fNIRS e o Potencial de Aplicações na Neurociência Cognitiva
Papel dos Íons Cálcio:Os íons cálcio desempenham um papel crucial na transmissão de sinais dentro e entre os neurônios. Alterações nos níveis de cálcio intracelular podem influenciar diretamente a excitabilidade neuronal, a liberação de neurotransmissores e a atividade sináptica. Os Microestados de EEG podem detectar essas alterações porque as flutuações nos níveis de cálcio afetam a polarização das membranas neuronais, o que, por sua vez, influencia o campo elétrico medido pelo EEG MicroStates.
Ativação Neuronal: Quando neurônios em uma área específica do cérebro são ativados, seja por pensamentos, sensações, ou movimentos, eles aumentam o consumo de oxigênio e glicose para manter sua atividade.
Sinalização Química e Celular: A atividade neuronal elevada leva à liberação de vários metabólitos, como dióxido de carbono, íons de hidrogênio, adenosina, e óxido nítrico. Além disso, neurônios e células gliais (como astrócitos) liberam neurotransmissores e outros mediadores que sinalizam a necessidade de mais sangue.
Resposta Vascular: Esses sinais resultam em vasodilatação, ou seja, o alargamento dos vasos sanguíneos locais. A vasodilatação aumenta o fluxo sanguíneo para a região ativa, proporcionando mais oxigênio e glicose. Este aumento do fluxo sanguíneo é conhecido como hiperemia funcional.
Neuroscience 2024 NIRS fNIRS NIRx Publication
Naturalistic Environments Neuroscience 2023 NIRS Publication
Naturalistic Environments
With the advent of portable and wearable solutions, in addition to its intrinsic performance in the presence of movements, fNIRS is currently the ideal solution for studies that intend to evaluate cortical actitiy within naturalistic environments.
Cognitive States Neuroscience 2023 NIRS Publication
Cognitive States
fNIRS adds another dimension to studies investigating cognitive functions and mental states, since it is a portable technique not too sensitive to motion artifacts. Attention processes, inhibition mechanisms, and working memory, as well as other cognitive states, may be studied in natural environments with a fast setup preparation.
Motor Execution Neuroscience 2023 NIRS Publication
Motor Execution
Motor execution and fine movements depend on coordinated action of brain function and peripheral muscles. Its portability, ease of use in natural environments, and compatibility with bioelectric measures make fNIRS an optimal choice for studies investigating motor execution.
Emotions Neuroscience 2023 NIRS Publication
Emotions
Near-infrared spectroscopy is non-invasive and particularly well suited for evaluating activity in the prefrontal cortex, one of the regions involved in emotional processing. More specific areas related to emotional processing, such as the frontopolar cortex, are easily accessible for measurements by NIRS, making the technique particularly suited to explore the emotional domain.
Social Interaction Neuroscience 2023 NIRS Publication
Social Interaction
The ability of fNIRS to measure two or more subjects simultaneously, enables researchers to study cortical activity in response to social interaction. This way, a new dimension is added to studies investigating topics such as empathy, competitive and cooperative tasks, mother-child interactions and truth telling.
Speech and Language Neuroscience 2023 NIRS Publication
Speech and Language
Realistic experiments involve verbalized speech. As such, they should account for the muscle movements that are required for this process, and the eventual artifacts that these may cause. The robustness of fNIRS in the presence of muscle movements as well as its portability in comparison to other imaging techniques, render this technology a very promising tool for studying speech and language under a great variety of conditions.
Connectivity Neuroscience 2023 NIRS Publication
Connectivity
fNIRS brings connectivity studies to a new level. The hyperscanning modality enables both online feedback as well as offline analysis regarding within- and between-subjects connectivity. In addition to that, fNIRS fast sampling rate for hemodynamic states allows for a quick update rate of connectivity feedback, resulting into enhanced subject engagement.
Developmental Changes Neuroscience 2023 NIRS Publication
Developmental Changes
The portability of fNIRS, its performance in presence of general movements and the feasibility it offers in exploring cortical responses in social environments, represent the greatest advantages for studies on brain functional changes during development of infants and children.
Infant Neuroscience 2023 NIRS Publication
Infant
Infant monitoring is based on continuous measurements of cortical activity within a population that may be characterized by its constant movement. The low sensitivity of fNIRS to motion artifacts make this technique an ideal choice for studies intended to explore the many unknown features of the infant brain.
Neuroeconomics Neuroscience 2023 NIRS Publication
Neuroeconomics
A key interest of neuroeconomics research is value-based decision making, in which the prefrontal lobe is an important player. Although prefrontal activity has been explored with fMRI, the restricted environment does impose a limit to the number of applications that can be explored. fNIRS may represent a conspicuous improvement to the field, as it enables outdoor measurements that can be combined with simultaneous Eye-Tracking.
Somatosensory Neuroscience 2023 NIRS Publication
Somatosensory
fNIRS determines changes in hemoglobin oxygenation in the human head non-invasively, and has the advantage of being more robust to motion artifacts than fMRI. In addition, the application of fNIRS is more convenient for somatosensory research, especially when measuring patients with chronic pain, as measurements can take place on a more comfortable bench compared to the MR scanner bench.
Multi-modal Neuroscience 2023 NIRS Publication
Multi-modal
In order to render measurements more robust, information may be provided by different modalities. Many groups appreciate multi-modal applications with fNIRS. Typical combinations are fNIRS and EEG, Eye-Tracking or fMRI, but tDCS and TMS have also been applied to concurrently modulate brain activity.
