Abordagem baseada em matemática melhora a detecção do estado cerebral usando sinais fNIRS

Os pesquisadores desenvolveram um novo método que melhora muito a precisão da classificação do estado cerebral com espectroscopia funcional no infravermelho próximo (fNIRS). A técnica de imagem cerebral fNIRS permite aos investigadores medir a actividade neural: as células cerebrais activas precisam de mais oxigénio, pelo que as variações no fluxo sanguíneo e na saturação de oxigénio indicam quais regiões do cérebro estão em funcionamento. O fNIRS detecta essas alterações com segurança e sem procedimentos invasivos.

Apesar de suas muitas vantagens em ambientes clínicos – é portátil, econômico e confiável mesmo que o paciente se mova – os métodos de análise de dados fNIRS são menos avançados em comparação com outras técnicas de imagem cerebral.

Aproveitando a natureza dupla dos sinais fNIRS

Uma equipe de pesquisa internacional desenvolveu agora um método para classificar estados cerebrais com fNIRS que é especificamente adaptado às propriedades únicas do sinal fNIRS e, portanto, alcança resultados mais precisos. Em contraste com outros métodos de imagem cerebral, o fNIRS mede tanto o sangue oxigenado quanto o desoxigenado.

“Estes dois sinais mostram naturalmente padrões opostos, mas isso não significa que sejam redundantes”, explica Tim Näher, primeiro autor do estudo, que trabalha no Instituto Max Planck de Cibernética Biológica em Tübingen, Alemanha. “Em vez disso, eles nos dão insights complementares sobre a atividade cerebral”.

Näher e seus co-autores exploraram esta natureza dupla única do sinal fNIRS aplicando ferramentas matemáticas avançadas de um campo chamado geometria Riemanniana.

Para testar seu novo método, a equipe pediu a participantes saudáveis ​​que realizassem oito tarefas mentais diferentes, como imaginar jogar tênis, cantar internamente ou girar um objeto em sua mente. Com o novo arcabouço computacional, os pesquisadores conseguiram classificar com muita precisão quais das tarefas um participante estava executando, superando significativamente a precisão dos métodos tradicionais.

Nova abordagem pode ajudar a revelar sinais de consciência em pacientes

Os resultados poderiam desempenhar um papel importante na melhoria do diagnóstico de distúrbios de consciência. Estas condições são notoriamente difíceis de avaliar: os pacientes muitas vezes têm pouca ou nenhuma capacidade de se mover ou comunicar, tornando difícil determinar se mantêm algum nível de vigília e consciência. No entanto, um diagnóstico preciso é essencial para um tratamento eficaz e um prognóstico confiável.

É por isso que Näher colaborou com Lisa Bastian, da Universidade de Tübingen, num segundo estudo, realizado no laboratório de Bettina Sorger, na Universidade de Maastricht, que desenvolveu um novo paradigma fNIRS para avaliar se um paciente que não responde ainda está consciente. Para este fim, foi pedido aos participantes saudáveis ​​que realizassem uma tarefa mental – simulando um estado de consciência – ou permanecessem consistentemente inactivos.

O novo paradigma fNIRS combinado com a nova abordagem de análise de dados baseada na geometria Riemanniana provou ser notavelmente preciso na distinção entre estados cerebrais responsivos e não responsivos: identificou corretamente a capacidade de resposta todas as vezes e reconheceu com precisão a falta de resposta em nove entre dez casos.

“Até agora, fornecemos uma prova de conceito de que a nova estrutura fNIRS pode servir como uma ferramenta rápida, objetiva e acessível para apoiar diagnósticos mais confiáveis ​​e melhorar as decisões de tratamento para distúrbios de consciência”, diz Näher. “O próximo passo lógico seria testar o nosso método em pacientes reais.”

Os estudos são publicados na revista Neurofotônica.