Carlos Alessandro Silva dos Anjos
Dissertação apresentada ao Instituto de
Físiade SãoCarlos,daUniversidadedeSão
Paulo,para obtençãodotítulode Mestreem
Ciênias: FísiaApliada.
Orientador: Prof. Dr. Roland Köberle
Anjos. -- São Carlos, 2006.
Dissertação (Mestrado) - - Instituto de Físia de
São Carlos, 2006.
Orientador: Prof. Dr. RolandKöberle
1. Registro de spikes 2. Sistema visual 3.Interação
COMISSÃO JULGADORA:
Caixa Postal 369 - CEP 13560-970
São Carlos - SP - BRASIL
I
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Prof
Df.
Roland Koberle (Orientador e Presidente)
Prof
Df.
AntôniUCarlos
Roque da Silvà'l"t#td(FFCLRP
I
USP)
MEMBROS DA COMISSÃO JULGADORA DA DISSERTAÇÃO DE
MESTRADO DE
CARLOS
ALESSANDRO
SILVA
DOS ANJOS,
APRESENTADA AO
INSTITUTO DE FÍSICA DE SÃO CARLOS,
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO, EM
14/06/2006.
~. II'~
,
n
Instituto de Física de São Carlos
-l..,.
rol
UNIVI§RSIDADE
, f
S
(-U
SP
SERVIÇO
lNfORMACAO
DE BIB~\OTECA
Primeiramente eu agradeço a Deus pela saúde, amor, miseriórdia e apaidade que
me tem dado. Se estou aqui é por Ele e para Ele. Toda glória e louvor seja dado a
Deus,meuSenhor eSalvador da minhavida.
A meus pais Carlos Miguel dos Anjos e ElmaSilva dos Anjos, a minha irmã Sheysa
K. Silva dos Anjos e as minhas queridas avós Olinda e Amélia, pelo apoio e arinho
inondiionalnesses 27anos de vida. Eu amo voês.
A meu orientador, Professor Roland Köberle pela paiênia, onança, dediação,
auxílioeorientação nesse iniio de vida prossional.
A minhanoivaJanainaL.dos S.Pinto,portodosos momentosque estivemosjuntos,
mesmona distânia, porsempre areditar emmim. Obrigado pelo seu apoio. Te amo.
Aos ténios: Lirio Onofre, pelapaiênia em responder minhas perguntas, Ivanilda
H.Zuolotto de Stefani, peloauxílioem algumasmontagenssimples que tive quefazer.
Aosolegasde laboratório,BrunaD. L.Pinto (peloauxílionamontagemdas mosas
enoMatlab),NelsonFernandez, Ingrid(ompanheiranos momentosde aquisição),Ednei
Alves (pelo soorro na parte omputaional), Maion, Luiz (pela ajuda no uso da plaa
Axon) eNatali. Agradeçopelos momentosque passamos nesses dois anos. Que Deus os
abençoe.
AosolegasdoInstituto: Daniel,Fabiano,Guilherme,pelos momentosdivertidosque
passamos. A minha grande amiga AnaPaula, obrigadopelo ompanheirismo e amizade.
Que Deusos abençoe.
Aos olegas de Repúblia, pelos momentos que ompartilhamos nesses anos,
prini-palmenteaJosé Carlos,que meajudou emum dos momentosmais ompliadosque tive
poraqui.
As seretárias Maria Cristina Vieira Ligo da Silva, Wladerez Apareida Gounella
Caiadoe Elizabeth CristianaConti, peloauxílionas tarefas burorátias.
As funionáriasda biblioteadoInstituto de Físia de São Carlos.
tenha tamanha fé, a ponto de transportar montes,
se não tiver amor, nada serei.
Em um dos estágios do proessamento visual da mosa - a plaa lobular, uma para
adahemisfério daabeça da mosa- nós enontramos neurnios dediados à deteção e
proessamento do auto-movimento. Um destes neurnios, hamadoH1, deteta o
movi-mento de trás para frente na horizontal e os dois neurnios de ada lado da abeça
interagem, melhorandoa extração dainformaçãosobre o estímulogeradopeloambiente.
Neste trabalhonós apresentamos umainstalaçãoexperimentalde registrosimultâneo
dos dois neurnios H1, disutimos as diuldadesassoiadas om este esforço e os dados
preliminaresobtidos.
OsspikesgeradospelosneurniosH1sãoregistradosextraelularmenteomelétrodos
detungstênio, alimentamum head-stage,um pré-ampliadore umdisriminador,todos
dispositivoseletrniosanalógios,paraseremproessadosemumdigital,amderegistar
ostemposde hegada dos spikesom preisão de mirossegundos. Ohardware analógio
eo digitalsão ontroladospelo software LinuxRealTime,baseados emRTLinux.
O sistema de aquisição dos spike-times possui três anais de entrada e um de saída:
umaentradapara adaH1eum para sinronizaçãoeuma saídapara oenviodoestímulo
om 16bits de resolução, queonsiste nomovimentohorizontalde uma tela xa.
Nós disutiremos as diuldades enontradas durante os testes/eliminação dos erros
do equipamento. Estas têm sua origem em ter que ontrolar o wetware biológio e no
Inone ofthey'soptialproessingstages-thelobulaplate,oneforeahhemisphere
of the y's head -, we nd neurons dediated to the detetion and proessing of
self-motion. Oneof theseneurons, alledH1,detets horizontalbak-to-frontmotionand the
two neurons of eah side of the head interat, improving the extration of information
about the stimulus generated by the environment.
In this workwe presentanexperimentalsetuptoreord simultaneously fromthetwo
H1 neurons, disuss the diulties assoiated with this endeavour and preliminary data
obtained.
The spikesgenerated by the H1 neurons are piked up extraellularlywith Tungsten
eletrodes, are feed via a head-stage, a preamplier and a disriminator, all eletroni
analog devies, to be proessed from here on digitally, in order to register the spike
arrival times withmiroseond preision. The analogand the digitalhardware, basedon
RTLinux,are ontrolledby Linux RealTimesoftware.
The spike-timeaquisitionsystem hasthree inputandone outputhannel: one input
for eah H1 and one for sinhronization and one output for delivering the stimulus with
16bits resolution, onsisting of the horizontalpositions of arigidly movingpiture.
Wedisussthediultiesenounteredduringthetesting/debuggingoftheequipment.
These have their origin both having to ontrol the biologial "wetware"and the eletri
Lista de Figuras
1 Introdução 13
2 Sistema Visual 16
3 Aquisição de Dados 21
3.1 Desrição daExperiênia . . . 21
3.2 Aquisição de Dados . . . 23
3.3 Geração de Estímulos . . . 25
4 Metodologia 28 4.1 Testes . . . 28
4.2 Filtros Lineares . . . 37
4.2.1 Filtro Passivo Passa-Alta. . . 38
4.2.2 Filtro Passivo Passa-Baixa . . . 39
4.2.3 Filtro Ativo . . . 41
5 Resultados 42 5.1 Resultados dos Testes. . . 42
5.2 Raster . . . 44
5.3 Taxas de Disparo . . . 45
1 O olho omposto da mosa . . . 16
2 Representação esquemátia do sistemavisual damosa -orte lateral . . . 17
3 Células tangeniais da plaa lobular da Calliphora. As setas à direita
in-diamadireçãopreferenial(setasfehadas)edireçõesnulas(setasabertas)
das élulas. Diâmetromédiodas élulas éde 10
µ
m. A: anterior;P:posterior 194 Mosas abertas: A - Mosa antes dos eletrodos. B - Mosa pronta para a
