A capacidade de encontrar e aprender as melhores trajetórias que levam a um determinado objetivo proposto num ambiente e uma característica comum a maioria dos organismos que se movimentam. Dentre outras, essa e uma das capacidades que têm sido bastante estudadas nas ultimas décadas. Uma consequência direta deste estudo e a sua aplicação em sistemas artificiais capazes de se movimentar de maneira inteligente nos mais variados tipos de ambientes. Neste trabalho, realizamos uma abordagem múltipla do problema, onde procuramos estabelecer nexos entre modelos fisiológicos, baseados no conhecimento biológico disponível, e modelos de âmbito mais prático, como aqueles existentes na área da ciência da computação, mais especificamente da robótica. Os modelos estudados foram o aprendizado biológico baseado em células de posição e o método das funções potencias para planejamento de trajetórias. O objetivo nosso era unificar as duas idéias num formalismo de redes neurais. O processo de aprendizado de trajetórias pode ser simplificado e equacionado em um modelo matemático que pode ser utilizado no projeto de sistemas de navegação autônomos. Analisando o modelo de Blum e Abbott para navegação com células de posição, mostramos que o problema pode ser formulado como uma problema de aprendizado não-supervisionado onde a estatística de movimentação no meio passa ser o ingrediente principal. Demonstramos também que a probabilidade de ocupação de um determinado ponto no ambiente pode ser visto como um potencial que tem a propriedade de não apresentar mínimos locais, o que o torna equivalente ao potencial usado em técnicas de robótica como a das funções potencias. Formas de otimização do aprendizado no contexto deste modelo foram investigadas. No âmbito do armazenamento de múltiplos mapas de navegação, mostramos que e possível projetar uma rede neural capaz de armazenar e recuperar mapas navegacionais para diferentes ambientes usando o fato que um mapa de navegação pode ser descrito como o gradiente de uma função harmônica. A grande vantagem desta abordagem e que, apesar do baixo número de sinapses, o desempenho da rede e muito bom. Finalmente, estudamos a forma de um potencial que minimiza o tempo necessário para alcançar um objetivo proposto no ambiente. Para isso propomos o problema de navegação de um robô como sendo uma partícula difundindo em uma superfície potencial com um único ponto de mínimo. O nível de erro deste sistema pode ser modelado como uma temperatura. Os resultados mostram que superfície potencial tem uma estrutura ramificada.

A capacidade de encontrar e aprender as melhores trajetórias que levam a um determinado objetivo proposto num ambiente e uma característica comum a maioria dos organismos que se movimentam. Dentre outras, essa e uma das capacidades que têm sido bastante estudadas nas ultimas décadas. Uma consequência direta deste estudo e a sua aplicação em sistemas artificiais capazes de se movimentar de maneira inteligente nos mais variados tipos de ambientes. Neste trabalho, realizamos uma abordagem múltipla do problema, onde procuramos estabelecer nexos entre modelos fisiológicos, baseados no conhecimento biológico disponível, e modelos de âmbito mais prático, como aqueles existentes na área da ciência da computação, mais especificamente da robótica. Os modelos estudados foram o aprendizado biológico baseado em células de posição e o método das funções potencias para planejamento de trajetórias. O objetivo nosso era unificar as duas idéias num formalismo de redes neurais. O processo de aprendizado de trajetórias pode ser simplificado e equacionado em um modelo matemático que pode ser utilizado no projeto de sistemas de navegação autônomos. Analisando o modelo de Blum e Abbott para navegação com células de posição, mostramos que o problema pode ser formulado como uma problema de aprendizado não-supervisionado onde a estatística de movimentação no meio passa ser o ingrediente principal. Demonstramos também que a probabilidade de ocupação de um determinado ponto no ambiente pode ser visto como um potencial que tem a propriedade de não apresentar mínimos locais, o que o torna equivalente ao potencial usado em técnicas de robótica como a das funções potencias. Formas de otimização do aprendizado no contexto deste modelo foram investigadas. No âmbito do armazenamento de múltiplos mapas de navegação, mostramos que e possível projetar uma rede neural capaz de armazenar e recuperar mapas navegacionais para diferentes ambientes usando o fato que um mapa de navegação pode ser descrito como o gradiente de uma função harmônica. A grande vantagem desta abordagem e que, apesar do baixo número de sinapses, o desempenho da rede e muito bom. Finalmente, estudamos a forma de um potencial que minimiza o tempo necessário para alcançar um objetivo proposto no ambiente. Para isso propomos o problema de navegação de um robô como sendo uma partícula difundindo em uma superfície potencial com um único ponto de mínimo. O nível de erro deste sistema pode ser modelado como uma temperatura. Os resultados mostram que superfície potencial tem uma estrutura ramificada.

