Usando MazeSuite e Funcional espectroscopia no infravermelho próximo para o Estudo Aprendizagem em navegação espacial

Nosso objetivo nesta apresentação é duplo. Primeiro, ilustrar o processo de elaboração do protocolo experimental e o uso do May Suite e, segundo, demonstrar a configuração e implantação do Sistema de Monitoramento de Atividade Cerebral FNIR. O May Suite pode ser usado para criar e editar ambientes 3D adaptados, bem como rastrear o desempenho comportamental de um participante.

Para demonstrar esses aspectos, é apresentada uma subamostra de um estudo que mostra como utilizar tanto a bateria May quanto a FNIR em um único experimento. O estudo envolve a avaliação da atividade cognitiva do córtex pré-frontal dorsolateral durante a aquisição e aprendizagem de tarefas de taco de computador em ordens de prática bloqueada e aleatória. A FNIR é uma técnica óptica de monitoramento cerebral que utiliza infravermelho próximo para rastrear alterações nas respostas hemodinâmicas dentro do córtex.

A monitorização não invasiva da hemodinâmica e oxigenação cerebrais foi demonstrada pela primeira vez por Jobesy e colegas em 1977. Esta tecnologia permite o desenvolvimento de sistemas de monitorização portáteis, seguros, acessíveis, não invasivos e minimamente intrusivos, que podem ser utilizados para medir a atividade cerebral em ambientes naturais. Em condições ambulatoriais e de campo, a luz infravermelha próxima pode penetrar tecidos até alguns centímetros, dentro da faixa de 700 a 900 nanômetros.

Quando a luz penetra no tecido, ela é absorvida ou espalhada. A absorção é devida a cromóforos, moléculas que absorvem luz, como a hemoglobina e a água; o espalhamento ocorre nas estruturas do tecido, como membranas celulares e camadas. Uma medição típica de FNIR contém uma unidade de medição que possui fontes de luz e detectores.

Quando uma fonte de luz é ativada, a luz é introduzida sobre o couro cabeludo, penetra nele e se propaga em todas as direções no tecido, perdendo intensidade à medida que se desloca; parte da luz retorna à superfície devido a espalhamentos múltiplos e sequenciais e é registrada pelo detector. Os fótons que alcançam o detector na verdade percorrem um volume com formato semelhante ao de um banana. As medições no detector fornecem informações sobre esse volume situado entre a fonte de luz e o detector. Um par denominado oid, a profundidade de penetração — em outras palavras, a curvatura da "banana" — é uma função da distância entre a fonte de luz e o detector.

Por isso, a geometria do sensor FNIR é fundamental no design. Dependendo do tipo de medição para a tarefa cognitiva e da medição a partir do córtex pré-frontal, a separação óptica geralmente é de 2,5 centímetros a três centímetros. Neste estudo, utilizamos dispositivos FNIR modelo 1000.

Isso é baseado nos projetos de Chance e colegas na década de 1990 e foi posteriormente aprimorado no Laboratório de Imagem Óptica Cerebral da Universidade Drexel. Este instrumento não depende de fibras ou guias de luz para conectar os optodos à pele. Assim, é mais fácil de configurar, mais confortável para sessões longas e menos suscetível a artefatos de movimento.

No entanto, este sensor é projetado especificamente para detectar a ativação cortical do córtex pré-frontal dorsolateral localizado sob a testa e não pode ser utilizado em outras regiões da cabeça devido à interferência causada pelos cabelos. A almofada do sensor FNIR utilizada no estudo contém quatro diodos emissores de luz que emitem luz incoerente em 730 nanômetros e 850 nanômetros. Existem 10 fotodetectores e, ao acionar os LEDs em ordem sequencial e utilizar detectores adjacentes, obtém-se 16 locais de medição.

As caixas estão sendo amostradas em cada varredura. Isso inclui a medição da intensidade da luz em dois comprimentos de onda diferentes e também uma medição escura para luz ambiente, totalizando três canais para cada local de medição; assim, no total, há 48 canais registrados pela varredura. A almofada do sensor é colocada sobre a testa do lado do sujeito.

Uma pessoa deve ficar à esquerda do sujeito e outra à direita. No lado direito do sujeito, o sensor deve ser colocado logo acima das sobrancelhas e centralizado verticalmente. A linha imaginária de simetria vertical passa pela linha média da testa e depois pelo nariz.

A linha central das almofadas do sensor coincide com a linha média da testa e do nariz. Uma vez posicionada a almofada do sensor, os cabos são puxados para os dois lados e conectados na parte traseira da cabeça. Com o cabo fixado pelo clipe, é essencial verificar se a almofada do sensor está adequadamente acoplada à pele e se não há saliências ou espaços entre os optodos e a pele.

