Uma nova abordagem experimental e analítico ao Neural Decodificação de Intenções Multimodal Durante Interação Social no Livremente-comportando bebês humanos
4 de outubro de 2015
Este protocolo apresenta uma nova metodologia para a decodificação neural da intenção de bebês que se comportam livremente durante a interação social improvisada com um ator. A atividade neural é adquirida usando eletroencefalografia (EEG) ativa de alta densidade não invasiva do couro cabeludo. Os dados cinemáticos são coletados com unidades de medição inercial e complementados com gravação de vídeo sincronizada.
O objetivo geral deste procedimento é capturar a atividade cerebral e dados cinemáticos de lactentes integrando eletroencefalografia de alta densidade com eletrodos ativos no couro cabeludo, unidades de medida inercial e gravações em vídeo, todas sincronizadas. Isso é realizado primeiramente colocando o capacete de EEG na cabeça do lactente e garantindo níveis aceitáveis de impedância entre cada eletrodo e o couro cabeludo. O segundo passo consiste em fixar as unidades de medida inercial na cabeça, nos braços e no tórax do lactente, bem como nas pulsos do pesquisador.
Em seguida, o experimentador interage com o bebê com o objetivo de iniciar uma resposta de imitação; o passo final consiste em digitalizar as coordenadas espaciais 3D dos eletrodos de EEG. Em última análise, a aquisição de dados de EEG e cinemáticos de bebês em comportamento livre permite investigar a base neural do desenvolvimento motor cognitivo e o surgimento da cognição social. Uma vantagem desta técnica em relação a outras abordagens que investigam a cognição social é que somos capazes de adquirir atividade neural em ação e em contexto durante os dois primeiros anos de vida.
Esse método pode ajudar a responder perguntas fundamentais na área de neurociência cognitiva, como qual é a relação intrínseca entre as mudanças no desenvolvimento da arquitetura cerebral e o comportamento? As implicações dessa técnica se estendem para o tratamento de problemas na cognição social e transtornos do espectro autista, pois ela pode ser usada para estudar marcos do desenvolvimento e a aprendizagem por imitação, como os bebês processam ações visuais e como se envolvem na comunicação social. Embora esse método possa fornecer insights para a compreensão do funcionamento do sistema de neurônios-espelho no cérebro humano precoce, ele também pode ser aplicado a outros sistemas cognitivos, como na aprendizagem atencional, no processamento de linguagem e no planejamento motor, a fim de estudar o surgimento e o desenvolvimento desses sistemas no cérebro humano.
Em geral, indivíduos novos neste método terão dificuldades porque alguns bebês podem ficar desconfortáveis com um novo ambiente, bem como com o uso do capuz de EEG. Fatores como sonolência e fome também podem levar o bebê a ficar impaciente. Comece conduzindo os pais do bebê até a sala experimental e explique brevemente o objetivo do experimento. Registre a idade em meses e o sexo do bebê.
Prepare o lactente para o eletroencefalograma ou EEG medindo a circunferência da cabeça em centímetros. Coloque a fita métrica ao redor da parte mais larga da cabeça, passando pelas sobrancelhas e ao redor da protuberância occipital na parte posterior da cabeça. Em seguida, meça a distância do nasn ao ian ao longo do plano sagital médio da superfície do couro cabeludo.
Posicione os eletrodos em um capuz de EEG conforme especificado pelo sistema internacional 10-20. Em seguida, coloque o capuz na cabeça do bebê. Alinhe o eletrodo CZ com o vértice da cabeça e centralize os eletrodos FP1 e FP2 na testa.
Ajuste o capuz de EEG para que ele fique posicionado simetricamente ao longo do plano sagital mediano da cabeça. Em seguida, conecte os eletrodos de referência, terra e gravação à caixa de controle. Ligue os indicadores de impedância, começando pelos eletrodos de terra e referência.
Use uma seringa pequena para injetar gel eletrolítico no espaço entre o couro cabeludo e o eletrodo. Certifique-se de que o nível de impedância do eletrodo esteja abaixo de 60 kiloohms. Os eletrodos ficam amarelos quando a impedância cai abaixo de 60 kiloohms.
Se a impedância atingir abaixo de 25 kilo ohms, elas ficam verdes. Em seguida, conecte os amplificadores ao computador host por meio de uma porta USB usando um conversor de fibra óptica para USB. Para preparar as unidades de medida inercial ou imus, abra o software do IMU.
Clique em novo na interface gráfica e configure as tiras do IMU seguro nos dois punhos, no tórax e na cabeça do bebê. Em seguida, fixe os IMUs nos dois punhos do experimentador. Por fim, conecte a caixa de entrada e saída do gatilho ao EEG e utilize.
Inicie colocando o bebê sobre a mesa de forma que ele fique de frente para o ator. Peça ao pai ou à mãe para sentar na cadeira atrás do bebê. Em seguida, registre os valores iniciais de impedância dos eletrodos de EEG utilizando o software de controle: selecione a aba de verificação de impedância, clique no botão "impedância ligada" e depois clique em "salvar impedância".