A capacidade de encontrar e aprender as melhores trajetórias que levam a um determinado objetivo proposto num ambiente e uma característica comum a maioria dos organismos que se movimentam. Dentre outras, essa e uma das capacidades que têm sido bastante estudadas nas ultimas décadas. Uma consequência direta deste estudo e a sua aplicação em sistemas artificiais capazes de se movimentar de maneira inteligente nos mais variados tipos de ambientes. Neste trabalho, realizamos uma abordagem múltipla do problema, onde procuramos estabelecer nexos entre modelos fisiológicos, baseados no conhecimento biológico disponível, e modelos de âmbito mais prático, como aqueles existentes na área da ciência da computação, mais especificamente da robótica. Os modelos estudados foram o aprendizado biológico baseado em células de posição e o método das funções potencias para planejamento de trajetórias. O objetivo nosso era unificar as duas idéias num formalismo de redes neurais. O processo de aprendizado de trajetórias pode ser simplificado e equacionado em um modelo matemático que pode ser utilizado no projeto de sistemas de navegação autônomos. Analisando o modelo de Blum e Abbott para navegação com células de posição, mostramos que o problema pode ser formulado como uma problema de aprendizado não-supervisionado onde a estatística de movimentação no meio passa ser o ingrediente principal. Demonstramos também que a probabilidade de ocupação de um determinado ponto no ambiente pode ser visto como um potencial que tem a propriedade de não apresentar mínimos locais, o que o torna equivalente ao potencial usado em técnicas de robótica como a das funções potencias. Formas de otimização do aprendizado no contexto deste modelo foram investigadas. No âmbito do armazenamento de múltiplos mapas de navegação, mostramos que e possível projetar uma rede neural capaz de armazenar e recuperar mapas navegacionais para diferentes ambientes usando o fato que um mapa de navegação pode ser descrito como o gradiente de uma função harmônica. A grande vantagem desta abordagem e que, apesar do baixo número de sinapses, o desempenho da rede e muito bom. Finalmente, estudamos a forma de um potencial que minimiza o tempo necessário para alcançar um objetivo proposto no ambiente. Para isso propomos o problema de navegação de um robô como sendo uma partícula difundindo em uma superfície potencial com um único ponto de mínimo. O nível de erro deste sistema pode ser modelado como uma temperatura. Os resultados mostram que superfície potencial tem uma estrutura ramificada.

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um sistema de simulação de circuitos neuronais, com interface de utilização amigável e arquitetura baseada em web. O sistema é direcionado ao estudo de redes de neurônios da medula espinhal, responsáveis pelo controle motor, sujeitas à ativação por vias superiores e periféricas ou por estímulos elétricos. Sua utilidade está relacionada à criação de hipóteses ou teorias sobre o processamento neuronal realizado no caso são ou patológico, a atividades como a interpretação de resultados de experimentos eletrofisiológicos realizados em humanos e no direcionamento e validação de procedimentos experimentais. Para os propósitos deste projeto, a simulação computacional é o recurso mais indicado a se utilizar, considerando o grande número de variáveis envolvidas e o caráter não-linear dos elementos constituintes. As simulações devem retratar de maneira fidedigna as principais propriedades que caracterizam os núcleos neuronais a se estudar. Essas propriedades estão associadas ao recrutamento de unidades motoras, às relações de entrada-saída dos conjuntos neuronais, à influência das vias aferentes sobre os motoneurônios, ao papel da inibição recorrente e da inibição recíproca, à geração de força e do sinal eletromiográfico, entre outros. A simulação do reflexo H, que é uma técnica muito importante utilizada em estudos neurofisiológicos, está presente neste trabalho. Pretende-se que o sistema de simulação aqui proposto seja uma ferramenta útil para pesquisa e ensino da neurofisiologia do controle motor, provendo subsídios que levem a um melhor entendimento dos circuitos neuronais modelados. / This work describes the development of a simulation system of neuronal circuitry, having a user-friendly interface and based on web architecture. The system is intended for studying spinal cord neuronal networks responsible for muscle control, subjected to descending drive or electrical stimulation. It is potentially useful in many activities, such as the interpretation of electrophysiological experiments conducted with humans, the proposition of hypotheses or theories on neuronal processing. Computer simulation is the most indicated approach to attain the objectives of this project because of the huge number of variables and the non-linear characteristics of the constituting elements. The simulations should mimic in a faithful way the main properties related to the modeled neuronal nuclei. These properties are associated with: i) motor-unit recruitment, ii) neuronal nuclei input-output relations, iii) afferent tract influence on motoneurons, iv) effects of recurrent inhibition and reciprocal inhibition, v) generation of force and electromyogram, and others. The generation of the H-reflex by the Ia-motoneuron pool system, which is an important tool in human neurophysiology, is included in the simulation system. The biological reality obtained with the present simulator and its web-based implementation make it a powerful tool for researchers in neurophysiology.