aquisição . . . 21
5 Emazul temos aveloidadeda tela aada 2ms eemvermelhoas posições
da imagemna tela aada 2ms. Oraster para este estímulopode ser visto
na gura19. . . 22
6 Esquema do frontend analógiodosistema de aquisição. . . 23
7 Esquema do sistemade aquisição . . . 24
8 Oequipamento(a-disriminador;b-osilosópios;-plaahaveadora;d
- aixas de som; e -PC om RTLinux;f - hardware dediado; g -ontador
de spikes; h - monitor;i -a mosa preparada para aaquisição) . . . 26
9 Exemplo do estímulomostrando a parte aleatóriae aparte repetida . . . . 27
10 Taxa de disparo dolado direito48 spk/seg e esquerdo 39 spk/seg.
Obser-vamos queo lado direitotem muito mais spikes . . . 29
11 Esquema fora de esala para representar o sistema de aquisição omo foi
montadoprimeiramente. Otestedaparteanalógiadosistemadeaquisição
foi feitobaseado nesse esquema. Esse esquema valepara amosa virtuale
a verdadeira. . . 32
12 TeladoprogramaAxonSoperesponsávelpelaaquisiçãoanalógiadosinal
14 Mostra a presença de spikes duplos devido a alta freqüênia assoiada os
sinal do H1 . . . 36
15 Comparaçãoentre os spikesom esem osltro. Ospikesdaesquerda está
sem oltro e oda direitaestá om oltro . . . 37
16 Filtros passivos. a - Filtro passivo passa-baixa om freqüênia de orte
de(4khz), b- o ltro passivo passa-alta tefreqüênia de orte 3Khz . . . . 39
17 Filtro ativo tipoBessel tereiraordem om orte entre 300Hz e 5KHz . . . 40
18 Orasterde duasaquisiçõesomomesmoestímulo. Asrepetiçõesdoslados
direito e esquerdosão em relaçãoao eletrodo- A: raster de uma aquisição
que tem muitos spikes duplos e om uma taxa de disparo ruim para uma
aquisição de 11minutos. B: raster de uma aquisição no qual tivemos uma
pequena quantidade de spikes duplos. . . 42
19 Raster de um estímulo de onda quadradano qualtivemos taxade disparo
esquerda 20spk/seg e taxa de disparo direita28spk/seg . . . 43
20 A gura mostra o estímulo e dois rasters feitos om mosas diferentes,
mostrando a reprodutibilidade. . . 44
21 Taxa de disparo para diferentes tempos de orrelação junto om a
ali-bração. Ovalor -1noeixo X é ovalordataxa de disparo paraa alibração 46
1 Introdução
A razão da esolha da mosa está no fato de ser um sistema simples, que permite
transportar as ténias experimentais e teórias da físia para a pesquisa biológia e
assim fazerexperimentos in vivo, os quais podemos exeutar e analisarnum ontexto de
muitos parâmetros,onde todos são aparentementeneessários epreisamser ontrolados
om omínimo de interferênia no omportamentodoorganismo.
Quando os experimentos são repetidos nas mesmas ondições, os resultados podem
ser reproduzidosdentrode errostoleráveisedoinevitávelruído biológio. Amosa é um
animalde fáilmanipulação eriação emlaboratório enos possibilitarealizar aquisições
porlongos períodos de tempo.
Estamos interessados naordem Diptera, mais espeiamente nas mosas da espéie
Chrysomia Megaephala quedevidoaos exaustivosestudosdas últimasdéadas, tantono
aspeto neurosiológio[3, 8℄, omono aerodinâmio[5℄nos deu um erto onheimento
sobre suas propriedades.
A mosa usa a informação visual, sua fantástia aerodinâmia e seu meanismo de
vo extremamente eiente, para realizar arobaias aéreas, que lhe permitem fugir de
predadoresouperseguiroutrasmosasparaoaasalamento,et. Emaso deperseguição
aoutramosa,amosaqueperseguedeveestimaraposiçãoinstantâneadaoutraeapartir
dessaimagemajustarsuaveloidadeangulardemodoareduziradistâniaentreelas. Mas
omoa mosa usa essa informação,queé odiadaporseus neurnios, para interpretar
seu própriomovimento,e assim fugirdos predadores ouperseguir outrasmosas?
Para investigar alguns aspetos de omo a mosa odia e interpreta seu próprio
movimento é neessário entender melhor omo se dá a interação entre alguns neurnios
do seu sistema visual. Então preisamos de um sistema de aquisição de sinais neurais
que possa registrar os tempos dos spikes (poteniais de ação) dos dois neurnios H1
estágiosdoseusistemavisual),eleédefáilreonheimentodevidoaoseutipoderesposta
aestímulos visuais. Arespostasedáatravésdageraçãodepulsos (spikes=poteniaisde
ação)possibilitandoaquisiçõeseletrosiológiasextraelulares. ExistemdoisH1,adaum
loalizado naplaa lobular de ada hemisfério da abeça da mosa. O H1 é responsável
pela deteção de movimentos horizontais no sentido trás para frente, e faz parte de um
meanismode deteção de veloidade, quepode servir para medirseu automovimento,a
rotaçãoe atranslação.
Pensando no estudo da interação entre os H1, que através do uxo ótio pode dar
informaçõessobre o auto movimento damosa, implementamosum sistema de aquisição
de sinais neuraismultianalde temporeal, om uma resolução temporalde
aproximada-mente25
µ
sparaostemposdosspikes. Paratermosessa preisãousamosumomputadorqueutilizaum sistema operaionalde tempo real (RTLinuxfree kernel 2.4.4) eum
hard-ware dediado externo, que utiliza o porto paralelo (LPT1) omo meio de omuniação
om o omputador que é o responsável pela medida e registro dos tempos de oorrênia
dos spikes.
O sistemade aquisição possui três anais de entradae sua resolução temporalé
limi-tadapelostemposdelatêniasdesoftwareehardwaredoomputadorparaoatendimento
deinterrupções. Ainterrupçãooorreomahegadade umsinal aodisriminador,oque
libera um proesso no omputador para registrar o tempo de oorrênia desse sinal (no
aso um spike de um dos neurnios ou um sinal do sistema de sinronismo de geração
de imagens). Dos três anais,um éutilizadopara oregistro esinronismo do sistemade
geração de imagens de estimulo, que a ada 2ms muda a mesma tela para uma posição
diferente no monitor. Os outros dois anais são para o registro dos instantes de
oor-rêniados spikes dos neurnios. Osistema onta tambémom uma saída analógia om
resolução de 16 bits para ageração de estímulos visuais.
No Capítulo dois faremos uma breve desrição do sistema visual da mosa e das
propriedadesdoH1, e aexplanação de suas interaçõesom outros neurnios.
NoCapítulotrêsapresentaremosopreparodaexperiêniaemsi,algumaspropriedades
dosistema de aquisição ea geraçãode estímulos.
No Capítulo quatro, os testes feitos om o equipamento para validá-lo, assim omo
as diuldades apresentadas e as possíveis soluções, seguidos de uma breve desrição de
taxasde disparo para alguns estímulos.
E no Capítulo seis informaremos algumas onlusões sobre o que foi feito e o que
poderemos fazer futuramente.
2 Sistema Visual
Conheer algumas propriedades básias do sistema neural da mosa e o papel de
determinados neurnios no proesso da odiação da informação visual é fundamental
para aompreensão donosso trabalho.
O sistema visual da mosa pode ser dividido em: retina, lamina, medula, lóbula e
plaalobular(vergura 2). Todos estes estágios são formadospor regiõesquereetem a
posição relativados omatídeos no olho. Portanto, as imagens visuais aptadas pelo olho
são projetadas retinotopiamente nos estágios seguintes de tal forma que as relações de
vizinhançaentre pontos daimagem são onservadas dentrodo sistemanervoso [3,12℄
Figura1: Oolho omposto damosa
A informaçãovisualomeça aser odiadanos olhos (gura1). Na mosa,os olhos
sãoformadosporaproximadamente5000omatídeosporolhoomposto. Oomatídeoéum
pequeno olho, então a imagem perebida pela mosa é uma ombinação da informação
reebida pelos vários omatídeos que formam o olho omposto da mosa. O eixo óptio
de ada omatídeo possui orientação preisa em relação aos seus vizinhos. Como o olho
damosaéformadoporváriosolhospequenos(omatídeos) não existe umalenteentral
Figura2: Representação esquemátia dosistema visualdamosa - orte lateral
A transformação da luz em sinal elétrio oorre através da absorção de fótons por
um pigmentovisual presente nas élulas foto-reeptoras,o 3-hidroxi-retinal, queé ligado
a xanthopsina. Essa proteína se deforma quando absorve um fóton, desenadeando um
omplexo proesso bioquímio que resulta na despolarização da membrana elular da
élulafoto-reeptora [14, 15℄.
Cadaomatídeoonsistedeumalenteedeumrhabdomero. Oomatídeotemoformato
hexagonale é onstituído por um onjuntode oito élulas foto-reeptoras, duas entrais
(R7 e R8) e seis periférias (R1-R6). As élulas periférias (R1-R6), têm a mesma
sen-sibilidadeespetral, om pios na região do UV. A élula R7tem o pio de absorção na
regiãodo UV (ultravioleta) e aR8 naregião doazul ou verde [4℄.