Para salvar as impedâncias, abra o software de gravação de EEG e crie um espaço de trabalho configurando o canal de EEG. Selecione a pasta onde os dados brutos serão salvos. Gere um nome de arquivo.
Selecione o número de canais a serem usados. Especifique 1000 hertz como frequência de amostragem e desmarque a opção habilitar filtros. Certifique-se de desmarcar a opção para habilitar segmentação para iniciar a gravação dos dados de EEG.
Clique no monitor, depois em reproduzir no programa gravador de EEG. Em seguida, clique em transmitir e gravar no software de gravação de IMU. Para iniciar a gravação dos dados cinemáticos, aplique três gatilhos para sinalizar o início do experimento utilizando o botão de pressão na caixa de entrada e saída.
Deixe o bebê descansar por um minuto enquanto registra os dados iniciais da linha de base. Realize o experimento com o bebê por aproximadamente 15 minutos. Tente provocar uma resposta de imitação no bebê.
Observe a variedade de comportamentos que o bebê pode apresentar durante o experimento, incluindo alcançar, agarrar, alcançar, oferecer, explorar, observar e imitar. Aplique cinco gatilhos na caixa de entrada e saída para interromper o experimentador quando o bebê ficar cansado ou após 15 minutos de interação terem transcorrido no software de gravação de EEG. Clique em interromper a gravação de dados no software de IMU.
Clique em parar na caixa de diálogo do fluxo para encerrar as gravações da IMU. Por fim, registre os valores finais de impedância selecionando a guia de verificação de impedância no software de controle. Clique no botão impedância ligada e depois em salvar impedância para armazenar os valores de impedância, e digitalize as coordenadas espaciais 3D dos eletrodos de EEG utilizando o scanner 3D de eletrodos de EEG e o software.
Para fazer isso, vá até arquivo e selecione novo espaço de trabalho no software. Carregue o arquivo de posição do eletrodo na primeira guia do espaço de trabalho. Em seguida, na barra de ferramentas de varredura, clique em iniciar varredura.
Use a câmera para escanear as localizações dos eletrodos, seguindo os padrões de luz em mudança no capuz. Para a imagem de fonte, adquira imagens ponderadas em T1 por ressonância magnética de alta resolução a partir do banco de dados público de MRI neurodesenvolvimental, que contém modelos médios de MRI como função da idade para os dois primeiros anos de vida. Por fim, realize a coregistração dos espaços EEG e MRI para obter a transformação geométrica, ajustando os pontos fiduciais indicados na MRI anatômica e os pontos fiduciais obtidos com o scanner 3D.
Utilizando o software de imagem cerebral. Este protocolo apresenta uma metodologia inovadora para a decodificação neural da intenção em bebés que se comportam livremente durante interações sociais não ensaiadas com um ator. Aqui, os histogramas de dados de EEG descrevem a distribuição do sinal padronizado de três eletrodos espacialmente representativos para cada um dos comportamentos analisados. O EEG e a IMU fornecem dados neurais com alta resolução temporal, os quais podem prever ações comportamentais em bebés que se comportam livremente.
Aqui, a precisão de classificação para um bebê de 20 meses é mostrada nesta matriz de confusão. A precisão geral de decodificação é de 85,2%. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como coletar dados de DEG e cinemáticos de bebês que apresentam comportamento de falha enquanto interagem socialmente com o experimentador. Uma vez dominada, essa técnica pode ser realizada em uma hora, se executada corretamente.
Ao realizar este procedimento, é importante estar atento à forma como o bebê reage ao ambiente, pois ele pode ser estranho para ele ou ela e causar distrações. Um ambiente pequeno e acolhedor para crianças, com menos de quatro pessoas presentes, pode ajudar a reduzir qualquer ansiedade que o bebê possa sentir devido ao novo ambiente. Após este procedimento, outros métodos, como conectividade funcional e efetiva, podem ser realizados para responder perguntas adicionais, como: como a interação e a coordenação entre regiões cerebrais contribuem para as funções cerebrais?
Acreditamos que esta técnica inovadora permitirá que pesquisadores da engenharia de reabilitação neurocognitiva explorem a atividade cerebral em um estado patológico, como o autismo.
Visão Geral
Este protocolo apresenta uma metodologia inovadora para a decodificação neural da intenção em bebés livres de movimento durante interações sociais espontâneas com um interlocutor. A atividade neural é adquirida por meio de eletroencefalografia (EEG) ativa de alta densidade no couro cabeludo, não invasiva, e os dados cinemáticos são coletados com unidades de medição inercial.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Neurociência
- Psicologia do Desenvolvimento
- Cognição Social
Antecedentes
- Este estudo investiga a base neural do desenvolvimento motor cognitivo em bebês.
- Explora o surgimento da cognição social durante os dois primeiros anos de vida.
- O método permite a aquisição da atividade neural em ação e contexto.
