Aquisição de Dados Neurocientíficos

Aquisição de dados Neurocientíficos

 

Você sabia que há uma enorme interseção entre engenharia e neurociência? A aquisição de dados é primordial para a pesquisa e descoberta de novos conhecimentos sobre o cérebro e as respostas comportamentais dos seres vivos. Dentre as técnicas de aquisição usadas in vivo (que ocorre em seres vivos), as mais importantes são a imagem por ressonância magnética (MRI), ressonância magnética funcional (fMRI), o eletroencefalograma (EEG), a espectroscopia funcional próxima do infravermelho (fNIRS), o rastreamento ocular (Eye-Tracking), e a aquisição de dados psicofisiológicos e eletromiográficos (EMG), por exemplo.

VISÃO GERAL

As técnicas de imagem do cérebro, como a MRI, fMRI, EEG e o fNIRS apresentam grandes diferenças quanto ao objetivo proposto por cada um deles. Num campo mais amplo, a grande dificuldade está na compensação entre resolução temporal e resolução espacial. Cada técnica apresenta seus prós e contras quanto a isso, sendo o MRI e o fMR bons em resolução espacial, obtendo resoluções na ordem de milímetros em detalhes do cérebro, porém com taxas de aquisição na ordem de 0,5 Hz.Em contrapartida, o EEG, possui taxas de amostragem na ordem de kHz, mas não consegue obter uma resolução espacial boa, além de abranger somente regiões superficiais do cérebro, como as camadas superiores do córtex, em contrapartida às ressonâncias, que conseguem analisar regiões mais profundas e internas do encéfalo. Já o fNIRS possui contras que vão na mesma direção das técnicas citadas anteriormente, possui resolução espacial limitada e restrita às camadas superiores, como o EEG, e sua taxa de amostragem não passa de 20 Hz, devido ao funcionamento e a teoria por trás do seu funcionamento. Porém, sua grande vantagem é a possibilidade de utilização em cenários naturalísticos, com movimentação livre e fora do laboratório, já que as outras dependem da imobilidade do indivíduo no momento da experimentação.

Já as outras duas citadas, funcionam como medições comportamentais, inclusive as emocionais que descrevem as respostas cerebrais, e dão suporte para descrever o funcionamento de maneira periférica. A psicofisiologia mede alterações de respostas autônomas, e sua taxa de amostragem depende do método e da resposta a ser medida, tendo um campo amplo de possibilidades como a resposta de sudorese por condutância galvânica, as frequências respiratória e cardíaca, temperatura corporal e dilatação pupilar, medida pelo Eye Tracker, que rastreia também os movimentos oculares, direcionamento de leitura e processamentos atencionais e perceptuais de uma maneira geral.

APLICAÇÕES NO MUNDO REAL

Mas como funcionam essas medidas? E pra que serve cada uma?

A MRI capta a imagem encefálica completa através da utilização de campos magnéticos, que atuam nos prótons existentes na cabeça de uma maneira geral, e por meio da aquisição dos valores de tempo de recuperação desses prótons frente ao desligamento do campo magnético é formada a imagem tridimensional com alta definição, e com bastante diferenciação entre as estruturas como ossos, massa branca (ligações neuronais), massa cinzenta (conjunto de corpos neuronais) e líquidos cerebrais, devido a diferença de recuperação para cada material. Essa técnica é bastante utilizada no diagnóstico de lesões, isquemias, traumatismos, mal formação e análise das conexões (conectoma cerebral).

Já a fMRI apresenta o mesmo princípio da utilização de campos magnéticos, só que nessa técnica o que é medido é a interferência causada pelas características magnéticas existentes nas hemoglobinas que não carregam oxigênio sobre as que carregam, gerando o sinal chamado de BOLD (blood oxygen level dependent contrast).Esse sinal indica o funcionamento metabólico para cada região medida pelo método, já que essa interferência representa a requisição de mais conteúdo energético das células necessárias para o funcionamento do comportamento medido, tendo assim um bom localizacionismo sobre a funcionalidade atual do encéfalo. O fNIRS mede o mesmo processo metabólico, mesmo que superficialmente no córtex, porém através da espectroscopia por emissão de luz próxima ao infravermelho para medir a concentração das hemoglobinas com e sem oxigênio. Como o processo hemodinâmico é lento, essas duas técnicas apresentam maior tempo para a resposta evocada, não se fazendo necessário grandes taxas de amostragem como o EEG.

O EEG funciona captando a resultante dos potenciais de ativação e de desativação de um grupo indeterminado de neurônios em regiões específicas do córtex, como frontais, occipitais, centrais, temporais. Essa resultante é medida pela diferença de potencial entre a região medida e alguma referência sem potencial, como a orelha, através de eletrodos amplificados. O sinal é bastante ruidoso, devido a vários artefatos intrínsecos ao método, porém há a tendência de potenciais evocados, e também alterações em frequência e amplitude frente ao paradigma comportamental medido. Suas aplicações vão desde a clínica medindo ciclos de sono e tendências epiléticas, até a pesquisa sobre atenção, expectativa e, atualmente presente na interface cérebro-máquina, onde a mente controla dispositivos eletrônicos atuando até inclusive no Internet-of-things (IOT – Internet das coisas).

Por ser um campo bem recente se comparado a outras áreas de pesquisa dentro das neurociências e das aquisições de dados, esses métodos vêm evoluindo bastante e têm muito mais para evoluir, além de apresentam características somatórias de medições conjuntas e proporcionarem informações cada vez mais completas sobre o que se passam, e como se passam os fenômenos da mente humana.

A FERRAMENTA – ABORDAGEM GRÁFICA DE SISTEMAS

A abordagem gráfica de sistemas traz para a aquisição de dados uma forma de visualizar sua aplicação e rapidamente integralizar o hardware, dados de medição, validação e pós-processamento dos sinais numa única ferramenta, o LabVIEW. Tal ferramenta traz para o usuário a agilidade de se programar um sistema de medição como se fosse plug-and-play e abstraindo vários níveis de desenvolvimento criando uma plataforma que literalmente permite o desenvolvedor desenvolver medições complexas a partir poucos cliques. Garantindo agilidade na criação de sistemas e permitindo o rápido aprendizado  garantido a cientistas e pesquisadores sucesso em suas aplicações. Com toolkits prontos para trabalhar com aquisição para sinais neurocientíficos e biomédicos.

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