Visual Stimulation Auditory System Neuroscience 2023 NIRS Publication
Visual Stimulation Auditory System
As fNIRS measurements are characterized by silent operations, innumerous possibilities of studies intended to explore cortical activation in the presence of controlled sounds can be achieved. Besides a better understanding of auditory processes in the brain, this may facilitate critical improvements on current solutions for cochlear implants.
Brain-Computer Interface BCI Neuroscience 2023 NIRS Publication
Brain-Computer Interface (BCI)
Given its great performance in the presence of muscle movements and the possibility of setting up measurements in realistic environments, fNIRS presents itself as an ideal candidate for the acquisition of cortical signals as reliable and representative inputs for Brain-Computer Interface investigations.
Event-Related Optical Signal Neuroscience 2023 NIRS Publication
Event-Related Optical Signal
fNIRS is potentially the only imaging method that may be capable to measure both hemodynamics and neuronal activity. The Event-Related Optical Signal, caused by changes in light scattering from activated neurons, is observable when employing high frequency sampling with fNIRS.
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A compreensão de das funções cerebrais é de extrema importância para aplicações em diversas áreas. Uma das grandes aliadas para esse entendimento do cérebro são através das neuroimagens, no qual apresentam um amplo crescimento em pesquisas e no mercado. Uma dessas tecnologias emergentes é a espectroscopia funcional de infravermelho próximo (fNIRS).
Nos últimos anos, o fNIRS vem apresentando uma representação cada vez maior como ferramenta para monitorar a atividade cerebral funcional, por apresentar características interessantes como portabilidade, segurança no uso, tolerância ao movimento, etc. Com grande aplicação em bebes e crianças, pelas características citadas, é possível fazer a análise cerebral em disfunções executivas, de linguagem e até transtornos de hiperatividade
As medições de fNIRS são realizadas transmitindo a luz NIR para o couro cabeludo, no qual percorre várias camadas antes de atingir o cérebro. A luz NIR é atenuada por absorção e dispersão e a profundidade de penetração de luz é proporcional a distancia fonte-detector. Esses dispositivos podem fornecer informações sobre alterações de concentração de oxihemoglobina e desoxihemoglobina e as medições podem ser aplicadas na cognição pelo fato desta análise não necessitar de concentrações absolutas e a atividade funcional é avaliada a partir de uma linha de base
Fonte: Caminho percorrido pelo NIRS (Pinti et. al., 2018)
Resumindo, o fNIRS pode fornecer sinais hemodinâmicos com alta amostragem temporal em estudos e aplicações como andar livremente em um ambiente aberto, realizar tarefas motoras, estímulos auditivos, neurociência social, etc. Como exemplo, o fNIRS pode ser aplicado a memória onde o voluntário executa uma tarefa de memória, em um ambiente livre no seu dia a dia. Também pode ser feito o estudo do efeito da desnutrição e de dificuldades sociais ou ambientais no neurodesenvolvimento de bebês que possuem família mais pobre.
Trazendo para o aspecto social, é possível registrar e analisar dados de hiperescaneamento do fNIRS em atividades como cantar, jogos manuais cooperativos, jogos de cata que envolvem blefe e até imitações. E mais, é possível você verificar quem tende a agir mais como líder, em um grupo de pessoas, onde é possível verificar que a junção temporoparietal mostra maior sincronização dos sinais de ativação neural. Já pensou fazer isso no recrutamento de profissionais para sua empresa?
O futuro do fNIRS
Já pensando a longo prazo, pela capacidade do fNIRS em permitir o neuromonitoramento de uma gama de populações, desde recém nascidos até idosos. Visa-se uma abrangência nos domínios da cognição do mundo real, interação social e neuroeducação. Além disso, é possível usar a ferramenta com outras medidas fisiológicas, como EEG ou fMRI, medidas sistemáticas (frequência cardíaca, pressão arterial), etc. Aliado a tecnologia, temos a segurança e o baixo custo e, com isso, tornando o fNIRS uma solução com potencial cada vez maior, em causar mudanças transformacionais.
Como podemos ver, o fNIRS é inofensivo, tolerante a movimentos e portátil, sendo adequado para diversas aplicações. Com um potencial enorme de expansão, ainda existem restrições: a falta de mão de obra qualificada, que ainda é limitada. A tecnologia visa auxiliar os cientistas em novas descobertas e desenvolvimento de novos projetos e isso deve ser realizado... o fNIRS já é realidade! Com muitas vantagens em relação ao fMRI, por exemplo, podemos dizer:
O futuro da neurociência cognitiva e social é promissor quando associado com fNIRS!
Referências
Pinti, P., Tachtsidis, I., Hamilton, A., Hirsch, J., Aichelburg, C., Gilbert, S., & Burgess, P. W. (2020). The present and future use of functional near‐infrared spectroscopy (fNIRS) for cognitive neuroscience. Annals of the New York Academy of Sciences, 1464(1), 5.
Liu, T., X. Liu, L. Yi, et al. 2017. Assessing autismo at its social and developmental roots: a review of autism spectrum disorder studies using functional nearinfrared spectroscopy.
Society for fNIRS. Software developed for fNIRS imaging. Accessed February 12, 2018. Emberson, L.L., B.D. Zinszer, R.D.S. Raizada, et al. 2017. Decoding the infant mind: multivariate pattern analysis (MVPA) using fNIRS. PLoS One 12: e172500.
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Autor:
Mouhamed Zorkot