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um sistema de simulação de circuitos neuronais, com interface de utilização amigável e arquitetura baseada em web. O sistema é direcionado ao estudo de redes de neurônios da medula espinhal, responsáveis pelo controle motor, sujeitas à ativação por vias superiores e periféricas ou por estímulos elétricos. Sua utilidade está relacionada à criação de hipóteses ou teorias sobre o processamento neuronal realizado no caso são ou patológico, a atividades como a interpretação de resultados de experimentos eletrofisiológicos realizados em humanos e no direcionamento e validação de procedimentos experimentais. Para os propósitos deste projeto, a simulação computacional é o recurso mais indicado a se utilizar, considerando o grande número de variáveis envolvidas e o caráter não-linear dos elementos constituintes. As simulações devem retratar de maneira fidedigna as principais propriedades que caracterizam os núcleos neuronais a se estudar. Essas propriedades estão associadas ao recrutamento de unidades motoras, às relações de entrada-saída dos conjuntos neuronais, à influência das vias aferentes sobre os motoneurônios, ao papel da inibição recorrente e da inibição recíproca, à geração de força e do sinal eletromiográfico, entre outros. A simulação do reflexo H, que é uma técnica muito importante utilizada em estudos neurofisiológicos, está presente neste trabalho. Pretende-se que o sistema de simulação aqui proposto seja uma ferramenta útil para pesquisa e ensino da neurofisiologia do controle motor, provendo subsídios que levem a um melhor entendimento dos circuitos neuronais modelados. / This work describes the development of a simulation system of neuronal circuitry, having a user-friendly interface and based on web architecture. The system is intended for studying spinal cord neuronal networks responsible for muscle control, subjected to descending drive or electrical stimulation. It is potentially useful in many activities, such as the interpretation of electrophysiological experiments conducted with humans, the proposition of hypotheses or theories on neuronal processing. Computer simulation is the most indicated approach to attain the objectives of this project because of the huge number of variables and the non-linear characteristics of the constituting elements. The simulations should mimic in a faithful way the main properties related to the modeled neuronal nuclei. These properties are associated with: i) motor-unit recruitment, ii) neuronal nuclei input-output relations, iii) afferent tract influence on motoneurons, iv) effects of recurrent inhibition and reciprocal inhibition, v) generation of force and electromyogram, and others. The generation of the H-reflex by the Ia-motoneuron pool system, which is an important tool in human neurophysiology, is included in the simulation system. The biological reality obtained with the present simulator and its web-based implementation make it a powerful tool for researchers in neurophysiology.

