JoVE Educazione Scientific
Neuropsychology
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JoVE Educazione Scientific Neuropsychology
The Split Brain
  • 00:00Panoramica
  • 01:55Experimental Design
  • 05:34Running the Experiment
  • 07:34Representative Results
  • 08:32Applications
  • 10:00Summary

O Cérebro Dividido

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Panoramica

Fonte: Laboratórios de Jonas T. Kaplan e Sarah I. Gimbel – Universidade do Sul da Califórnia

O estudo de como o dano ao cérebro afeta o funcionamento cognitivo tem sido historicamente uma das ferramentas mais importantes para a neurociência cognitiva. Embora o cérebro seja uma das partes mais protegidas do corpo, há muitos eventos que podem afetar o funcionamento do cérebro. Problemas vasculares, tumores, doenças degenerativas, infecções, traumas por força bruta e neurocirurgia são apenas algumas das causas subjacentes de danos cerebrais, todos os quais podem produzir diferentes padrões de danos teciduais que afetam o funcionamento cerebral de diferentes maneiras.

A história da neuropsicologia é marcada por vários casos bem conhecidos que levaram a avanços na compreensão do cérebro. Por exemplo, em 1861, Paul Broca observou como o dano no lobo frontal esquerdo resultou em afasia, um distúrbio linguístico adquirido. Como outro exemplo, muito sobre a memória tem sido aprendido com pacientes com amnésia, como o famoso caso de Henry Molaison, conhecido por muitos anos na literatura neuropsicologia como “H.M.”, cuja cirurgia de lobo temporal levou a um profundo déficit na formação de certos tipos de novas memórias.

Embora a observação e o teste de pacientes com danos cerebrais focais tenha fornecido à neurociência uma visão do funcionamento do cérebro, deve-se tomar muito cuidado na concepção de testes para revelar a natureza específica do déficit. Além disso, como o cérebro é uma rede complexa de neurônios interconectados, danos a uma região cerebral podem afetar o funcionamento em regiões distantes dos danos. Para demonstrar como os danos cerebrais podem afetar conexões entre as regiões cerebrais, este vídeo examina o caso do chamado cérebro dividido.

O corpus calosum é um grande feixe de fibras que conecta os hemisférios esquerdo e direito do cérebro. É um dos maiores tratos de matéria branca do cérebro e pode ser facilmente reconhecido em uma visão sagital da linha média do cérebro. Na década de 1960, neurocirurgiões descobriram que cortar o corpo caloso poderia ser um tratamento bem sucedido para certos tipos de epilepsia, o que envolve atividade neural incontrolável se espalhando pelo cérebro. As pessoas que foram submetidas à operação de cérebro dividido tiveram seus dois hemisférios cirurgicamente separados, de tal forma que os hemisférios esquerdo e direito não eram mais capazes de se comunicar. Essa condição permitiu que os experimentadores sondassem as funções do hemisfério esquerdo e direito de forma independente, aprendessem sobre as habilidades relativas e sobre a natureza da comunicação entre eles.

Este vídeo demonstra como testar um paciente de cérebro dividido para revelar algumas das diferenças entre os dois hemisférios do cérebro e ver algumas consequências dramáticas de tal desconexão. As versões originais desses experimentos foram desenvolvidas por Michael Gazzaniga e os colegas1, 2 e posteriormente foram elaborados por outros; 3 a versão aqui apresentada incorpora modernizações mais recentes da metodologia.