Os foto-reeptoresR1-R6de omatídeosvizinhos têm eixos ótiosparalelos. Os sinais
medula. A luz atravessa uma lente de 30
µ
m de diâmetroque a projeta no nal de umaestruturailíndriadenominadarhabdomero. Osrhabdomerosdas élulasfoto-reeptoras
sãootiamenteisoladoseadaumdelesreebeluzdeumadeterminadaposiçãodoampo
visual.
Os foto-reeptores periférios (R1-R6) projetam seus axnios na mesma região da
lamina,queéopróximoestágiodoproessamentovisual. Osfoto-reeptoresdeomatídeos
vizinhosonvergem para um mesmo pontoda laminaonheido omo oluna laminar.
Nalaminaosinaldosfoto-reeptoreséinvertido,ampliadoeltradodemaneiraque
apenas a variaçãoda intensidade da luzseja odiada. Codiando apenas o ontraste
[10℄amosaevitaoproblemadeterqueaomodarinoordensdegrandezadeintensidade
de luminosa,que éa variação típia de um dia.
A medula foi pouo estudada devido ao tamanho diminuto de suas élulas, que
di-ulta aquisições eletrosiológias, mas há evidênias de que algumas élulas estejam
envolvidas nadeteção domovimento noampovisual [6℄.
A lóbula reebe informaçãode uma grande quantidadede élulasda medulaepouo
se sabe sobre sua função no sistema visual. Mas há fortes evidênias de que ela esteja
envolvida na deteção de movimento. Isto devido ao fato de ter neurnios sensíveis ao
movimentoquesóasmosasmahopossuem[6℄,indiandoapossibilidadedequealóbula
esteja envolvidana deteção eperseguição de pequenos objetos no ampo visual, função
queos mahos desempenhammelhor que asfêmeas [9℄.
Na plaa lobular há era de 60 neurnios grandes (diâmetro de 10
µ
m em média),que são responsáveis pela deteção de movimento em determinadas direções e sentidos.
Elessão lassiados de aordo om a direçãoe sentido prefereniais, modos de resposta
epropriedades de integração do estimulo.
Os neurnios que respondem pormeio de poteniaisde ação (spikes), projetam seus
axnios ou no hemisfério ontralateral (que é o aso do H1) ou no érebro entral [7℄
omoindia a gura3. OH1 eo V1 (gura3)respondem através de poteniais de ação.
A lassiação pela direção e sentido prefereniais é horizontal(H) e vertial (V). E em
relação às propriedades de integração, a maior parte das élulas identiadas responde
melhorquanto maiorfor o tamanhodopadrão visual.
Desses sessenta neurnios da plaa lobular, temos um interesse maior no H1, que
Figura3: CélulastangeniaisdaplaalobulardaCalliphora. Assetasàdireitaindiama
direçãopreferenial(setasfehadas)edireçõesnulas(setasabertas)dasélulas. Diâmetro
médiodas élulasé de 10
µ
m. A: anterior;P:posteriorontralateral.
OH1disparapulsosoquefailitaasaquisiçõeseletrosiológias,nãosendoneessário
fazeraquisiçõesintraelulares. Alémdisso,naplaalobularnãoexisteoutroneurnioom
asmesmaspropriedadesdoH1. Eleresponde aestímulos empratiamentetodoo ampo
visualdevido aofato de quesua rede dentrítia obrirtodaa plaalobular,oque failita
aidentiaçãopela sua resposta eletrosiológia[7℄.
OH1odiainformaçãosobreaveloidadedaimagem,direçãoesentidoprefereniais
etambém ésensível aoutros parâmetros omo ontraste e tamanhoda imagem[2℄.
A interaçãoentre osH1 pode nos permitirentender omoa mosaodia seu
movi-mento. Noaso sabemos quequando a mosaestá virando aabeça temos uma resposta
ontrária à direção de exitaçãoou aso ontrário um H1 inibe o outro fazendo om que
tenhamosumarespostamínima. Maisdetalhesde omofunionaainteraçãoentreosH1,
3 Aquisição de Dados
3.1 Desrição da Experiênia
Utilizamos mosas riadas em laboratório a m de ontrolar sua idade,
preferenial-mente mosas daespéie Chrysomia Megaephala de 5 a15 dias de vida,ujo ilo vital
éde mais oumenos 30dias.
Após a mosa estar xada om era em um tubo plástio, retiramos irurgiamente
aquitina daparte posteriorde sua abeça, de ambos os hemisférios. Também retiramos
uma amadade gorduraque obreo loal, eum músuloque se enontra naregião para
evitarmosaontaminaçãodaaquisiçãopelos spikes geradosporessemúsulo,gura4.A.
Figura 4: Mosas abertas: A - Mosa antes dos eletrodos. B - Mosa pronta para a
aquisição
A mosa é levada a outra mesa onde introduzimos dois eletrodos de tungstênio em
preferenial eda sensibilidadeespaial, queabrange pratiamentetodooampo visual.
O sinal é enontrado no axnio do H1. O estímulo visual é apresentado do lado
direito mas o sinal do H1 é registrado pelo eletrodo do lado esquerdo (ontralateral), o
mesmo vale quando apresentamos o estímulo visual do lado esquerdo e o sinal do H1 é
registradopeloeletrododireito. Umavez queenontramososinal doH1 deum dos lados
prouramososinal dooutroladotomandoodevido uidadode não interferir noprimeiro
sinal enontrado, evitando a presença de sinais ruzados, pois existe a possibilidade de
pegarmosoontralateral(oH1estánohemisférioopostoaoqueestáreebendooestímulo
visual) e o ipislateral (O H1 está no mesmo hemisfério que está reebendo o estímulo
visual) no mesmo eletrodo, e de outros neurnios (por exemplo, os vertiais). Uma vez
que enontramos os sinais de ambos os H1's, podemos realizar, om um pouo de sorte,
até 15horas de aquisiçãoextraelular estável esem interrupções.
Para alibraro sistema quegera os estímulos usamosum estímuloque não privilegia
nenhum dos H1 para entralizarmos omonitor. Esse estímulotem a formade uma onda
quadrada, ver gura 5, de forma que estimulamos um H1 por vez. Tentamos igualar as
taxasdedisparodos neurniosmovendoomonitorhorizontalmente(direitaouesquerda).
ComoosH1'ssãodiferentes,elestêm taxasdedisparodiferentes,então temosqueolharo
nossoontadordespikesdurantealgunsminutosparapodermosenxergaressaigualdade
entre as taxasde disparo dos H1's.
Figura5: Em azul temos a veloidadeda tela a ada 2ms e emvermelho as posiçõesda
Uma vez om os sinais enontrados eom omonitor entralizado, mostramos para a
mosa um estímulo visual, que se move na horizontal. No aso do teste do sistema de
aquisiçãousamosestímulos desorrelaionadoseoutros quatroom temposde orrelação
de 4,8, 12e 16ms sendo todos om média zero.
3.2 Aquisição de Dados
Aaquisiçãodostemposdosspikeséfeitaextraelularmenteatravésdaresposta doH1
que é obtida através de um eletrodo de tungstênio (modelo FHC - UEWSHGSEKP1M)
om impedânia entre 2 e 5 M
Ω
oloado na região de projeção do axnio do H1, nohemisfério ontralateral (no hemisfério oposto ao que está reebendo o estímulo visual),
entãooeletrodoesquerdopegaosinaldoneurnio direitoeoeletrododireitopegaosinal
doneurnio esquerdo.
Osistemaéformadopeloheadstage,pré-ampliador,ltro,disriminador,hardware
dediadoe omputadorom sistemaoperaionalRTLinux free. Osistemaontatambém
om uma saída analógiaom resolução de 16bits para a geraçãode estímulos, disutida
adiante.
Figura6: Esquema dofront end analógiodo sistemade aquisição.
Com a atual onguração temos uma preisão daordem de 25
µ
s, essa preisão podeO sistema pode ser dividido em uma parte analógia (Analog Front End) e outra
digital. A parte analógia é formada pelo head stage, pré-ampliador, o ltro
passa-faixaeodisriminador(versãonaldosistemadeaquisiçãomultianal). Odisriminador
fazaligaçãoentreapartedigitaleaanalógia. Apartedigitaléformadaporumhardware
dediado em omuniação om o omputador. Na gura 6 temos um esquema da parte
analógiado sistema,na gura 7 temos o esquema dosistema de aquisição e nagura 8
uma fotodo sistemade aquisição.
