Experimentos com Interfaces Humano-Máquina:EMG

Estudo, projeto e construção de uma interface humano-máquina eletrônica para experimentos com sinais de eletromiografia – EMG



Introdução

Essa montagem gráfica que abriu nosso artigo, um lugar onde uma ação ocorre, parece sugerir uma máquina fazendo experimentos com uma interface máquina-humano. A criatura supera e então governa o criador para iniciar um novo ciclo. Mas, enquanto isso não acontece, propomos um trabalho sobre uma Interface Humano-Máquina, mais conhecida por HMI – Human-Machine Interface ou MMI – Man-Machine Interface, e como podemos construí-la: um pequeno aparato eletrônico conectado a partes de certos músculos para testarmos alguns experimentos de biofeedback.

Mas o que é uma interface? Dentro da Eletrônica, interface é um circuito ou dispositivo que interliga dois sistemas incompatíveis de modo que possam trocar informações entre si. Exemplos práticos de interfaces são o conversor A/D, que compatibiliza a saída de um circuito analógico com a entrada de um circuito digital; o modem, que faz com que dois equipamentos distantes e com funções diferentes troquem dados; e a popular interface USB que conecta todo tipo de ferramenta aos barramentos digitais do processador do nosso notebook. Imagine se a Internet pode ser também uma interface HMI. Blocos com combinações de 0’s e 1’s trafegam pela Web e podem conter comandos dirigidos para o homem e para a máquina através dessa interface.

 

 

BIOFEEDBACK

 

Biofeedback é uma técnica eletroterapêutica com a qual podemos aprender a ter controle voluntário sobre uma função fisiológica nossa, com a intensão de melhorar seu desempenho. Normalmente é utilizado algum aparelho eletrônico que capta os sinais elétricos da atividade fisiológica em estudo e nos informa de modo visual ou sonoro esses valores captados. Força de contração, intensidade do estímulo e tempo de resposta são algumas das variáveis medidas sobre grupos de músculos. Essa informação retornada pelo aparelho pode nos guiar para conscientemente alterarmos em nós a intensidade de tais sinais fisiológicos para cima ou para baixo. Com treinamento repetitivo podemos condicionar aquele processo fisiológico a funcionar de modo estável e desejado. 

 

Propomos nesse projeto a montagem de um aparato eletrônico, uma interface humano-máquina, que, conectada atraves de eletrodos a certos músculos nossos, possa captar, filtrar e amplificar os tênues sinais elétricos gerados em células neuromotoras quando estimuladas a agir sobre suas fibras musculares numa contração. Esses sinais, chamados assim de mioelétricos, depois de tratados pelo circuito da interface, podem ser então enviados de forma analógica para um outro sistema inteligente de controle, como o Arduino, para a sua digitalização, visualização de sua forma de onda, geração de sons ou mesmo controle de pequenos motores.


Os sinais elétricos nos músculos do corpo humano

Foi o médico bolonhês Luigi Galvani o primeiro a estudar a relação  entre eletricidade e contração muscular, em 1791. Mas foi somente em 1838 que outro italiano Carlo Mateucci demonstrou com o auxílio de um galvanômetro a atividade elétrica numa contração muscular em experimentos com sapos. Dez anos depois o fisiologista alemão Emil du Bois-Reymond demonstrou por meio de galvanômetros mais sensíveis que era a passagem de uma corrente elétrica por fibras musculares que provocava contrações musculares. Em 1944 os americanos Herbert Gasser e Joseph Erlanger (ambos, premio Nobel de Medicina naquele ano) revelaram a forma de onda desse sinal mioelétrico de um paciente numa tela de um tubo de raios catódicos (CRT), o primeiro osciloscópio; a partir daí a técnica para ler e interpretar esses sinais mioelétricos se desenvolveu e se tornou uma especialidade técnica médica com o nome de Eletromiografia (EMG) no campo da Neurofisiologia

A Eletromiografia basicamente captura com eletrodos posicionados sobre um músculo a ser observado e acoplados a amplificadores de altíssimo ganho a atividade elétrica que acontece quando este músculo contrai e quando relaxa. Numa contração muscular voluntária uma ordem concebida no cérebro é enviada por uma rede de células nervosas até uma unidade motora, um neurônio motor e todas as fibras musculares a ele conectadas por sinapse, na forma de um pulso elétrico conhecido por potencial de ação

 

NEURÔNIO MOTOR

 

Biofeedback é uma técnica eletroterapêutica com a qual podemos aprender a ter controle voluntário sobre uma função fisiológica nossa, com a intensão de melhorar seu desempenho. Normalmente é utilizado algum aparelho eletrônico que capta os sinais elétricos da atividade fisiológica em estudo e nos informa de modo visual ou sonoro esses valores captados. Força de contração, intensidade do estímulo e tempo de resposta são algumas das variáveis medidas sobre grupos de músculos. Essa informação retornada pelo aparelho pode nos guiar para conscientemente alterarmos em nós a intensidade de tais sinais fisiológicos para cima ou para baixo. Com treinamento repetitivo podemos condicionar aquele processo fisiológico a funcionar de modo estável e desejado. 