Os dispositivos de assistência ventricular (DAVs) podem ser utilizados para a estabilização hemodinâmica de pacientes à espera do transplante cardíaco. Os avanços nas tecnologias e a utilização de materiais biocompatíveis vem contribuindo para o desenvolvimento de dispositivos com dimensões reduzidas e menor trauma ao sangue. A avaliação do desempenho desses dispositivos demanda a utilização de simuladores hidráulicos do sistema circulatório que reproduzam as pressões e fluxos existentes nas condições fisiológicas de interesse. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um simulador da circulação pediátrica com ajustes automatizados de pressões. O simulador é composto por um circuito hidráulico modelando os laços sistêmico e pulmonar e um sistema microcontrolado com uma interface de usuário para medição e visualização dos fluxos e pressões ventriculares e automatização dos ajustes das pressões arteriais aórtica e pulmonar (PAo, PAP) e das pressões atriais esquerda e direita (PAE, PAD). Duas bombas pulsáteis com 15 ml de volume de ejeção são utilizadas para modelar os comportamentos mecânicos dos ventrículos esquerdo e direito. As complacências da aorta e da artéria pulmonar e as pré-cargas dos ventrículos são simuladas por câmaras com volumes ajustáveis de ar e líquido (análogo sanguíneo) utilizando uma bomba de ar. As resistências hidráulicas dos laços são ajustadas por oclusores motorizados. Os sinais instantâneos dos fluxos de entrada e saída dos DAVs e das pressões arteriais, atriais e ventriculares são obtidos por transdutores e digitalizados em um microcontrolador que comanda os oclusores e a bomba de ar. Foram desenvolvidos algoritmos para ajustes das resistências, complacências e pré-cargas. Uma interface gráfica de usuário apresenta os sinais em tempo real (ou gravados) permitindo a escolha dos parâmetros e condições de simulação. O desempenho do sistema de automatização foi avaliado nas simulações de: 1) condições definidas pelo aplicativo da interface e 2) condições fisiológicas (normal e redução na contratilidade do miocárdio). No modelo hidráulico sistêmico as pressões foram ajustadas em ambas as situações com erro máximo de 0,5% para a PAo e 5% para a PAE em aproximadamente 80 segundos. No modelo completo da circulação o erro máximo para as simulações de condições fisiológicas foi de 4% para as pressões arteriais e 5% para as atriais. Os resultados obtidos demonstram que o simulador desenvolvido permite reproduzir adequadamente as características da circulação pediátrica essenciais para a avaliação do desempenho de dispositivos de assistência mecânica. O simulador é portátil, de fácil utilização e pode ser utilizado como ferramenta didática ou para o treinamento de profissionais da saúde envolvidos em assistência a pacientes com suporte circulatório. / Ventricular assist devices (VADs) can be used for the hemodynamic stabilization of patients waiting for heart transplantation. Advances in the technologies and the use of biocompatible materials have contributed to the development of devices with reduced dimensions and blood trauma. Evaluation of the performance of these devices demands the use of hydraulic simulators of the circulatory system that reproduce pressures and flows existing in physiological conditions of interest. This work aims to develop a simulator of the pediatric circulation with automated adjustments of pressures. The simulator consists of a hydraulic circuit modeling the systemic and pulmonary branches and a microcontrolled system with a user interface for monitoring flows and ventricular pressures, and automating adjustments of aortic and pulmonary arterial pressures (AoP, PAP) and left and right atrial pressures (LAP, RAP). Two pulsatile pumps with 15 ml ejection volume are used to model the mechanical behavior of the left and right ventricles. Aortic and pulmonary arterial compliances and preloads of the ventricles are simulated by chambers with adjustable volumes of air and fluid (blood analog) using an air pump. Motorized clamps adjust the hydraulic resistances of the loops. Instantaneous signals of VAD input and output flows and of arterial, atrial and ventricular pressures are obtained by transducers and digitalized in a microcontroller that commands the clamps and the air pump. Algorithms were developed to adjust the resistances, compliances and preloads. A graphical user interface displays signals in real time (or recorded) and allows selection of simulation parameters. The performance of the automation system was tested setting pressures in two situations: 1) simulations of random conditions defined by the interface software and 2) simulations of physiological conditions (normal and low myocardial contractility). In the systemic model, the pressures were adjusted in both cases (maximum error of 0.5% for AoP and 5% for LAP) in approximately 80 seconds. In the complete model, the maximum error for simulations of physiological conditions was 4% for arterial pressures and 5% for atrial pressures. The results obtained demonstrate that the simulator developed allows mimicking the relevant features of the systemic and pulmonary branches of the circulation needed to assess the performance of mechanical circulatory assist devices. The simulator is portable, easy to operate and can be applied in teaching and training of health professionals working with mechanical circulatory support of patients.