Figura7: Esquema dosistema de aquisição
O sinal do neurnio do sinal do H1 (é da ordem de 100
µ
v) é ampliado era de10 mil vezes em seguida ltrado (por um ltro ativo tipo Bessel de tereira ordem om
freqüênia de orte entre 300hz e 5Khz), e depois proessado por um disriminador de
pulsos,quedeteta aoorrêniade um pulsoquando um sinalultrapassa um ertolimiar
de tensão. Esse limiaré ajustado manualmente levando em onta a relação sinal ruído
direito, o sinal do neurnio esquerdo e o sinal de sinronismo do sistema de geração de
estímulo. Os sinais são assínronos, então uma das tarefas do hardware dediado é a
sinronizaçãoom o iruitogeradordo relógiointernoe armazenar emregistro.
Osinal quehegaaqualquer entrada dohardware dediadogera um pedidode
inter-rupção ao miroomputador om RTLinux. Entre o pedido de interrupção e a primeira
instruçãodarotinadosoftware noomputadorexiste umperíodode latêniaquenoaso
é de
±
4µ
s. No aso de hegada em anais diferentes temos o registro do temposimul-taneamente. Caso dois sinais heguem emum mesmoanal dentrodo tempo de latênia
da rotina, o segundo é armazenado em um registro intermediário e liberado após o
tér-mino da rotina de interrupção, gerando um novo pedido de interrupção para o registro
dosegundo sinal.
O sistema operaional RTLinux, instaladono omputador, adiionauma amadano
kerneldoLinuxquetomaoontroledasinterrupçõesdosistema,adiionandoumaamada
de hardware virtual entre o kernel e o hardware.
Quando oomputadorexeuta arotinade interrupção, eleveriaoregistrodo
hard-ware dediado paraidentiaro analque gerouo pedido,e exeutaa leituradoregistro
TSC(TimerStampCounter) eregistraoinstante doevento. OTSC éum registradorde
64bits, de alta preisão para mediçãode tempos emPC, que onta os ilos do lok da
CPUdesde ainiializaçãodo proessador. Assimaoorrênia dopulsoé registrado para
análiseposterior.
3.3 Geração de Estímulos
Durante o experimento a mosa observa uma imagem que se movimenta na direção
horizontal em um monitor de vídeo (Modelo Tektronis 608). A posição da imagem é
modiadaaada2ms,peloomputadorqueontrolaaexperiêniausandoumaseqüênia
de posiçõespreviamente denidas.
O sistemade vídeotransforma adaposição,de 16bits de resolução, emuma tensão
orrespondente entre 0 e 5 volts, que é apliado ao ontrole de posição horizontal do
monitor, alterando a posição da imagem. Não há movimento na vertial e a taxa de
varredura do monitoré de 500Hz. A imagem pode ter o tamanho máximo de 256 X 256
Figura8: O equipamento (a - disriminador; b - osilosópios; - plaa haveadora; d
-aixas de som; e - PC om RTLinux; f - hardware dediado; g - ontador de spikes; h
-monitor;i -a mosa preparada paraa aquisição)
distribuição gaussiana para a veloidade, om media zero e om vários valores de tempo
de orrelação. No aso usamos 0, 4, 8, 12 e 16 ms de tempo de orrelação, e mais um
estímulode onda quadradapara a alibração, mostrado nagura 5.
A duração de adaestímuloéde 20segundos, sendoque eleérepetido120 vezes,nos
dandoum tempototalde40minutosparaaexperiênia. Dos20segundos doestímulo,os
10primeirossegundossãosemprerepetidoseos10segundosrestantes sãoaleatórios,para
adavez que oestímuloérepetido,os 10segundos nais são diferentes. Dos 10segundos
iniiaistemosqueos5segundos naissão oinverso dos 5iniiais,omopode servistona
4 Metodologia
4.1 Testes
A experiêniaexigevários uidados noiníio, omo:
•
Aproura dossinaistemqueser amais preisapossível,poisoH1esquerdoprojetaseuaxnio até oladodireito, evieeversa, assimpodemosenontrar osinal doH1
direitoe doesquerdo noesquerdo nomesmo eletrodo.
•
Tendo enontrado o sinal de um dos lados, devemos ter uidadodurantea prourado sinal do outro lado, pois, podemos perder o sinal do neurnio já enontrado,
devido aomuniação entre os lados daabeça da mosa.
•
Sinais de outros neurnios próximos que podem ontaminar a aquisição, pois naregiãodaplaa lobulartemos outrosneurnios quetambémliberampulsos quando
estimulados, porexemplo o V1.
•
Temosque ter uma boarelação sinal ruído(SNR)paraambososanais dosistema.Uma vez ontornados os problemas iniiais signia que onseguimos um bom sinal.
Mas quando zemos as primeiras aquisições nos deparamos om alguns problemas que
requeriamsoluções. São eles:
•
Omonitoramentodos sinais de saída eentradadodisriminadorou maisompli-ado,pois tínhamosseis anais paraaompanhar (dois- esquerdo edireita -anais
para osspikesdigitalizados, dois anais para o monitoramentodo sinal analógioe
doispara aompanhar onivel mínimode disparodo disriminador),e somente dois
osilosópios.
om média zero. Essa diferença nas taxasde disparo aabava poluindo os raster,
pois, um lado sempre tinha muito mais spikes do que o outro fazendo om que o
rasterassemuito densodeumlado, eassimnão permitisseenxergarasestruturas
quedeveriam apareer devido àdireção preferenial de ada neurnio (gura 10).
Figura10: Taxade disparodolado direito48spk/segeesquerdo39spk/seg. Observamos
queo lado direito tem muito mais spikes
•
Apareeramspikesom intervalosde tempomenores queo tempode relaxaçãodosneurnios queé de +/- 2ms, o que sugeriutestes no equipamento.
•
As mosas sobrevivem pouo tempo om os dois lados da abeça aberta, fazendoomque tenhamos menos tempopara as aquisições.
Tentamos abordarada problema individualmentede formaque asse mais simples
entender o que estava oorrendo. Os problemas de unho biológio são de difíil
res-olução,mas oseletrniospodemosontornar,então partimosparaentenderoqueestava
oorrendo.
Começamos resolvendo o problema do monitoramento dos anais do disriminador,
para isso zemos um haveador para monitoramento dos anais (uma plaa que muda
entre os anais, ouseja, entre oseletrodos esquerdo e direito). Cada um dos anais (que
são dois)dohaveador, nos permitever: a saídadohead stage(sinal analógiodoH1),o
sinalquevaiparaohardware dediado(sinaljádigitalizado)eolimiarmínimodedisparo
(ovalormínimode tensãooqualodisriminadorenxergaaoorrêniade umspike). Isso
permitiuum melhoraompanhamentosem a neessidade de novosequipamentos.
Outra possibilidade, foi o uso de uma plaa da axon para esse aompanhamento, o
quefoi implementado posteriormente. Esta plaa permite olhar até 16anais
simultane-amente, também permitea realização de aquisições eletrosiológiasusando o programa
AxonSope. O Axonsope grava todo o sinal analógio do H1 (toda a urva), assim
podemosretirar ostemposdos spikesusandoo Matlabposteriormente. Fizemosalgumas
aquisições, usandoessaplaadaAxon,paraveriarapresençados spikesqueapareiam
om intervalosde tempomenores que2ms, o que disutiremosmais adiante.
Para tentar aompanharaquantidade de pulsosdisparados epara ajudarna
entral-ização domonitor usamos um ontador de spikes (ver gura 8)que nos dá uma taxa de
disparoaproximadaemtemporeal. Esseontador,ontaquantosspikesháemumajanela
de tempo de nove segundos e mostra esse valor durante aproximadamente 1 segundo, o
quenos dáuma noção aproximada dataxa de disparo de ada H1.
Após termos melhorado a forma de monitorar o equipamento, termos uma formade
observar a taxa de disparo aproximada de ada H1, de forma isolada e em tempo real,
passamosaabordarasituaçãomaisompliadaquefoiosurgimentodespikesommenos
de 2ms de intervalo entre eles. Isso não deveria oorrer, pois o tempo de oorrênia de
um spike é de mais ou menos 1ms e o neurnio preisa de mais 1ms de desanso para
liberar outrospike,assim não poderíamoster intervalos entre spikes om menos de 2ms.
