NIRS fNIRS

Tuesday, 11 de March de 2025

NIRS fNIRS

O NIRS (Near-Infrared Spectroscopy) e o fNIRS (functional Near-Infrared Spectroscopy) são técnicas não invasivas que utilizam luz no espectro do infravermelho próximo para medir mudanças na oxigenação e desoxigenação do sangue no cérebro. Essas mudanças estão diretamente relacionadas à atividade neuronal, pois áreas cerebrais ativas demandam mais oxigênio e nutrientes, levando a alterações no fluxo sanguíneo e na oxigenação local. Vamos detalhar como o fNIRS faz inferências sobre essas mudanças e como isso se relaciona com a ativação de funções específicas do córtex cerebral.

NIRS-fNIRS
NIRS-fNIRS


Princípio Básico do fNIRS

O fNIRS se baseia na propriedade de que a luz no infravermelho próximo (700-900 nm) pode penetrar tecidos biológicos, como o crânio e o cérebro, e ser absorvida por moléculas específicas, principalmente:

  • Hemoglobina oxigenada (HbO): Absorve mais luz em torno de 850 nm.

  • Hemoglobina desoxigenada (HbR): Absorve mais luz em torno de 750 nm.

Ao medir a absorção de luz em diferentes comprimentos de onda, o fNIRS pode inferir as concentrações relativas de HbO e HbR, que refletem a oxigenação e a desoxigenação do sangue.


Relação entre Atividade Neuronal e Mudanças na Oxi/Desoxi

Quando uma região do cérebro é ativada (por exemplo, durante uma tarefa cognitiva ou motora), ocorre o seguinte:

  1. Aumento do Metabolismo Neuronal: Os neurônios ativos consomem mais oxigênio e glicose.

  2. Resposta Hemodinâmica: Para suprir a demanda, há um aumento do fluxo sanguíneo local (conhecido como acoplamento neurovascular).

  3. Mudanças na Oxi/Desoxi:

    • A concentração de HbO aumenta devido ao maior fluxo sanguíneo.

    • A concentração de HbR diminui porque o oxigênio é extraído do sangue para uso pelos neurônios.

Essas mudanças são detectadas pelo fNIRS e usadas para inferir a atividade cerebral.


Caminho para Inferir Ativação Cerebral com fNIRS

1. Coleta de Dados

  • Fontes e Detectores: O fNIRS usa emissores de luz (fontes) e detectores colocados no couro cabeludo. A luz é emitida e detectada após passar pelo tecido cerebral.

  • Sinais de Oxi/Desoxi: A absorção de luz é medida em dois ou mais comprimentos de onda para calcular as concentrações de HbO e HbR.

2. Processamento de Sinais

  • Filtragem: Os sinais são filtrados para remover ruídos (como pulsação cardíaca e respiração).

  • Modelagem Matemática: Algoritmos são usados para converter as medidas de absorção de luz em concentrações de HbO e HbR.

3. Inferência de Ativação Cerebral

  • Padrão de Resposta Hemodinâmica: Durante uma tarefa, espera-se um aumento em HbO e uma diminuição em HbR. Esse padrão é comparado com a linha de base (repouso).

  • Localização Espacial: A disposição das fontes e detectores no couro cabeludo permite mapear as mudanças em regiões específicas do córtex.

4. Correlação com Funções Cerebrais

  • Tarefas Específicas: Diferentes tarefas (motoras, cognitivas, visuais) ativam regiões específicas do córtex. Por exemplo:

    • Córtex Motor Primário: Ativado durante movimentos.

    • Córtex Pré-Frontal: Ativado durante tarefas de memória ou tomada de decisão.

  • Comparação com Outras Técnicas: Os resultados do fNIRS podem ser validados com técnicas como fMRI, que também medem a resposta hemodinâmica.


Vantagens do fNIRS

  1. Portabilidade: Pode ser usado em ambientes naturais, ao contrário de técnicas como fMRI.

  2. Baixo Custo: Comparado a outras técnicas de neuroimagem.

  3. Temporalidade: Captura mudanças rápidas na oxigenação (resolução temporal de ~0,1 segundos).

  4. Não Invasivo: Não requer injeção de contrastes ou exposição a radiação.


Limitações do fNIRS

  1. Profundidade de Penetração: A luz infravermelha só atinge o córtex superficial (2-3 cm de profundidade).

  2. Resolução Espacial: Inferior a técnicas como fMRI.

  3. Artefatos: Movimentos da cabeça ou mudanças na perfusão cutânea podem interferir nos sinais.


Exemplo Prático

Imagine um experimento onde um participante realiza uma tarefa de memória de trabalho:

  1. Tarefa: O participante deve lembrar uma sequência de números.

  2. Medição: O fNIRS detecta um aumento em HbO e uma diminuição em HbR no córtex pré-frontal.

  3. Inferência: Isso sugere que o córtex pré-frontal está ativo durante a tarefa, consistente com seu papel em funções executivas e memória de trabalho.