Uma boa maneira de verificar a acoplamento adequado é aplicar uma leve pressão sobre a almofada do sensor e sentir se a posição muda com a pressão. Às vezes, pode-se colocar uma faixa para a cabeça, elástico e/ou um tecido firme, como uma faixa de tênis ou bandana, sobre o sensor FNIR para garantir o acoplamento dos optodos com a pele. Após o posicionamento do sensor, os sinais em todos os canais devem ser verificados iniciando a aquisição de dados. Primeiro, a almofada do sensor deve ser conectada à caixa de controle do hardware FNIR.

O dispositivo deve ser conectado ao computador por meio de um cabo USB, e ambos os sistemas devem ser ligados. Em seguida, execute o Kobe Studio no computador clicando no atalho no painel esquerdo e clique no link iniciar dispositivo atual. Se as configurações estiverem corretas, o painel de mensagens exibirá que o dispositivo foi iniciado e os gráficos mostrarão os sinais recém-adquiridos.

Os níveis de sinal dependem da corrente do LED e das configurações de ganho. Uma boa regra geral é manter esses parâmetros acima de 700 milivolts e abaixo de 4.000 milivolts. Além disso, os sinais devem ser estáveis.

Variações excessivas e picos podem indicar acoplamento inadequado do sensor ou problemas de conectividade de cabo ou hardware. Em alguns casos, um ou dois canais laterais, um e dois à esquerda e 15 e 16 à direita, podem estar posicionados sobre os cabelos e seus valores de sinal serem muito baixos. Você pode simplesmente continuar e eliminar esses canais posteriormente na análise.

Pode ser necessário ajustar as configurações com base em cada indivíduo, pois podem existir grandes diferenças individuais devido às diferentes propriedades ópticas da pele de cada pessoa. Para alterar as configurações do dispositivo, primeiro clique em parar o dispositivo atual. Em seguida, clique em propriedades do dispositivo no painel esquerdo.

Vá até a guia de configurações de aquisição de dados na caixa de diálogo. Se desejar aumentar primeiro os valores do sinal, aumente o valor da corrente do LED. Um aumento no valor da corrente do LED significa que os LEDs emitirão luz mais intensa.

Se desejar ajustar inicialmente os níveis de sinal, reduza o ganho. O valor inicial de ganho é usado para todos os vóxeis. Depois de definir os valores, clique em salvar e, em seguida, clique em iniciar.

Dispositivo atual para iniciar a aquisição de dados com novos parâmetros definidos; também é comum e útil utilizar marcadores para identificar certos eventos durante os experimentos. Existem dois tipos de marcadores: manual e automático. Os marcadores manuais são gerados por cliques de botão na janela principal do K e são registrados com carimbo de tempo e salvos junto com os dados de FNIR.

Os marcadores automáticos são recebidos de um dispositivo externo ou software de computador para obter marcadores automáticos enquanto o dispositivo está parado. Acesse as configurações do dispositivo localizadas no painel esquerdo e, na guia de configurações de sincronização, marque a opção para escutar marcadores. A porta serial é um método sugerido para a comunicação de marcadores.

Verifique se o número da porta serial está definido como um número de porta válido no computador. Em seguida, softwares de estímulo, como ePrime ou May Suite, podem enviar marcadores por meio de valores que são recebidos, etiquetados com carimbo de tempo e salvos juntamente com os dados de FNIR neste computador. Os sinais brutos de FNIR são sinais de séries temporais que representam intensidade luminosa.

O ruído nos dados pode ser removido antes ou depois da conversão dos valores brutos de intensidade luminosa em valores de oxigenação. Os dados fisiologicamente irrelevantes, como respiração, pulsação cardíaca e ruído do equipamento, precisam ser eliminados das medições brutas de FNIR. A componente relacionada à frequência cardíaca geralmente apresenta um pico em torno ou acima de 0,5 hertz, e a respiração situa-se entre 0,2 hertz e 0,4 hertz; esses artefatos fisiológicos devem ser eliminados.

São utilizados filtros passa-baixa de resposta ao impulso finita e fase linear. Os sinais também podem ser corrompidos por artefatos de movimento. Quando as fontes de luz e/ou detectores do sensor FNIR deslizam de sua posição original ou perdem contato com a pele devido ao movimento da cabeça, podem ocorrer surtos ou picos súbitos e inesperados nas medições FNIR.