Nós tínhamos alguns suspeitos a averiguar: outros neurnios poluindo as aquisições
(de repente a loalização dos eletrodos preisaria ser revista devido à possibilidade de
estarmospegandoalgunsdosvertiais),odisriminador(algumproblemadehardware)ou
Começamos por prourar nas mosas um outro lugar para pegarmos o sinal do H1,
então montamos várias mosas e pegamos o sinal do H1 em loais diferentes da plaa
lobular para ver se o problema era na posição dos eletrodos, pois este poderia estar
pe-gandooutrosneurnios, queapesarde nãoresponderem nadireçãodoH1,liberampulsos
aleatórios, omo no aso do V1. Veriamos que apesar da troa de lugar dos eletrodos
ou da impedânia dos eletrodos, a presença dos spikes om menos de 2ms ontinuava,
indiando -nos aprourar algonohardware.
Esgotadasaspossibilidadesomasmosas,passamosainvestigarohardware. Começamos
prourando algona parte analógia,entre os Head Stage eo disriminador (nessa époa
sem o ltro tipo Bessel). Fizemos alguns testes para ver se o sinal de um lado estava
ontaminando o outro, ou seja, se o sinal do lado direito estava passando para o outro
esquerdo, ou oontrário, emalgum pontodo front end analógio.
Otestedaparteanalógiaonsistiade: estandoomsinaldosdoislados,nós
desone-távamos em alguns pontos, nos quais ahávamos que o sinal poderia estar se ruzando.
Esses pontos poderiam ser naentrada do disriminadorouno pré-ampliador.
Os passos doteste eram:
•
Retiraroanal esquerdodaentrada dodisriminadorefazeruma aquisiçãosó omoanal direito;
•
Retiraro analdireito daentrada dodisriminadore fazeruma aquisição sóom oanalesquerdo;
•
Reonetarambosos anaisno disriminador;•
Retirar no pré-ampliador o anal esquerdo e fazer uma aquisição só om o ladodireito;
•
Retirar no pré-ampliador o anal direito e fazer uma aquisição só om o ladoesquerdo;
•
Reonetaros dois anais nopré-ampliador ;•
Retirar o o de referênia do lado esquerdo e fazer uma aquisição só om o ladodireito,
Figura 11: Esquema fora de esala para representar o sistema de aquisição omo foi
montado primeiramente. O teste da parte analógia do sistema de aquisição foi feito
baseado nesse esquema. Esse esquema vale para amosa virtual e averdadeira.
Quando desonetávamos os os de referênia, o ruído do lado que estava sem o o
de referêniaaumentava, mas osinal era failmentedisriminadopeloequipamento,uma
vez que aterrássemos os Head Stage, pois o o de referênia serve para o aterramento
daabeça damosa. Oesquema do teste analógiopode ser visto nagura 11.
Ligado Desligado Esquerda Direita
Spike Intervalo % Spike Intervalo %
<2ms <2ms
esq. edir. (normal) 46101 4597 9,97 51448 113 0,22
disriminadordir. disriminadoresq. X X X 35454 22 0,06
disriminadoresq. disriminadordir. 34433 424 1,23 X X X
pré-amplif. dir. pré-amplif. esq. X X X 53155 14102 26,53
pré-amplif. esq. pré-amplif. dir. 37600 186 0,46 X X X
oderef. dir. oderef. esq. 32400 3392 10,47 41119 766 1,86
oderef. esq. oderef. dir. 60089 3161 5,76 10235 1208 11,80
Tabela1: A tabelamostraquantidadede spikesomintervalosde tempomenores de 2ms
om uma aquisição de 5 minutos. Os X indiam que não há valores nesses loais, pois
estavamdesligados.
A idéia era veriar se o sinal de um lado estava ontaminando o outro, veriando
assim o que hamamos de rosstalk. Infelizmente os spikes om intervalos menores de
2ms ontinuavam a existir, omo pode ser visto na tabela 1, então a possibilidade do
pré-ampliadorestar om problemafoi desartada, poisquando retirássemoso onetor
desartavaa idéia dosinal estar ruzando nesse ponto. O quenos levou arer que havia
algo erradodo disriminadoraté o omputador.
Figura 12: Tela do programa AxonSope responsável pela aquisição analógia do sinal
dos H1. A tela de ima é oeletrodoesquerdoe ade baixoé oeletrododireito. Nota-se a
ausênia de alguns spikes presentes naaquisição analógia.
Coloamos a plaa Axon para auxiliar no monitoramento do experimento. Fizemos
uma aquisiçãosimultâneaom o disriminadordigital(nosso sistema de aquisição
multi-anal) e da plaa Axon (que faz uma aquisição analógia). Com a aquisição simultânea
poderíamos veriar a ausênia ou a presença dos spikes om intervalode tempo menor
de2ms,desdequeonseguíssemos identiarumaseqüêniade spikesnaaquisiçãodigital
ena analógiapara omparar.
Quando omparamos ambas as aquisições vimos que os spikes om intervalo menor
de 2ms existentes no sistema digital não existiam na aquisição do sistema analógio. Se
osspikes estivessem passando de um anal para o outro veríamosna aquisição analógia
spikes oinidentes em ambos os anais, o que não se veriou na região em que o
sis-temadigitalapresentou osspikesomintervalosde tempomenores de 2ms. Naaquisição
analógia os spikes om menos de 2ms não existiam e na aquisição digital esses spikes
dis-Para identiar uma seqüênia de spikes usamos o estímulode onda quadrada, onde
é fáilidentiar o padrão de resposta de um dos H1. Na gura 12vemos um momento
emque oneurniodireitoestá disparando(eletrodoesquerdo) e oneurnioesquerdo está
quase sem responder (eletrodo direito), o que era de se esperar devido a seus sentidos
prefereniais. Uma vez identiado um dos spikes fazia-se a diferença entre esse que foi
identiado e seus próximos, assim onseguíamos identiar uma seqüênia de spikes.
Ao veriarmos que os spikes om intervalo de tempo menor de 2ms não apareiam na
aquisição analógiafeita om o Axon, onrmamos mais uma vez que havia algoerrado
om odisriminador.
Abaixotemosumexemplodeaquisiçãonoqualtemososspikesomintervalomenores
de2ms, presentes nodisriminadordigital(tabela2)eo mesmotrehodaaquisiçãovisto
noAxonna gura12. Observandoa tela doAxonSope vemos aausênia dos spikesque
estãopintadosde inzanatabela. Osvaloresdatabelaestãoemsegundos. Osvaloresda
aquisição analógiasão menores devido ao fato de oorrer um pequeno atraso de 254ms
em relaçãoao iníioda aquisição digital.
Tempo dos spikes direito(segundos) Tempo dos spikesdireito (segundos)
Digital Analógio Diferença Digital Analógio Diferença
1,101032704 0,846339 0 1,038573056 0,783879352 0
1,241187584 0,98649388 0,140154880 1,03860992 0,783916216 3,686400E-05
1,289323264 1,03462956 0,188290560 1,050135296 0,795441592 0,011562240
1,297745408 1,043051704 0,196712704 1,050172928 0,795479224 0,011599872
1,393639424 1,13894572 0,292606720 1,0587008 0,804007096 0,020127744
1,429316608 1,174622904 0,328283904 1,05873792 0,804044216 0,020164864
1,451533824 1,19684012 0,350501120 1,068759552 0,814065848 0,030186496
1,459988224 1,20529452 0,358955520 1,068800256 0,814106552 0,030227200
1,470697728 1,216004024 0,369665024 1,076024832 0,821331128 0,037451776
1,606174464 1,35148076 0,505141760 1,076061696 0,821367992 0,037488640
1,733632768 1,478939064 0,632600064 1,081890816 0,827197112 0,043317760
Tabela2: Doladodireitotemosalgunsexemplosdespikesommenosde2msdediferença.
Osspikesemvermelhosão osproblemátios. Nota-se quea diferençadoposteriorpara o
anterioré menor que2ms.
Retiramosodisriminadorparaumaveriaçãoedesobrimosqueeletinhaumdiodo
em urto,oque estavainueniandonolimiarde omparaçãode baixoníveldo
intervalosde tempo menores de 2ms, poisoerro estava somente emum anal eos spikes
apareiam emambosos anais.