Procedura

1. Recrutamento de pacientes e controle Há uma variedade de pacientes com síndromes de desconexão, incluindo calosomias cirúrgicas completas e parciais e condições congênitas, como agênese do corpus calosum (ACC), em que o corpo calosum não se desenvolve totalmente. Existem múltiplos setores que conectam os dois hemisférios; o maior é o corpus calosum, mas algumas fibras cruzam na comissura anterior, comissure hipocampal e comissura posterior.Observe que essas diferentes variedades de desconexão podem levar a diferentes resultados comportamentais neste teste. Para efeitos deste experimento, pré-selecione o paciente através do uso de neuroimagem para confirmar a ausência de fibras de conexão. A ressonância magnética padrão e a imagem de difusão, que podem ser usadas para fotografar os setores de matéria branca, são particularmente úteis. Saber quais fibras de conexão estão presentes no paciente ajuda na interpretação dos resultados. Nesta demonstração, foi selecionado um paciente com uma calosotomia completa. Certifique-se de que o paciente foi totalmente informado dos procedimentos de pesquisa e assinou todos os formulários de consentimento adequados. Recrutar 20 participantes da mesma idade e sexo que o paciente, compatível com a inteligência, usando pontuações na Escala de Inteligência Adulta wechsler (WAIS). 2. Coleta de dados Para apresentar estímulos visuais apenas para o hemisfério esquerdo ou direito, os estímulos devem ser devidamente apresentados a um campo visual. Note que isso não equivale a apresentar os estímulos a um olho. Cada olho projeta para ambos os hemisférios do cérebro; por exemplo, a parte do olho esquerdo que vê o campo visual esquerdo é processada pelo hemisfério direito, mas a parte do olho esquerdo que processa o campo visual direito é vista pelo hemisfério esquerdo. Portanto, apresentar uma imagem ao hemisfério esquerdo, apresentá-la inteiramente dentro do campo visual direito, que é à direita de onde o paciente está olhando. Para conseguir essa lateralização, use um encosto de queixo para manter os olhos aproximadamente 22 in. da tela do computador. Coloque o queixo do paciente confortavelmente dentro do encondo o queixo, de frente para a tela. Tenha uma pequena cruz no centro da tela para fornecer um local para o paciente fixar seus olhos. Instrua o paciente a manter sua fixação nesta cruz durante todo o experimento, mesmo quando as imagens aparecem para o lado esquerdo ou direito dele. Explique ao paciente que quando uma imagem aparece, eles devem dizer o nome do objeto em voz alta. Apresentar imagens de objetos conhecidos brevemente no lado esquerdo ou direito da tela para projeí-los para os hemisférios direito ou esquerdo do cérebro, respectivamente. 50 imagens são apresentadas em ordem aleatória a partir de um conjunto de objetos que incluem desenhos facilmente reconhecíveis, como uma maçã, uma bola, uma vassoura e uma galinha. Apresente as imagens por menos de 150 ms para garantir a lateralização adequada. Este é tempo suficiente para ver o estímulo, mas rápido o suficiente para que o paciente não seja capaz de mover seus olhos para ver o estímulo na visão central. Peça ao paciente para nomear os objetos apresentados na tela em voz alta, e registrar suas respostas. Este é um teste de capacidade linguística verbal e deve revelar as diferenças na capacidade de falar entre os hemisférios. Se o paciente não conseguir nomear nenhum dos objetos, peça ao paciente para desenhar o objeto, sem olhar para o papel, com a mão ipsilateral para (do mesmo lado que) o estímulo. Isso serve como uma medida não linguística de conhecimento do estímulo. A mão ipsilateral ao estímulo é controlada pelo hemisfério que viu o estímulo. Por exemplo, quando o estímulo é apresentado no campo visual esquerdo, ele é processado pelo hemisfério direito. O hemisfério direito é o grande responsável pelo controle da mão esquerda. Certifique-se de que o paciente não olhe para a mão enquanto estiver desenhando para manter o isolamento do estímulo a um hemisfério. Quando o paciente terminar de desenhar um objeto, peça-lhes para olhar para o objeto e dizer o que é em voz alta. Isso confirma que o paciente sabe o nome do objeto quando ele é apresentado na visão central, mesmo que não consiga nomeá-lo quando ele é apresentado a um único hemisfério. Repita o procedimento para cada participante de controle. 3. Análise de dados Para analisar o desempenho do paciente, compare os dados do meio-campo visual esquerdo e direito entre si. Para isso, tabula o número de respostas corretas e incorretas em cada campo visual, e teste a probabilidade de obter uma diferença tão grande quanto a observada usando um teste qui-quadrado de independência. Compare os dados do paciente com os dados da idade, sexo e população de controle compatível com inteligência para determinar déficits no comportamento do paciente. Para isso, compile a pontuação média para o campo visual esquerdo e o campo visual direito de cada pessoa separadamente, e compare as distribuições usando uma análise de medidas repetidas do teste de variância (ANOVA).

Risultati

Typically, callosotomy patients exhibit an anomia for objects presented in the left visual half-field. Anomia is the inability to name objects. Objects presented to the right visual field, however, are named with high accuracy (Figure 1).

Figure 1
Figure 1: Patient and control performance in the naming objects task for stimuli presented in the left and right visual fields. The patient (black circles) is not able to verbally name objects presented in the left visual field, but is able to name objects in the right visual field. In contrast, the control population (blue diamonds) can name objects presented in both the left and right visual fields.

Some patients may be able to successfully draw objects presented to the left visual field, even though they cannot verbally name them (Figure 2).