Além disso, se a fonte de luz perder o acoplamento com a pele, o detector pode registrar valores muito baixos, já que nenhuma luz pode passar em sua direção, ou intensidades extremamente altas e saturação momentânea devido à luz refletida pela superfície da pele. Efeitos de saturação semelhantes podem ocorrer se o detector se soltar e perder contato com a pele. O vazamento de luz ambiente causado por movimentos da cabeça pode ainda provocar alterações na pressão aplicada ao sensor ou às fontes de luz e detectores.

Essas alterações podem permitir que mais fótons penetrem no tecido, variando temporariamente a intensidade da luz detectada. Além de simplesmente inspecionar visualmente os dados em busca de possíveis artefatos de movimento, existe um número crescente de algoritmos de detecção e remoção de artefatos de movimento para automatizar o processo e eliminar a subjetividade. Os algoritmos de remoção de artefatos descritos na literatura variam desde filtros simples passa-baixa e filtros VAM até análise de wavelet, análise de componentes independentes ou principais, e filtros ótimos, como os filtros adaptativos de Wiener e Cowman. Sistemas de onda contínua. Os sinais FNIR brutos são convertidos em variações relativas de oxigenação utilizando a lei modificada de Beer-Lambert.

A densidade óptica em um comprimento de onda de entrada específico é a razão logarítmica entre a intensidade da luz de entrada e a intensidade da luz de saída. A DO também está relacionada à concentração e ao coeficiente de absorção do cromóforo, à distância corrigida entre a fonte de luz e o detector, além de um fator de atenuação constante, considerando a mesma intensidade de luz de entrada em dois momentos diferentes. A diferença em DO pode ser expressa apenas em termos dos valores de intensidade de luz detectada. Normalmente, os dois comprimentos de onda escolhidos são: um entre 700 e 900 nanômetros, onde a absorção da oxihemoglobina e da desoxihemoglobina é predominante em comparação com outros cromóforos teciduais, e outro abaixo e outro acima do ponto isoesbástico, que é aproximadamente 805 nanômetros, onde os espectros de absorção da desoxi- e da oxihemoglobina se cruzam.

Esta equação pode ser definida para resolver concentrações se a matriz dois por dois for não significativa. Após os valores relativos de alterações nos níveis de hemoglobina oxigenada e desoxigenada serem calculados, o próximo passo é extrair características com base no protocolo experimental e na tarefa cognitiva utilizada.

A extração de características é mais comumente utilizada para reduzir a quantidade de dados e para permitir comparações entre diferentes tarefas cognitivas, grupos de indivíduos e localizações anatômicas por meio de análise estatística. As características mais utilizadas envolvem os valores máximo, mínimo, médio ou mediano da hemoglobina oxigenada e desoxigenada e o tempo de reação, que é o tempo decorrido até a ocorrência do valor mínimo ou máximo. Essas características podem ser extraídas a partir de uma resposta hemodinâmica evocada a um determinado estímulo cognitivo, obtida por meio de paradigmas de ensaio único ou com épocas de dados ou blocos de dados correspondentes a certas condições implementadas por meio de delineamentos e paradigmas de ensaio em blocos.

A suíte May é composta por três componentes, cada um direcionado a uma fase específica do experimento: planejamento, experimentação e análise. O Maze Maker permite ao usuário projetar facilmente um ambiente 3D para cada etapa do protocolo experimental.

Ambientes simples podem ser criados em poucos instantes. Primeiro, defina a área do piso e, em seguida, use a ferramenta de parede para delimitar os limites do labirinto. Por fim, posicione o ponto de partida do sujeito e a área de saída.

Após salvar, a ferramenta de execução rápida pode ser usada para testar imediatamente o ambiente. Ambientes mais complexos podem ser criados para atender aos requisitos de um delineamento experimental específico. Os ambientes podem ser personalizados com a introdução de objetos interativos, controles de iluminação e texturização.

Usando o Construtor de Lista de Labirintos, arquivos Mel podem ser criados e salvos combinando combinações específicas de labirintos e mensagens personalizadas para uso como procedimentos experimentais. A funcionalidade do Masis pode ser utilizada para executar níveis de delineamento experimental específicos, que podem ser organizados com dificuldade crescente ou aleatória como um storyboard, ou com níveis de controle versus experimentais. Os ensaios individuais do experimento são executados por meio do uso do programa Maze Walker.

A alteração das configurações no Maze Walker permite aos usuários especificar ainda mais as condições do experimento. O controle pode ser modificado para aceitar entradas de diferentes dispositivos, incluindo teclado, mouse e joystick. Dispositivos externos podem estabelecer comunicação bidirecional com o Maze Walker, coletando informações ou acionando mudanças dentro do ambiente.