Figura 13: Mosa virtual. a - a mosa virtual vista lateral, b - o spike eletrnio,
-geradorde spikeseletrnios, d -a mosa virtual vistade ima.
A suspeita ontinuavasobre odisriminador. Tentamos umanova abordagemquefoi
simular (ingenuamente) a abeça damosa usando um pequeno reipiente(onde zemos
duas avidades para representar os lados da abeça da mosa om uma pequena
omu-niaçãoentre os lados), e um geradorde spikes eletrnio. Preenhemos essas avidades
om ringer, que é um liquido que oloamos na abeça da mosa quando esta omeça a
sear.
O gerador de spikes eletrnio tem uma freqüênia ajustável, então ada lado tem
umafreqüêniadiferente. Inserimosuma freqüêniaonstante, para analisarmosastaxas
de disparo que teríamos de ada lado. Usamos o mesmo método desrito na gura 11
para ver seontinuavamosspikesom intervalosde tempo menores de 2ms.
A idéia de usar uma mosaeletrnia era que, porsabermos afreqüênia que
estáva-mos oloando, tornaria mais fáil enxergar o possívelproblema. Tambémpara failitar
Simulamoso sinaldoH1 atenuando osinalsaído dogeradorde spikesera de 10000
vezes para termos um valor próximo à voltagem de disparo do H1. O spike gerado pelo
geradorde spikespodeser vistonagura13.b;nós oonstruímosdeformaaser pareido
om ospikeda mosa.
A idéia era ver se o disriminador estava dupliando alguns spikes. O que não foi
onrmado, pois nos raster vimosque as taxas estavam orretas, desde que o nosso
ger-ador de spikes estivesse ligado direto no disriminador. Os spikes duplos não apareiam
quandooloávamosogeradordespikesdiretonodisriminador,elessóoorriamquando
injetávamos na mosa virtual indiando a presença de um ruído ou algo que estava se
inorporandoao sinal que saíadaabeça da mosavirtual.
Figura14: Mostra apresença de spikesduplos devidoaaltafreqüêniaassoiada ossinal
doH1
Durante o proesso om a mosa virtual foi observada uma omponente de alta
freqüênia no sinal que estaria interferindo no disriminador, devido ao fato deste ser
muito rápido. Esta alta freqüênia que estava se assoiando ao sinal fazia om que ele
identiassealguns spikesomo seoorressem dois (vergura14). Essa era aorigemdos
spikes om intervalos menores de 2ms. O sinal estava muito instável, então foramfeitos
(ver gura16).
Essesltrospermitiramumaaquisiçãomaislimpa,ouseja,boapartedosnossosspikes
duplos(spikes om intervalosmenores de 2ms) sumiu,indiando queteríamosde oloar
ltros melhores. Os ltros atenuavam demais o sinal, de forma que foram substituídos
porum ltroativodotipoBesselde tereiraordemquepermiteapassagemde sinaisom
freqüênia entre 300Hz e 5Khz. Com a utilizaçãodesse novo ltro tivemos uma redução
signiativa dos spikes indesejados sem a atenuação dos ltros passivos. Faremos uma
brevedesrição dos ltros naseção posterior.
Nagura15mostramosadiferençadosinalomesemosltros. Oquepossivelmente
estava aonteendo é que um ruído externo de altafreqüênia estava se inorporandoao
sinal do H1, através do eletrodo, e omo o disriminadortem resolução o suiente para
enxergara variaçãodo sinal, ele interpretava uma queda devido à altafreqüênia que se
inorporava aosinal omo outro spike eassim, surgiam osspikesom intervalosmenores
de2ms, eodisriminadorenviavaparaohardware dediado2spikesaoinvésde 1. Como
podemos ver na gura 14 alguns spikes duplos apareem devido a esse ruído de alta
freqüênia.
Figura 15: Comparação entre os spikes om e sem os ltro. O spikes da esquerda está
sem oltro e o dadireita está om o ltro
4.2 Filtros Lineares
Filtros são dispositivos que têm por nalidade eliminar sinais de uma determinada
tores), ou ativo, quando emprega omponentes ativos (transistores, iruitosintegrados,
et.)
Um ltro linear aplia um operador linear a um sinal de entrada que varia om o
tempo. Os ltros lineares são muito omuns na eletrnia e no proessamento de sinais
digitais. Elessãoomumenteutilizadosparaeliminarasfreqüêniasnão desejadasde um
sinal de entrada ou para seleionar uma freqüênia de um sinal. Independentemente se
eles são eletrnios, elétriosou meânios, ou emquais faixas de freqüênia trabalhem,
ateoria matemátiados ltros linearesé amesma.
Existem vários tiposde ltros lineares,entre eles:
•
Um ltro passa-baixa: que permite a passagem de freqüênias abaixo de suafre-qüêniade orte.
•
Umltropassa-alta: quepermiteapassagemdefreqüêniasaimadesuafreqüêniade orte.
•
Umltropassa-faixa: quepermite apassagem apenas de uma faixade freqüênias.•
Umltrorejeita-faixa: quepermiteapassagemde todasasfreqüêniasforade umaertafaixa.
•
Umltropassa-tudo: quepermiteapassagem detodasasfreqüênias,porémalteraarelação de fase entre elas.
Dos ltros aima relaionados, o que nos interessam são os passa-alta, passa-baixa e
passa-faixa. Os ltros passa-faixa podem ser onstruídos a partir de ombinações entre
osltros passa-baixae passa-alta.
4.2.1 Filtro Passivo Passa-Alta
Um ltro passivo passa-alta (gura 16.b) é um ltro que permite a passagem das
freqüênias altas om failidade, porém atenua (ou reduz) a amplitude das freqüênias
abaixo da freqüênia de orte. A quantidade de atenuação para ada freqüênia e a
freqüênia de orte variade ltropara ltro.
Ele é muito utilizadopara bloquear as freqüênias baixas não desejadas emum sinal
onsideradas altas ou baixas quando estão aima ou abaixo da freqüênia de orte,
respetivamente.
O ltro passivo passa-alta mais simples existente onsiste de um apaitor em série
omumresistor. Ovalordaresistêniavezesovalordaapaitânia(R
∗
C)éaonstantede tempo; ela é inversamente proporional à freqüênia de orte, e o valorda amplitude
de saída dosinal é igual a metadedovalordaamplitude de entrada:
f
=
1
2
πRC
(4.1)Onde: f é afreqüênia, dadaemhertz, Ré ovalorde Resistênia,dado emomhs eC éo
valordaapaitânia, dado emfarads.
Figura 16: Filtros passivos. a - Filtro passivo passa-baixa om freqüênia de orte
de(4khz), b -o ltro passivo passa-altatefreqüênia de orte3Khz
4.2.2 Filtro Passivo Passa-Baixa
Oltropassivopassa-baixa(gura16.a)éonomeomumdadoaumiruitoeletrnio
quepermiteapassagemde baixasfreqüênias semdiuldadeseatenua(ou reduz)a
am-plitude das freqüênias maiores que a freqüênia de orte. A quantidade de atenuação
para adafreqüênia variade ltro para ltro.
Um iruito eletrnio simples que funiona omo um ltro passa-baixa onsiste de
um resistorem série om um apaitor. O apaitor exibereatânia, e bloqueiaos sinais
de baixa freqüênia, fazendo om que eles passem pela arga. A freqüênia mais alta
reduz a reatânia e o apaitor onduz om failidade as altas freqüênias. A freqüênia
tempoque oapaitor levapara searregar. Oapaitor levaum períodode tempopara
arregar e desarregaratravésdo resistor:
Figura17: Filtro ativo tipoBessel tereiraordem om orte entre 300Hz e 5KHz
•
As baixas freqüênias exigem um tempo longo para que o apaitor se arregueaté atingir pratiamente a mesma voltagem que a tensão de entrada. As altas
freqüênias o apaitor tem tempo apenas para uma pequenas arga antes que as
entradas invertam sua polaridade.
•
Asaídasobeedeseapenas umapequenaquantiadetempoomrelaçãoàssubidasedesidas daentrada. A uma freqüênia dobrada, existe tempo apenas para que o
4.2.3 Filtro Ativo
Um ltro ativo (gura 17) é um tipo de ltro eletrnio analógio, que se distingue
dos outrospelouso de um oumais omponentes ativos, quepodemproveralguma forma
de ampliação da potênia. Tipiamente estes omponentes podem ser uma válvula
terminia,um transistor ouum ampliador operaional.
