Cerebral reorganization and neurosensory plasticity

Abstract

Plasticidade neuronal é um tópico muito contemporâneo mas ao mesmo tempo bastante controverso. O conceito de plasticidade reflete mudanças na estrutura e função por adaptação ao ambiente onde se está inserido ao longo da vida. O sistema visual é um dos modelos mais robustos para estudar fenómenos de plasticidade devido ao vasto conhecimento sobre a sua estrutura e propriedades. De facto, estudos em humanos investigando as alterações causadas pela falta de informação vinda da visão periférica escasseiam na literatura. Neste trabalho questionamos se populações de neurónios visuais se reorganizam em resposta a alterações percetuais numa doença em que a perda visual é geneticamente pré-determinada resultando em escotomas (regiões cegas) periféricos em adultos. A Doença Pigmentar (RP) é uma doença genética rara que leva à degeneração dos fotorrecetores e consequentemente à perda de campo visual periférico, afetando progressivamente a visão central também. Foram adquiridos dados anatómicos e funcionais de doze doentes em diferentes estágios da doença e vinte-e-cinco indivíduos controlo saudáveis de modo a investigar as propriedades de uma população de campos recetivos (pRF) de neurónios visuais, cujas alterações podem sugerir reorganização em resposta à ausência de informação sensorial. Aplicou-se uma técnica recente denominada mapeamento de population receptive fields (pRFs), uma alternativa mais sofisticada à Retinotopia tradicional, de modo a analisar o tamanho dos campos recetores para cada hemisfério de cada participante. Em geral, e como esperado, os tamanhos médios dos pRFs aumentaram dentro das áreas visuais e ao longo de 11 graus de excentricidade. No entanto, o padrão de variação foi diferente do dos controlos. Além disso, a análise dos declives das retas de ajuste para cada uma das áreas visuais e entre os grupos RP e Controlo revelou uma interação significativa. Na realidade, ao contrário dos controlos, o grau de mudança dos tamanhos médios dos pRFs ao longo da excentricidade é muito similar nas diferentes áreas visuais de RP, o que sugere uma perda de convergência de informação de V1 para V2, e mais tarde para V3. Em adição, o tamanho médio dos pRFs em V1 na zona de representações periféricas foi significativamente maior nos pacientes com RP, o que indica uma reorganização funcional para compensar a falta de informação recebida por parte da periferia. De forma a clarificar se este remapeamento tem como origem uma adaptação a curto-prazo ou se é devido a fenómenos de plasticidade a longo-prazo, foram adquiridos dados de controlos estimulados com escotomas artificiais (AS) que simulam o campo visual de cada um dos pacientes com RP. Foi verificada uma baixa variância explicada e uma diminuição do tamanho dos pRFs no grupo AS, ao contrário dos doentes, confirmando a existência de plasticidade a longo-prazo em vez de mecanismos de adaptação rápida. Resumindo, descobrimos evidências de mecanismos de reorganização a longo-prazo na população de campos recetores de neurónios em resposta à degeneração do campo visual periférico em pacientes adultos com RP. Deste modo, estes acontecimentos devem ser levados em consideração devido às suas implicações no desenvolvimento de estratégicas de terapêutica e reabilitação nestes pacientes.

The topic of neural plasticity is very contemporary but is still very controversial. Plasticity reflects changes on the structure and function following environmental demands throughout life. The visual system is one of the finest models to study plasticity phenomena due to the extensive knowledge of its structure and properties. Indeed, there is a lack of human studies investigating the alterations caused by a loss of input from peripheral vision. In this work we questioned if populations of visual neurons do reorganize in response to a genetically-determined perceptual alteration due to peripheral loss of vision (scotomas) in adults. Retinitis Pigmentosa (RP) is a rare disease that leads to the degeneration of photoreceptors causing a loss of the peripheral visual field that progresses towards the center.We acquired anatomical and functional data from twelve patients in different stages of the disease and twenty-five healthy controls in order to study population receptive field (pRF) properties of visual neurons, whose alterations can be indicative of reorganization in response to the loss of sensory input. We used a recent technique called population receptive field (pRF) mapping, an optimized alternative to traditional Retinotopy, to estimate the sizes of population receptive fields for each hemisphere of each participant. In general, mean pRF sizes showed the expected increase within the visual areas along 11 degrees of eccentricity. However, the pattern of the variation was different from controls. Moreover, the analysis of slopes of the fitting lines for each visual area and between RP and Control groups revealed a significant interaction. In fact, in contrast to controls, the degree of change of mean pRF sizes along eccentricity was similar across visual areas in RP, suggesting a loss of input convergence from V1 to V2, and later to V3. Furthermore, the mean pRF size of V1 in the peripheral representations was significantly higher in RP patients, which indicates a functional reorganization to compensate the lack of peripheral visual input. In order to understand if this remapping is a short-term adaptation or along-term plasticity phenomena, we acquired data from controls stimulated with artificial scotomas (AS) simulating the visual field of each RP patient. We found a lower explained variance and lower pRF sizes in the AS group, as compared to RP, confirming that there is long-term plasticity rather than rapid adaptation mechanisms in the latter.To sum up, we found evidence for long-term reorganization mechanisms of neural pRFs in response to peripheral visual field degeneration in adult RP patients. Therefore, these plasticity phenomena should be taken in consideration due to their strong implications for therapeutic and rehabilitation strategies in these patients.