O fNIRS é uma ferramenta poderosa para inferir mudanças na oxigenação e desoxigenação do sangue cerebral, que estão diretamente relacionadas à atividade neuronal. Ao medir HbO e HbR, o fNIRS permite mapear a ativação de funções específicas do córtex cerebral, oferecendo insights valiosos sobre a organização funcional do cérebro e suas respostas a tarefas cognitivas, motoras ou sensoriais.

 

1. Emoção: Um Choque com Rápido Decaimento

As emoções envolvem ativação de circuitos corticais e subcorticais, mas o fNIRS pode contribuir especificamente para o estudo do córtex:

- Monitoramento da Atividade Cortical: O fNIRS pode medir mudanças na oxigenação do sangue em áreas corticais, como o **córtex pré-frontal** e o **córtex insular**, que estão envolvidos no processamento emocional.

- Complementaridade com EEG Microstates: Enquanto o EEG capta a atividade elétrica rápida, o fNIRS fornece informações sobre as mudanças hemodinâmicas associadas, criando uma visão mais completa da dinâmica cortical durante as emoções.

- Potenciais Evocados e Respostas Hemodinâmicas: O fNIRS pode detectar respostas hemodinâmicas associadas a potenciais evocados no córtex, ajudando a correlacionar eventos elétricos rápidos com mudanças metabólicas.


 2. Sentimentos: Uma Estrutura Metabólica e Conectômica

Os sentimentos envolvem alterações metabólicas e reorganização do conectoma, e o fNIRS pode contribuir para o estudo do córtex:

- Avaliação de Mudanças Metabólicas Corticais: O fNIRS pode medir o consumo de oxigênio e o fluxo sanguíneo cerebral no córtex, fornecendo insights sobre as bases metabólicas dos sentimentos prolongados.

- Conectividade Funcional Cortical: O fNIRS pode ser usado para estudar a conectividade funcional entre regiões corticais, ajudando a identificar como sentimentos persistentes, como a frustração, reorganizam o conectoma cortical.

- Memórias Episódicas e Plasticidade Cortical: Ao monitorar mudanças hemodinâmicas em áreas corticais como o córtex pré-frontal, o fNIRS pode ajudar a entender como sentimentos são consolidados como memórias episódicas.


3. Depressão Cortical Propagada (CSD) e EEG-DC como Biomarcadores

A CSD e o EEG-DC são propostos como biomarcadores de estados emocionais prolongados. O fNIRS pode complementar essas abordagens no córtex:

- Monitoramento de Ondas de Depolarização Cortical: O fNIRS pode detectar mudanças no fluxo sanguíneo cerebral associadas à CSD no córtex, fornecendo informações sobre a propagação de ondas de despolarização e suas consequências metabólicas.

- Correlação com EEG-DC: O fNIRS pode ser usado em conjunto com o EEG-DC para correlacionar variações lentas de potencial elétrico com mudanças hemodinâmicas no córtex, ajudando a entender a relação entre atividade elétrica e metabólica durante estados emocionais.

- Biomarcadores de Transtornos Emocionais: Padrões anormais de oxigenação cortical detectados pelo fNIRS podem servir como biomarcadores complementares para transtornos como depressão e ansiedade.


4. Relação com Estados Emocionais e Sentimentos

O fNIRS pode contribuir para a compreensão de estados emocionais específicos, como tristeza profunda, ansiedade, bipolaridade e estresse pós-traumático, focando no córtex:

- Tristeza Profunda e Depressão: O fNIRS pode identificar padrões de atividade hemodinâmica no córtex pré-frontal associados à persistência de estados depressivos.

- Ansiedade e Hipervigilância: O fNIRS pode monitorar a ativação do córtex pré-frontal e outras áreas corticais, ajudando a entender a manutenção de estados de alerta.

- Bipolaridade e Oscilações Emocionais: O fNIRS pode detectar mudanças rápidas na oxigenação cortical associadas a oscilações entre mania e depressão.

- Estresse Pós-Traumático (PTSD): O fNIRS pode ajudar a identificar padrões de conectividade funcional cortical associados à consolidação de memórias traumáticas.


5. CSD como Mecanismo de Memória Emocional de Curto Prazo

A CSD pode estar envolvida na consolidação de memórias emocionais. O fNIRS pode contribuir:

- Detecção de Alterações Metabólicas Corticais: O fNIRS pode monitorar mudanças no fluxo sanguíneo e na oxigenação cortical associadas à CSD, ajudando a entender como essas ondas de despolarização consolidam memórias emocionais.