Emeletrniaeproessamentodesinais,umltrotipoBesseléumavariedadedeltro
linear om uma resposta de fase o mais plana possível. Os ltros Bessel são omumente
utilizadosemsistemas de rossover de áudio.
A esolha pelo ltro ativotipoBessel foi devido àsua relaçãoótima quando se trata
5 Resultados
5.1 Resultados dos Testes
Apresentaremos a seguir alguns rasters e as taxas de disparo de alguns estímulos.
Osestímulos usados são de 20 segundos, então ada linha do raster é uma apresentação
do estímulo à mosa. No aso dos rasters apresentados aqui todos foram feitos om o
estímulodesorrelaionado ommédia zero; sendoque noestímuloapresentado nagura
9, notamos erta inversão na parte repetida (0 a 10 segundos) que é o que esperávamos
ver. Outra oisaadizeréquenos gráosabaixo,asrepetiçõesnoaso estãosereferindo
aoeletrodoenão aoneurnio registrado.
Figura 18: O raster de duas aquisições om o mesmo estímulo. As repetições dos lados
direitoeesquerdosãoemrelaçãoaoeletrodo-A:rasterdeuma aquisiçãoquetem muitos
No omeço dos testes, quando ainda não estávamos om os ltros, zemos algumas
aquisiçõesparatestaroequipamento;porexemplo,nagura18.Adoladoesquerdohavia
25989 spikes, desses 1510 tinham intervalos de tempo menor que 2ms, era de 6% dos
spikes eram suspeitos. Do lado direito havia 8514 spikes, desses, 965 tinham intervalos
de tempo menor que2ms; era de 11%dos spikes eramsuspeitos. A taxa de disparodo
ladoesquerdoéde 35spk/segedoladodireitoé11spk/seg. Oestímulofoiapresentadoà
mosamais oumenos35vezes, oquedáumtempototaldeaproximadamente11minutos
de aquisição. O problema dataxa de disparo diferente, neste aso, pode ter sido devido
à falta de alibração no iníio da aquisição. Reparamos que, apesar de termos muitos
spikesom intervalosmenores de 2ms, notamosqueasestruturas de respostade ada H1
émantida.
Depoisde oloadooltroativotivemos umaredução signiativados spikesduplos,
porexemplo: emumadasúltimasaquisições,doladoesquerdohavia96054spikes. Desses,
13 tinham intervalos menores que 2ms, era de 0,013% dos spikes eram suspeitos. Do
ladodireito havia128385spikes, 04tinhamintervalosde tempomenor que2ms, erade
0,003%dos spikes eram suspeitos, om taxas de disparoesquerdo de 44 spk/seg edireito
de 59spk/seg (ver gura18.B). Esta aquisição tem 40minutos.
Figura 19: Raster de um estímulo de onda quadrada no qual tivemos taxa de disparo
de um ltro ativo,pois,os passivosatenuavam demais osinal doH1. Por isso, a esolha
do ltro ativo tipo Bessel de tereira ordem; pois ele não atenuava o sinal e retirava as
freqüêniasindesejáveis, que estavamseinorporandoaele, além de ser omelhorquando
usadopara o aso de sinaisom transientes.
Então foineessárioinorporarnosistemade aquisição,umpaotedeltrosdeordem
maior, para eliminarmos possíveis omponentes de freqüênias altas que nos permeiam,
poiso sistema émuito sensível a interferênias, omo podemos notar nagura 15.
5.2 Raster
Figura 20: A gura mostra o estímulo e dois rasters feitos om mosas diferentes,
mostrandoa reprodutibilidade.
Umavez queonseguimosfazeraquisiçõesde formaaterpouosspikesduploszemos
umasérieomtemposdeorrelaçãodiferentes. Nesserasterépossívelveriaradireçãoe
liberapulsosespontâneosindependentedoestímuloaoqualéapresentado, porissovemos
algunsspikesdurante o momentoemque elenão deveria estar disparando.
O melhor raster para ver o sentido preferenial de ada H1 é aquele om o estímulo
de onda quadrada, no qualexitamos um H1 de ada vez(ver gura19).
Nagura20vemososrasterdeestímulosiguais;noasoéoestímulodesorrelaionado
ommédiazero. Podemosnotarqueapesarde seremmosasdiferentes,elessão pareidos
mostrandoa reprodutibilidadeda experiênia.
5.3 Taxas de Disparo
Apresentamos abaixo várias taxas de disparo para os H1 esquerdo e direito, de três
mosasdiferentes, om estímulos e temposde orrelação diferentes. Ostempos de
orre-lação estão embin, ada bin tem 2ms. Nota-se que não temos um padrão, namosa 1 o
H1 esquerdo dispara mais e nas mosas 2 e 3 é o H1 direito que dispara mais. Esta é a
diuldadena realização de experimentos, pois não temosontrole sobre isso.
Mosa 1 Mosa 2 Mosa 3
Estímulo Direita Esquerda Direita Esquerda Direita Esquerda
(spk/seg) (spk/seg) (spk/seg) (spk/seg) (spk/seg) (spk/seg)
Calibração 54 56 28 20 41 31
Tempo de 62 68 58 55 59 44
orrelação = 0
Tempo de 63 68 64 62 78 50
orrelação = 2
Tempo de 69 76 65 59 70 53
orrelação = 4
Tempo de 49 51 75 87 75 48
orrelação = 6
Tempo de 66 65 80 82 101 78
orrelação = 8
Tabela3: A tabelamostra ataxa de disparo de ada H1 para mosasdiferentes
Esperava-se este resultado, pois os H1's não devem ser simétrios. Notamos isso
enquanto ahamos o sinal, a maioria das vezes um dos H1 responde mais que o outro.
Mesmo fazendo a alibração om o estímulo de onda quadrada as taxas são diferentes.
Na gura 21 observamos as taxas de disparo para diversos estímulos om mosas
diferentes enotamos quenão há relaçãoentre elas.
Um problema freqüente são mosas que têm um H1 que responde muito mais que o
outro,atrapalhandobastantea aquisição,é oaso da gura10,ou seja,paree queo H1
não está perebendo oestímuloà sua frente.
Figura21: Taxa de disparo para diferentes tempos de orrelação juntoom a alibração.
6 Conlusões
Durante os testes do sistema de aquisição multianal surgiram várias situações que
preisavamser ontornadas. Algumasforamruiaisesuaresolução desumaimportânia
para avalidação dosistema.
Podemos armar que onseguimos ontornar alguns dos problemas de forma
satis-fatória,prinipalmenteosrelaionadosàeletrniadosistemade aquisição. Osproblemas
relaionados à forma biológia infelizmente não temos omo ontorná-los, de forma que
estamosamarradosàsituaçãoapresentadaaada mosaquemontamosparaaaquisição.
Os problemas biológios presentes no experimento, perebidos durante os testes do
sistema de aquisição foram: o fato de a mosa morrer mais rápido quando os dois lados
daabeça estão abertos, quando omparado om a formaanterior de montagem, que só
seabria umlado. Mesmoamosaestandoalimentadaeomringer nasua abeçaelanão
tem sobrevivido o suiente, o que aarreta em menos tempo para as aquisições. Outro
problema tambémrelaionado a essa parte biológiaestá na proura dos sinais de ada
H1,pois é neessária uma loalizaçãobastante preisapara eles.
Como temoso registrodos dois H1's éinevitável aomparaçãoentre astaxasde
dis-paroapresentadasporadaneurnio,assimaparee ofatode termosH1'squerespondem
muito mais que o outro quando olhamos para suas taxas de disparo. Não temos omo
ontornar esse tipo de situação sem troarmos a mosa. Outra oisa é pensarmos num
modomelhorde alibraçãoparatermosumataxade disparoaproximadamenteigualpara
ambosos lados.
Dos problemas eletrnios apresentados onseguimos ontornar todos. Os mais
rel-evantes foram: o monitoramento dos anais do disriminador e os spikes om intervalos
de tempomenores de 2ms (spikes duplos). O problema domonitoramentodos anais do
disriminador foi relativamente fáil de ser resolvido om o arésimo de um haveador
O problema dos spikes om intervalosde tempo menores de 2ms neessitava de uma
soluçãopara validaro sistemade aquisição. Este,foi resolvidoquandoaresentamos um
ltro ativo do tipo Bessel de tereira ordem, o qual eliminava o ruído que fazia surgir
os spikes duplos. Ele eliminava freqüênias abaixo de 300Hz e aima de 5kHz que se
inorporavam ao sinal do H1 no eletrodo, assim passando por toda a parte analógia,
permitindo que o disriminador enxergasse alguns spikes omo se fossem dois, fazendo
apareer osspikesque tinhamum intervalode tempomenores de 2ms.