 

Para realizar um movimento voluntário com um certo grau de força várias unidades motoras podem ser recrutadas para atuarem em conjunto. A soma vetorial de todos os pulsos elétricos que percorrem as fibras musculares recebe o nome de potencial de ação da unidade motora, ou MUAP (Motor Unit Action Potential). Para sustentar uma contração muscular uma sequência de disparos de MUAPs deve ser mantida, como um trem de pulsos (pulse train), com informações codificadas específicas para cada fibra muscular envolvida. Como ondas ao percorrer as fibras musculares um MUAP em uma unidade motora cria uma região de ínfimos campos eletromagnéticos. Campos elétricos (ou magnéticos) originados de uma mesma fonte primeira interagem entre si e formam o que se chama de padrão de interferências. Na eletromiografia a forma espacial do padrão de interferências que será captada pelos eletrodos como antenas vai ser função da superposição das fases dos campos eletromagnéticos coerentes criados num grupo de unidades motoras 

 

POTENCIAL DE AÇÃO

 

Biofeedback é uma técnica eletroterapêutica com a qual podemos aprender a ter controle voluntário sobre uma função fisiológica nossa, com a intensão de melhorar seu desempenho. Normalmente é utilizado algum aparelho eletrônico que capta os sinais elétricos da atividade fisiológica em estudo e nos informa de modo visual ou sonoro esses valores captados. Força de contração, intensidade do estímulo e tempo de resposta são algumas das variáveis medidas sobre grupos de músculos. Essa informação retornada pelo aparelho pode nos guiar para conscientemente alterarmos em nós a intensidade de tais sinais fisiológicos para cima ou para baixo. Com treinamento repetitivo podemos condicionar aquele processo fisiológico a funcionar de modo estável e desejado. 

 


Os Neurônios

Neurônios são células especializadas dos nossos sistemas nervosos central (SNC) e periférico (SNP). Baseado em suas funções, os neurônios podem ser divididos em três classes: 1) neurônios sensoriais, que reportam ao SNC tudo o que acontece dentro e fora do nosso corpo; 2) neurônios motores, que transmitem comandos do SNC para os nossos músculos e outros órgãos; e, 3) interneurônios, que formam uma matriz de interconexões entre todos os tipos de neurônios

Normalmente para estudo divide-se um neurônio em tres regiões diferenciadas: 1) o corpo celular, chamado de soma, onde fica o núcleo da célula nervosa; 2) os dendritos, são ramificações que saem do soma e que servem de antenas receptoras do neurônio; e, 3) o axônio, um prolongamento tubular do corpo celular com terminações que servem de antenas transmissoras do neurônio. Potenciais de ação na forma de neurotransmissores são recebidos pelos dendritos, processados no soma e retransmitidos pelas terminações do axônio também por conexão sináptica a outros neurônios, formando assim uma rede de comunicações de sinais elétricos. Nessa rede existem neurônios cujos axônios se extendem a outros tipos de células, como os neurônios motores que se conectam por sinapse a fibras musculares dentro dos músculos esqueléticos.

 

Neurônios são células especializadas dos nossos sistemas nervosos central (SNC) e periférico (SNP). Baseado em suas funções, os neurônios podem ser divididos em três classes: 1) neurônios sensoriais, que reportam ao SNC tudo o que acontece dentro e fora do nosso corpo; 2) neurônios motores, que transmitem comandos do SNC para os nossos músculos e outros órgãos; e, 3) interneurônios, que formam uma matriz de interconexões entre todos os tipos de neurônios.

Um único neurônio pode ter em seu soma vários conjuntos de dendritos que podem receber muitos milhares de sinais de entrada de outros neurônios. Da mesma forma um neurônio pode ter muitas ramificações no extremo de seu axiônio que podem transmitir sinais de saída para outros tantos neurônios. 

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Canais de íons dependentes de voltagem

Voltage-gated ion channels modulate the electrical properties of the membrane and thereby play a crucial role in the integration and processing of information by neurons.

Voltage-gated ion channels are a class of transmembrane ion channels that are activated by changes in electrical membrane potential near the channel.

Canais de íons dependentes de Voltagevoltagem são proteínas da membrana que conduzem íons a altas taxas reguladas pela voltagem através da membrana.
O sensor de voltagem é uma região dos aminoácidos carregados com proteínas que se realocam após alterações no campo elétrico da membrana. 
AI

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