- Correlação com EEG Microstates: O fNIRS pode ser usado em conjunto com o EEG para correlacionar padrões de microstates com mudanças hemodinâmicas no córtex, fornecendo uma visão mais completa da consolidação de memórias.


6. Implicações e Conclusão

O fNIRS e o NIRS podem ser ferramentas valiosas para intervenções terapêuticas focadas no córtex:

- Neuromodulação: O fNIRS pode ser usado para monitorar os efeitos da estimulação magnética transcraniana (TMS) na oxigenação cortical e na conectividade funcional.

- Neurofeedback: O fNIRS pode fornecer feedback em tempo real sobre a atividade hemodinâmica cortical, ajudando os pacientes a modular estados emocionais.

- Farmacologia: O NIRS pode ser usado para avaliar os efeitos de medicamentos no metabolismo cortical e na conectividade funcional.


 7. Referências e Evidências

- CSD e fNIRS: Estudos já utilizam o fNIRS para monitorar mudanças hemodinâmicas associadas à CSD no córtex em modelos de enxaqueca.

- EEG Microstates e fNIRS: Pesquisas combinando EEG e fNIRS mostram como padrões de microstates estão relacionados a mudanças na oxigenação cortical.

- Conectoma e fNIRS: O fNIRS tem sido usado para estudar a reorganização do conectoma cortical em transtornos psiquiátricos.


O fNIRS e o NIRS oferecem uma abordagem complementar às técnicas de EEG, CSD e análise do conectoma, fornecendo informações valiosas sobre a dinâmica metabólica e hemodinâmica do córtex cerebral durante estados emocionais agudos e prolongados. Embora não possam acessar estruturas subcorticais como a amígdala, essas técnicas são poderosas para estudar a atividade cortical e sua integração com outras metodologias pode abrir novas perspectivas para a pesquisa e o tratamento de transtornos emocionais e psiquiátricos.

 

NIRSport2 – Vantagens Únicas para
Aplicações em Pesquisa

Introdução e Visão Geral
O sistema NIRSport2 fNIRS oferece uma abordagem sofisticada para medir mudanças
relativas na oxigenação sanguínea através de luz visível (vermelha) e invisível
(infravermelha). Esse método permite o monitoramento não invasivo da atividade cerebral
nas regiões corticais. Utilizando luz de baixa intensidade – semelhante à luz solar, mas com
intensidades significativamente mais baixas – o sistema não requer géis condutivos ou
ambientes especializados, como salas de varredura ou espaços livres de ruído elétrico.

Fabricante Exclusivo
O NIRSport2 é fabricado exclusivamente pela NIRx Medical Technologies, com sedes em
Nova York, EUA, e Berlim, Alemanha, e uma rede global de representantes. No Brasil, a NIRx
faz parceria com a Brain Support Co. para oferecer suporte rápido e no local.

Características Técnicas e Capacidades
Portabilidade e Versatilidade
O NIRSport2 é um sistema fNIRS altamente portátil e móvel, que pode ser usado e
carregado pelo sujeito durante as medições sem necessidade de conexão a uma fonte de
energia. Sua portabilidade e flexibilidade foram validadas em inúmeros estudos revisados
por pares, que se concentram nas respostas hemodinâmicas das mudanças de oxi- e deoxi-
hemoglobina no córtex humano. Além disso, os sistemas NIRx são particularmente
adequados para pesquisas com crianças e bebês devido ao seu design adaptável.

Modos de Operação
O NIRSport2 suporta três modos de aquisição de dados: conexão USB a um computador,
WiFi e gravação direta em memória flash no dispositivo. Cada modo é otimizado para
ambientes de pesquisa específicos:

- Modo USB: Ideal para maximizar as taxas de transferência de dados, permitindo análise
em tempo real e minimizando interrupções durante experimentos de alta largura de banda.
- Modo WiFi: Conveniente para cenários onde a mobilidade é essencial; no entanto, as
conexões WiFi podem ser interrompidas quando a distância entre o sistema e o computador
aumenta.
- Modo de Gravação Direta em Memória Flash: Esse modo é útil em ambientes que
restringem sinais sem fio (por exemplo, UTIs hospitalares) ou como backup quando a
conectividade WiFi é instável.