A comunicação do dispositivo pode ser realizada por TCP/IP ou cabo serial e pode interagir com uma grande variedade de dispositivos, incluindo EEG-fMRI e FNIR. Durante as sessões, mais Walker registraria os movimentos do sujeito juntamente com quaisquer eventos ocorridos durante a sessão. Com o programa Maze Analyzer, arquivos MACE podem ser exibidos com um caminho percorrido pelo usuário registrado para revisão.

Podem ser sobrepostos diferentes trajetos para auxiliar na análise, e informações estatísticas sobre diferentes tentativas podem ser calculadas. Além disso, as informações coletadas podem ser exportadas para Excel ou MATLAB para processamento adicional. Nosso repertório cognitivo inclui uma ampla variedade de funções e habilidades que podem ser acessadas por meio do uso de diversas tarefas, incluindo navegação espacial virtual, labirintos e padrões de ativação cerebral no córtex frontal, que variam desde a execução inicial de uma tarefa nova até após a prática e durante a retenção.

Utilizando a NIFR e focando no córtex pré-frontal, estamos aproveitando a função do CPF, especialmente a função executiva, a regulação da função cognitiva em ação, o uso do CPF durante tarefas de resolução de problemas e o uso de estruturas de nível superior enquanto se mantém múltiplos itens na memória de trabalho. A organização da prática ao aprender múltiplas tarefas semelhantes é um fenômeno de aprendizagem chamado efeito de interferência contextual. Os efeitos da interferência contextual tornam-se evidentes quando indivíduos adquirem múltiplas tarefas em diferentes cronogramas de prática.

Uma alta interferência contextual é criada quando as tarefas a serem aprendidas são apresentadas em uma ordem não sequencial e imprevisível. A prática em blocos com baixa interferência contextual é criada quando as tarefas a serem aprendidas são apresentadas em uma ordem previsível. Cada participante realizou 315 tentativas de aquisição, 105 tentativas de cada um dos três labirintos ao longo de três dias: segunda-feira, quarta-feira e sexta-feira.

Na segunda-feira seguinte, 72 horas após a aquisição, foram realizados 30 ensaios de retenção e 20 ensaios de transferência em ordem aleatória. A atividade do córtex pré-frontal foi monitorada durante todas as fases em 16 sítios ópticos. As medidas dependentes de FNIR incluíram alterações relativas na hemoglobina oxigenada média e medidas comportamentais do tempo total, trajeto, comprimento e velocidade média nos labirintos.

Os resultados comportamentais mostram que, para ambas as ordens de prática, há uma tendência monotonicamente decrescente no tempo do labirinto, o tempo total necessário para completar o labirinto, sugerindo que, conforme os participantes praticam, eles concluem o labirinto em períodos cada vez mais curtos, o que é esperado em avaliações comportamentais de aprendizagem. Além disso, a velocidade no labirinto, a velocidade média com que os participantes percorrem o labirinto, aumenta com a prática. Novamente, uma melhoria nas medidas comportamentais ao longo do tempo é esperada como inferência de aprendizagem para esses resultados.

Há uma comparação paralela da prática aleatória versus em blocos para cada tarefa de transferência na tarefa de transferência mais fácil. Na quarta tarefa em bloco, a prática em blocos superou a prática aleatória. No entanto, para a tarefa de transferência mais difícil, o labirinto cinco, a prática aleatória foi superior à média em blocos de oxigenação.

As alterações na concentração de hemoglobina durante os ensaios de prática indicam que a ordem bloqueada exigiu maior ativação cerebral em comparação com a ordem aleatória. Além disso, ao comparar dentro de uma ordem de prática para a aprendizagem em ordem bloqueada, uma nova tarefa, como na fase de transferência, exigiu maior ativação cerebral, considerando que a ordem de prática era diferente para as tarefas já aprendidas.

Para o participante que aprendeu a tarefa em uma ordem bloqueada, essa ordem de prática aleatória estratificada pode ter sido suficientemente nova para exigir esforço adicional e recursos cognitivos para realizar a tarefa. Além disso, para a ordem de prática aleatória, a fase de transferência da ativação neural não foi maior do que a fase de retenção. Em conclusão, este estudo exploratório demonstrou o uso do May Suite e da FNIR para estudar os aspectos neurocomportamentais da aprendizagem na navegação espacial.

O May Suite permite o design e a aplicação de ambientes 3D simples com uma interface gráfica amigável, e registra automaticamente medidas comportamentais para comparações intra ou interindividuais. A FNIR é uma ferramenta portátil, segura e não invasiva de monitoramento cerebral que tem sido utilizada em laboratórios clínicos e em ambientes naturais para estudar a ativação cerebral. Esperamos que esta apresentação tenha sido útil para explicar essas ferramentas.

Boa sorte com seus experimentos.