Figure 2
Figure 2: Patient and control performance in the drawing objects task for stimuli presented in the left and right visual fields. The patient (black circles) and control population (blue diamonds) are able to draw objects presented in both the left and right visual fields. The patient's performance does not differ from matched controls.

In this case, the patient usually says they haven't seen anything. This is because the left hemisphere, which is controlling speech, has not seen the visual image. However, the right hemisphere, which has seen the object, can recognize it but is unable to generate speech. Since the right hemisphere is largely in control of the left hand, the patient is able to draw the object with the left hand. This result demonstrates a dissociation between the ability to recognize an object and the ability to verbally name an object.

The control population, with intact corpora callosa, can both name and draw objects presented in the left or right visual fields. This is because information can freely pass from one hemisphere to the other, allowing for the sharing of information between the brain regions.

Applications and Summary

The case of the split-brain patient reveals the relative specialization of the two cerebral hemispheres. Many of these specializations can also be demonstrated in healthy people with intact commissures using similar techniques. For example, people tend to recognize words faster when they are presented briefly in the right visual field compared to when they are presented in the left visual field. This experiment also shows that even when two brain regions are healthy, damage to the connections between different regions can affect behavior.

However, it is important to remember that while testing the split brain demonstrates the differences between the two cerebral hemispheres, in the intact brain, the two hemispheres are continually interacting with each other and working in concert. To isolate a stimulus to one visual field requires specialized equipment that can present stimuli very briefly and away from central fixation. Since central vision is processed by both hemispheres, and the eyes typically scan an environment, this is not a situation that is likely to be encountered in everyday life.

Riferimenti

  1. Gazzaniga, M. S., Bogen, J. E., & Sperry, R. W. (1962). Some functional effects of sectioning the cerebral commissures in man. Proc Natl Acad Sci U S A, 48, 1765-1769.
  2. Gazzaniga, M. S., Bogen, J. E., & Sperry, R. W. (1965). Observations on visual perception after disconnexion of the cerebral hemispheres in man. Brain, 88(2), 221-236.
  3. Zaidel, E., Zaidel, D., & Bogen, J. E. (1990). Testing the commussurotomy patient. In A. Boulton, G. Baker, & M. Hiscock (Eds.), Neuromethods (pp. 147-201). Clifton, NJ: Humana Press.

Trascrizione

Neuropsychologists study “split-brain” patients to probe the unique functions of the left and right brain hemispheres—in other words, to study lateralization—and to also investigate the nature of communication between these regions.

Primarily speaking, information from one side of the body is processed within the opposite half of the brain. In addition, each hemisphere contralaterally directs body movements.

These areas also have different cognitive strengths: the left side is typically associated with the control of language and speech, whereas the right plays a large role in processing visuospatial information—like judging the spatial arrangements of dials on a machine.

Normally, collections of neurons’ axons—referred to as nerve fiber bundles—transfer information between these hemispheres. One of the largest of such tracts is the corpus callosum.

However, this inter-hemispheric communication is interrupted in split-brain patients, whose corpora callosa have been surgically severed—a treatment sometimes used to reduce the uncontrollable neural activity characteristic of epilepsy from spreading throughout the entire brain.

Using modernizations of psychologist Michael Gazzaniga’s techniques, this video demonstrates how to test split-brain patients and assess their cognitive abilities—specifically speech production—and illustrates data collection and analysis methods.

In this experiment, patients are shown images of everyday objects and asked to verbalize the name of each item.

To achieve lateralization, patients are instructed to focus on a cross symbol in the center of a computer screen, and told to remain fixated on this shape for the duration of the experiment. Here, the cross serves as a reference point next to which visual stimuli can be shown on either the right or left.

If an image is presented on the right of the screen, it falls into the right visual field—which, perhaps counterintuitively, is processed by the left portions of both eyes. These regions then project the observed image to the left hemisphere of the brain, where it is identified.

Thus, functions of the left brain hemisphere can be assessed by showing images in the right visual field.

Similarly, a stimulus presented to the left of the cross onscreen—in the left visual field—can be used to evaluate the roles of the right hemisphere.

During the naming objects task, a total of fifty drawings, like that of a chicken, appear one at a time on a random side of the monitor—either the right or left.

Pictures are presented for less than 150 ms. As this is not enough time for a patient to move their eyes to reposition the image, it ensures that only the brain hemisphere being tested “sees” the stimulus.

After the image disappears, the patient must identify it aloud, which serves as a measure of the lateralization of verbal linguistic capability.

