sob ameaça. Neste projeto, é utilizado um vídeo de realidade virtual (RV) para apresentar uma ameaça inesperada numa cena calma, com o objetivo de invocar uma reação defensiva. A ameaça consiste num objeto neutro aproximando-se rapidamente do observador e foi pensada com o objetivo de reduzir emoções induzidas pelo próprio estímulo. Enquanto o vídeo é visualizado, a atividade cerebral é medida com EEG, proporcionando boa resolução temporal. O principal objetivo deste projeto é estudar as áreas cerebrais envolvidas na situação de ameaça e a conectividade funcional entre essas áreas com o propósito de obter o fluxo de informação.Os resultados mostram que o giro frontal inferior, o córtex pré-motor, o córtex motor suplementar, o córtex pré-frontal, o giro temporal superior, o giro temporal médio, o córtex visual associativo, o córtex motor primário e o córtex somatossensorial primário estão envolvidos no processamento de situações de ameaça. É também evidenciada a relevância das bandas delta, beta e gama no processamento de situações de ameaça. Em relação à análise de conectividade, as conexões cerebrais relevantes estão concentradas na metade frontal do cérebro. Há um fluxo de informação do giro frontal inferior esquerdo e do giro temporal médio esquerdo para as áreas motoras (córtex motor primário e córtex pré-motor), assim como do córtex pré-motor para o córtex motor primário. As restantes conexões relevantes encontradas envolvem o córtex pré-frontal.Os resultados obtidos neste estudo fornecem novos insights sobre o funcionamento do cérebro durante uma situação de ameaça, podendo posteriormente contribuir para o delineamento de abordagens terapêuticas para algumas condições psiquiátricas.