Cobertura Completa da Cabeça e Configuração Flexível de Sondas
O NIRSport2 permite a imagem de toda a cabeça, uma vez que suas sondas podem ser
colocadas em qualquer lugar do couro cabeludo. Ao contrário de outros sistemas, que
frequentemente restringem a colocação das sondas a grades ou regiões específicas (como a
testa), o NIRSport2 oferece flexibilidade incomparável na disposição das sondas. Essa
capacidade é aprimorada pelo fato de que o amplificador é usado nas costas do sujeito, em
vez da cabeça, reduzindo o desconforto e melhorando a confiabilidade das medições.
O NIRSport2 é o único sistema que combina portabilidade com a capacidade de medir de
qualquer área da cabeça, incluindo o córtex occipital.

Configuração Personalizável de Fontes e Detectores
O NIRSport2 oferece uma versatilidade excepcional, com a capacidade de atualizar o
número de fontes e detectores:
- Número de Fontes: Atualizável de 8 para 16 fontes em incrementos de 8 fontes, com uma
configuração em tandem suportando até 80 fontes – um recurso líder na indústria.
- Número de Detectores: Da mesma forma, os detectores podem ser atualizados de 8 para
16 em incrementos de 8 detectores, com configurações em tandem suportando até 80
detectores.
Nenhum outro sistema oferece esse nível de atualizabilidade no número de fontes e
detectores.

Detectores de Curta Distância para Qualidade de Dados Ótima
O NIRSport2 suporta o uso de detectores de curta distância, que são essenciais para
minimizar o ruído fisiológico nos dados de fNIRS. O sistema pode ser configurado com
pacotes de oito detectores de separação curta, utilizando apenas um canal de detector para

otimizar a qualidade do sinal. Pesquisas mostraram que uma distância fonte-detector de 8
mm é ideal para esse propósito.
O NIRSport2 é o único sistema a oferecer 8 canais curtos enquanto sacrifica apenas um
optodo de detector, melhorando ainda mais a qualidade dos dados.

Sistema de Estabilização de Sondas
O NIRSport2 inclui um sistema de estabilização de sondas com mola, oferecendo várias
intensidades de mola para otimizar o conforto e o tempo de configuração. Isso é
especialmente benéfico ao trabalhar com populações sensíveis, como crianças.
Nenhum outro sistema portátil oferece esse nível de personalização na colocação das
sondas.

Inovações e Diferenciais
Design Inovador de Sondas
O NIRSport2 vem com sondas de ponta dupla que melhoram tanto o conforto quanto a
qualidade dos dados. Essas sondas especializadas penetram melhor nos cabelos, levando a
uma aquisição de sinal de maior qualidade.
Nenhum outro sistema portátil de fNIRS oferece sondas de ponta dupla, diferenciando ainda
mais o NIRSport2 dos concorrentes.

Segurança Óptica e Conformidade Regulamentar
O NIRSport2 atende a rigorosos padrões de segurança:
- Declaração de Conformidade CE (2013-12-05): Está em conformidade com a Diretiva
2004/108/EC para Compatibilidade Eletromagnética.
- Iluminação de LED Classe 1: Seguro para os olhos e a pele sob todas as condições
operacionais, conforme a Diretiva DIN EN 60825-1.
Essa conformidade garante que o sistema seja seguro para uso em vários ambientes de
pesquisa.

Otimização Avançada de Sinais

O software do NIRSport2 inclui um algoritmo avançado de otimização de sinal que ajusta
automaticamente a qualidade do sinal em 100 etapas. Esse recurso permite a qualidade
ideal do sinal, independentemente do tipo de cabelo ou características do couro cabeludo.
Nenhum outro sistema portátil de fNIRS fornece esse nível de otimização automática do
sinal, garantindo dados de alta qualidade em diversas populações de sujeitos.

Sensores de Movimento Integrados
Cada pacote de detectores do NIRSport2 inclui uma unidade de medição inercial (IMU) de 9
eixos que rastreia o movimento da cabeça, ajudando a explicar a variação nos dados em
experimentos que envolvem movimentação significativa do sujeito.

Desempenho em Movimentos dos Sujeitos
O NIRSport2 inclui hardware projetado para minimizar artefatos de movimento causados
pelo deslocamento do sujeito, como clipes organizadores de cabos e uma sobrecapa segura.
Esses componentes ajudam a estabilizar as sondas e bloquear a luz ambiental.
Nenhum outro sistema portátil oferece esse nível de redução de artefatos de movimento e
proteção contra luz ambiental.


Dinâmica da Troca de Conectomas Cerebrais

Trilhas da Frustração - EEG Microstates, CSD e Conectoma

A Mente é um Sistema Complexo que Busca Pertencimento sem Consciência

Interocepção da Homeostase Corporal

NIRs fNIRS

Acoplamento Eletromagnético e Ephaptic Coupling

NeuroInsight of CSD - A Emoção é Bioelétrica - O Sentimento é Metabólico - Cortical Spreading Depression

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Autor:

Jackson Cionek