Here, the dependent variable is the percentage of images shown in the left and right visual fields that the patient is able to name—in other words, the accuracy of verbal identification.

Based on the previous work of Gazzaniga and others, it is expected that patients will be able to name images presented in the right visual field with high accuracy, as this information is seen by the left hemisphere—the region capable of controlling speech.

However, patients will be unable to verbally identify pictures shown in the left visual field, as this information is handled by the right brain hemisphere, which is incapable of generating language and—in split-brain patients—cannot communicate with the speech-capable left side.

If the image can’t be named—referred to as anomia—a drawing task is performed, which serves as a non-linguistic measure of stimulus knowledge.

Here, patients must create a picture of the image they were shown using the hand on the ipsilateral or same side as the tested visual field. Thus, if patients can’t verbally identify an object presented on the left of the screen, they should draw it with their left hand.

In this instance, the dependent variable is the percentage of images shown in the left and right visual fields that are accurately drawn.

It is expected that patients unable to name pictures shown on the left of the monitor will still be able to draw them—using their left hand—with high accuracy.

This is due to the fact that the right hemisphere—which controls the left arm and hand—also processes information from the left visual field. Thus, no communication is needed between the hemispheres to complete this task.

Prior to beginning the experiment, review patients’ MRI data to determine which nerve fiber bundles they are lacking. For the purpose of this demonstration, a patient in whom the entire corpus callosum has been severed is tested, and their data will be compared to those collected from control participants.

Greet the patient when they arrive, and inform them of the research procedures. In addition, assure that they have signed all appropriate consent forms.

Then, proceed to place their chin comfortably in a chinrest so that their eyes are positioned approximately 22 in. from the screen.

With the small cross displayed in the center of the screen, emphasize to the patient that they must remain fixated on this symbol, even as images flash to the left or right of it.

Proceed by showing them 50 images, each of which are presented for 150 ms, in a random order, and evenly divided between sides. After every presentation, instruct the patient to identify the object out loud: “Apple”. Record all of their responses.

If the patient cannot name the visual stimulus, ask them to draw it with the hand on the same side as the visual field in which the picture was shown. This constitutes the drawing objects task.

Make sure that the patient does not look at their hand as they are drawing, in order to maintain the initial isolation of the stimulus to one brain hemisphere.

To confirm that the patient knows the name of the stimulus when it is simultaneously presented to both fields of view, have them look down at their completed drawing and verbally identify the object it represents: “Broom”. Again, record all of the patient’s responses.

To analyze the data, first calculate the percentage of correct verbal responses across patients for stimuli presented to the left and right visual fields.

Proceed by separately compiling the percentage of correct verbal response scores for each control participant’s left and right locations.

To identify any deficits in patient behavior, compare control and patient data using a repeated-measures analysis of variance test. Repeat the analysis for all data collected from the drawing test.

Notice that while patients are typically unable to name stimuli presented to the left visual field, they can draw them—with their left hand—with a high degree of accuracy. This demonstrates a dissociation between a patient’s ability to recognize and verbally name an object.

Now that you know how to test the functions of the left and right hemispheres of split-brain patients with visual stimuli, let’s see how researchers explore and apply lateralization in other contexts.

You’ve learned that surgical separation of the two hemispheres is often used to treat patients with epilepsy, which is characterized by seizures.

As a result, many neuroscientists are looking at whether the timing of this disconnection—whether the corpus callosum is severed during childhood or adulthood—has any affect on a patient’s cognitive functions.

Importantly, such work has demonstrated that compared to adults, children experience fewer—or less severe—cognitive effects following the disconnection of the brain hemispheres, suggesting that young brains demonstrate a great degree of plasticity.

Up until now, we’ve focused on the corpus callosum as the major connection between the left and right hemispheres.

However, other nerve fiber bundles allow for communication between the sides of the brain. Among them is the anterior commissure, which has been implicated in the transfer of sensory information, like that pertaining to sight or smell.

Thus, some researchers are looking at how the disconnection of one or more of these bundles—with or without severance of the corpus callosum—affects patient behavior.

You’ve just watched JoVE’s video on testing split-brain patients using visual stimuli. By now, you should understand how to present images to the two visual fields, and collect and interpret data relating to the abilities of the left and right brain hemispheres. You should also know how data from split-brain patients is being used to develop better treatments for epilepsy, and understand the roles of different nerve fiber bundles in the brain.

Thanks for watching!

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JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. The Split Brain. JoVE, Cambridge, MA, (2023).