Esse ruídode altafreqüêniaqueseinorporaaosinalpodeser eliminadoomoltro
queoloamosouusando umagaiola de Faraday. Nãosabemos sua origemaoerto, mas
deveser provenientedeomputadoresligadosnaregiãodolaboratório,redeelétria,redes
wireless,oloadas próximas, assim ontaminando nosso sistema.
Paraofuturotemosalgumaspretensõesemrelaçãoaosistemaatual,quantoàanálise
de dados e ajustes no sistema de aquisição. Em nível de ajustes queremos aperfeiçoar
o uso da plaa Axon, tanto em monitoramento quanto para aquisições extraelulares.
Podemos dizer que o monitoramento melhoraria bastante, pois poderíamos ver os seis
anaisao mesmotempono omputador. Coisa que hoje não é possível.
Queremos oloar tambémumpaotede ltrosmaisrobusto. DotipoBesseldesexta
ordem para termos uma suavização melhor do sinal e assim eliminarmos o problema do
ruídode altafreqüênia quenos permeia.
Tambémpretendemos utilizar dois monitores noestudo das interaçõesentre osH1's,
simulando a rotação e a translação de forma mais eiente, para podermos apresentar
estímulos diferentes para ada olho.
Uma outra possibilidade é ouso da teoria daInformação de Shannon para estudara
transmissãodainformaçãode um edos dois H1'seompararmosoquantode informação
extra étransmitida quando temos os dois H1's.
Alémdisso,queremostambémalularosltroslinearesdeprimeiraesegundaordem
para a reonstrução dos estímulos, omparando-a quando feita om um só H1 e usando
Referênias
[1℄ Borror, J.B., Delong, D.W. Introdução ao estudo dos insetos. São Paulo: Edgar
Blüher,[1988℄.
[2℄ A. Borst. Noise, not stimulus entropy, determines neural informationrate. Journal
of Computational Neurosiene,14, 419-437, [2003℄.
[3℄ A.Borst, J.Haag. Neural networks inthe okpitof the y.Journal of Comparative
Physiology A, 188(6),419-437, [2002℄.
[4℄ A.D. Brisoe, L.Chittka. Theevolutionof olorvision ininsets.AnnualReview of
Entomology, 46, 471-510, [2001℄.
[5℄ M.H. Dikinson, F. 0. Lehmann, S. P. Sane. Wing rotation and the aerodynamy
basis of inset y. Siene,bf 284, 1954-1960, [1999℄.
[6℄ J. K. Douglass, N. J. Strausfeld. Retinotopi pathways providing notion seletive
informationtothe lobula fromperipheralelementary motion-detetingiruits.The
Journal of Comparative Neurology, 457, 326-344, [2003℄.
[7℄ K. Hausen. Monokulare and Binoulare Bewegungsaswertung in der Lobula Plate
der Fliege.Verh. Dtsh. Zool. Ges., 49-70, [1981℄.
[8℄ K. Hausen. The lobula-omplex of the y: Struture, funtion and signiane in
visualbehaviour. In M.A. All. Photoreeption and vision in invertebrates,[1984℄.
[9℄ M.F. Land,T. S.Collet.Chasingbehaviourof houseies (Fanniaaniularis).
Jour-nal of Comparative Physiology, 89, 331-357, [1974℄.
[10℄ S.B. Lughlin. Coding Eieny and Design in Visual Proessing. Faets of Vision,
[1989℄.
[11℄ M Alpine. J.F. (ed.) Manual of Nearti Diptera. vol. 1, 2 e 3. , Canadá , Researh
Branh Agriulture, [1989℄.
[12℄ F. Rieke. Physial priniples underlying sensory proessing and omputation. NEC
Researh Institute, Tese de doutorado,229p, [1991℄.
[13℄ Pinto, Bruna Dayana Lemos. Translação e Rotação: proessamento de informação
no sistema visual da mosa, Instituto de Físia de São Carlos, USP, Dissertação
(Mestrado), [2005℄.
[14℄ K.Vogt. Is the Fly VisualPigment a Rhodopsin?.Z. Naturf,38, 329-333, [1983℄.
pig-ANEXO A -- Classe dos Insetos
⇒
OrdemDiptera
Os insetos perfazem mais de 800 mil espéies atalogadas (fato que justia uma
iênia para estudá-los: a Entomologia). Destas, aproximadamente120 mil são mosas.
Dos animais terrestres, os insetos são os mais abundantes, mais bem suedidos e mais
diversamentedistribuídos.
São osmais importantes invertebrados poispodemviveremloaisseos,esão os
úni-osapazes devoar. Aapaidadede voar permite-lhesesapardos inimigos,apturarem
presase enontrar pareiros para areprodução.
O seu tamanho variadesde menores que o maior protozoário (0,25 mm ou menores)
até maiores que o menor vertebrado (besouros om 26 m de omprimento ou libélulas
om 28mde envergadura de asa).
São abundantes emtodoohabitat,exeto nomar. Ainda queamaioriasejaterrestre
ouaérea, várias espéies vivemem água salobraou doe, solo, plantase dentroou sobre
animais,embora raramente matemos seus hospedeiros.
Nãoháerteza domotivoparaotremendo suessoevolutivodestesanimais,mas,das
suas araterístias prinipais, sem dúvida, a apaidade de voar aabou possibilitando
essa dispersão máxima. Outroaspeto importanteé ofatode serem animaispequenos, o
quepermite oupar miro-habitat,inaessíveisa outros animais.
Osinsetosapresentam ilode vidaurto,porissopodemsemultipliarrapidamente
em ondições favoráveis. Na gura 22 temos um exemplo de oleópteros (besouros ou
esaravelhos). Um únio asal de oleópteros pode produzir, em apenas 432 dias,
de-sendênia suiente para oupar a totalidade do volume da Terra! Assim, as espéies
predadorassão muito importantes para ontrolar o número de insetos.
espeia-Figura22: Exemplo de um oleópetro espéie Streptoerus speiosus
estudos nas últimas déadas, tanto no aspeto neurosiológio [7, 3℄, omo no
aerod-inâmio[5℄que nos deu um erto onheimentosobre suas propriedades.
Os Dípteros onstituem uma das maiores ordens de insetos e seus representantes
abundam em indivíduos e espéies em quase todos os lugares. A maioria dos Dípteros
distingue-se prontamente dos outros insetos alados por possuir somente um par de asas,
orrespondenteaopar anterior,transformando-seopar posteriorempequenas estruturas
lavadas denominadashalteres, quefunionam omoórgãos de equilíbrio[1℄.
A ordem Díptera pode ser dividida emduas sub-ordens [11℄: Nematoera e
Brahy-era.
A sub-ordem Nematoera englobaosdípteros quepossuem antenas om mais de seis
segmentos livremente artiulados, omo os mosquitos (Culiidae), borrahudos
(Simuli-idae) eebotomíneos (Psyodidae). A sub-ordem Brahyera reúne aqueles dípterosque
possuem antenas om três a ino segmentos, sendo que o último pode ser anelado ou
portar uma arista.
Dentro de Brahyera e da infraordem Musomorpha (Antiga sub-ordem
Cylor-rapha),estãoasfamíliasalvosdestetrabalho. Osdípterosdestainfraordemsãoonheidos
omodípteros superioresou dípterosmusóides.
AsmosasdafamíliaCalliphoridaeeSarophagidae,dogêneroChrysomyatêmorigem
nas regiões tropiaise subtropiais doVelho Mundo, e foramintroduzidasno Brasil por
voltadoanode 1976. Três espéiessão enontradas hoje naAmériadoSul: C. albieps,
C. hloropyga, C. megaephala. Estas mosas possuem um alto grau de sinantropia e
abundantes emalgumas regiões dopaís, inlusive emBelo Horizonte. Suas larvas
riam-seem fezes e matériaorgâniaem deomposição.
Com o onheimentoadquirido nos últimosanos e afailidade de realizar aquisições
eletrosiológias,a mosatornou-se um exelentemodelopara o estudode sistemas