- Tem como objetivo abordar marcos do desenvolvimento e a aprendizagem por imitação.
Objetivo do Estudo
- Capturar atividade cerebral e dados cinemáticos de bebês.
- Compreender a relação entre arquitetura cerebral e comportamento.
- Estudar o funcionamento do sistema de neurônios espelhos no desenvolvimento cerebral humano inicial.
Métodos Utilizados
- Colocação do capuz de EEG na cabeça do bebê com níveis aceitáveis de impedância.
- Fixação das unidades de medição inercial no bebê e no experimentador.
- Interação com o bebê para iniciar respostas de imitação.
- Gravação dos dados de EEG e cinemáticos durante a interação.
Resultados Principais
- Aquisição bem-sucedida de dados de EEG e cinemáticos de lactentes.
- Compreensão de como lactentes processam ações visuais e se envolvem na comunicação social.
- Identificação de diversos comportamentos provocados durante o experimento.
- Implicações potenciais para a terapia de problemas de cognição social e transtornos do espectro autista.
Conclusões
- Esta metodologia oferece uma abordagem única para o estudo do desenvolvimento cognitivo em bebês.
- Amplia a compreensão dos mecanismos neurais subjacentes à cognição social.
- A técnica pode ser aplicada a outros sistemas cognitivos, como o processamento de linguagem e o planejamento motor.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Este método permite o estudo da dinâmica neural em bebés com comportamento livre durante interações sociais, oferecendo um sistema relevante para a descoberta precoce de biomarcadores em transtornos do neurodesenvolvimento. Ao capturar dados sincronizados de EEG e dados cinemáticos em contextos naturalísticos, ele apoia a redução mecanicista de riscos em alvos envolvidos nas vias da cognição social. A abordagem fornece valor preditivo para a compreensão da base neural da imitação e da comunicação social, que são pontos finais críticos em modelos pré-clínicos do transtorno do espectro autista.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite a investigação de hipóteses terapêuticas relacionadas à função do sistema de neurônios-espelho e às redes de cognição social.
- Valor Operacional: Fornece um sistema relevante para a doença, destinado à validação funcional de alvos em modelos infantis de neurodesenvolvimento.
Desenvolvimento de Ensaios e Triagem
- Valor Científico: Fornece medidas quantitativas de variáveis dependentes (espectros de potência de EEG, cinemática do movimento derivada de IMU) para padronização de ensaios.
- Valor Operacional: Permite leituras reproduzíveis com alta resolução temporal, possibilitando avaliação confiável de compostos em telas exploratórias.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Facilita o alinhamento translacional de biomarcadores ao vincular padrões de atividade neural a comportamentos sociais observáveis na infância.
- Valor Operacional: Garante a continuidade do descobrimento até a validação pré-clínica ao capturar assinaturas neurais ancoradas em comportamento.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método se integra aos fluxos de trabalho de descoberta inicial ao fornecer leituras neurais e comportamentais que informam estudos sobre o engajamento de alvos e modulação de vias antes da identificação de compostos líderes.
- Biologia da Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses sobre a dinâmica de redes neurais durante tarefas de interação social e com objetivos definidos.
- Triagem: Permite a preparação para ensaios por meio de fluxos de dados neurais e cinemáticos sincronizados, gerando saídas quantitativas e escaláveis.
- Análise: Gera métricas neurais e de movimento sincronizadas no tempo, possibilitando a comparação entre condições experimentais e estados comportamentais.
- Pesquisa Translacional: Relaciona biomarcadores neurais precoces com continuidade pré-clínica, modelando o surgimento da cognição social em uma janela de desenvolvimento relevante.
- Reutilização Empresarial: Estabelece uma plataforma reutilizável para avaliação longitudinal do desenvolvimento neural em múltiplos domínios cognitivos.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva na validação de alvos ao reduzir a ambiguidade mecanicista nas vias da cognição social.
- Valor Operacional: Aprimora a reprodutibilidade e a escalabilidade por meio da aquisição multimodal de dados e de paradigmas comportamentais padronizados.
- Valor Estratégico: Melhora as decisões de avançar/não avançar ao permitir a avaliação precoce do engajamento do alvo em circuitos neurais relevantes para a doença.
- Impacto no Portfólio: Apoia a priorização ajustada ao risco ao identificar biomarcadores com continuidade translacional para desfechos clínicos.
Considerações sobre a Implementação
- Exige especialização em neurofisiologia infantil, análise comportamental e sincronização de dados multimodais.
- Depende de sistemas de EEG de alta densidade, unidades de medição inercial e infraestrutura de rastreamento de movimento baseada em vídeo.
- Necessita padronização entre equipes para posicionamento de eletrodos, controle de impedância e protocolos de codificação comportamental.
- Envolve considerações de adaptação ao longo dos estágios de desenvolvimento e sistemas modelo para garantir a validade do sinal.
- É limitado pela tolerância de lactentes a sensores vestíveis e por fatores ambientais que afetam a qualidade dos dados, conforme observado na fonte.