Os dispositivos de assistência ventricular (DAVs) podem ser utilizados para a estabilização hemodinâmica de pacientes à espera do transplante cardíaco. Os avanços nas tecnologias e a utilização de materiais biocompatíveis vem contribuindo para o desenvolvimento de dispositivos com dimensões reduzidas e menor trauma ao sangue. A avaliação do desempenho desses dispositivos demanda a utilização de simuladores hidráulicos do sistema circulatório que reproduzam as pressões e fluxos existentes nas condições fisiológicas de interesse. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um simulador da circulação pediátrica com ajustes automatizados de pressões. O simulador é composto por um circuito hidráulico modelando os laços sistêmico e pulmonar e um sistema microcontrolado com uma interface de usuário para medição e visualização dos fluxos e pressões ventriculares e automatização dos ajustes das pressões arteriais aórtica e pulmonar (PAo, PAP) e das pressões atriais esquerda e direita (PAE, PAD). Duas bombas pulsáteis com 15 ml de volume de ejeção são utilizadas para modelar os comportamentos mecânicos dos ventrículos esquerdo e direito. As complacências da aorta e da artéria pulmonar e as pré-cargas dos ventrículos são simuladas por câmaras com volumes ajustáveis de ar e líquido (análogo sanguíneo) utilizando uma bomba de ar. As resistências hidráulicas dos laços são ajustadas por oclusores motorizados. Os sinais instantâneos dos fluxos de entrada e saída dos DAVs e das pressões arteriais, atriais e ventriculares são obtidos por transdutores e digitalizados em um microcontrolador que comanda os oclusores e a bomba de ar. Foram desenvolvidos algoritmos para ajustes das resistências, complacências e pré-cargas. Uma interface gráfica de usuário apresenta os sinais em tempo real (ou gravados) permitindo a escolha dos parâmetros e condições de simulação. O desempenho do sistema de automatização foi avaliado nas simulações de: 1) condições definidas pelo aplicativo da interface e 2) condições fisiológicas (normal e redução na contratilidade do miocárdio). No modelo hidráulico sistêmico as pressões foram ajustadas em ambas as situações com erro máximo de 0,5% para a PAo e 5% para a PAE em aproximadamente 80 segundos. No modelo completo da circulação o erro máximo para as simulações de condições fisiológicas foi de 4% para as pressões arteriais e 5% para as atriais. Os resultados obtidos demonstram que o simulador desenvolvido permite reproduzir adequadamente as características da circulação pediátrica essenciais para a avaliação do desempenho de dispositivos de assistência mecânica. O simulador é portátil, de fácil utilização e pode ser utilizado como ferramenta didática ou para o treinamento de profissionais da saúde envolvidos em assistência a pacientes com suporte circulatório. / Ventricular assist devices (VADs) can be used for the hemodynamic stabilization of patients waiting for heart transplantation. Advances in the technologies and the use of biocompatible materials have contributed to the development of devices with reduced dimensions and blood trauma. Evaluation of the performance of these devices demands the use of hydraulic simulators of the circulatory system that reproduce pressures and flows existing in physiological conditions of interest. This work aims to develop a simulator of the pediatric circulation with automated adjustments of pressures. The simulator consists of a hydraulic circuit modeling the systemic and pulmonary branches and a microcontrolled system with a user interface for monitoring flows and ventricular pressures, and automating adjustments of aortic and pulmonary arterial pressures (AoP, PAP) and left and right atrial pressures (LAP, RAP). Two pulsatile pumps with 15 ml ejection volume are used to model the mechanical behavior of the left and right ventricles. Aortic and pulmonary arterial compliances and preloads of the ventricles are simulated by chambers with adjustable volumes of air and fluid (blood analog) using an air pump. Motorized clamps adjust the hydraulic resistances of the loops. Instantaneous signals of VAD input and output flows and of arterial, atrial and ventricular pressures are obtained by transducers and digitalized in a microcontroller that commands the clamps and the air pump. Algorithms were developed to adjust the resistances, compliances and preloads. A graphical user interface displays signals in real time (or recorded) and allows selection of simulation parameters. The performance of the automation system was tested setting pressures in two situations: 1) simulations of random conditions defined by the interface software and 2) simulations of physiological conditions (normal and low myocardial contractility). In the systemic model, the pressures were adjusted in both cases (maximum error of 0.5% for AoP and 5% for LAP) in approximately 80 seconds. In the complete model, the maximum error for simulations of physiological conditions was 4% for arterial pressures and 5% for atrial pressures. The results obtained demonstrate that the simulator developed allows mimicking the relevant features of the systemic and pulmonary branches of the circulation needed to assess the performance of mechanical circulatory assist devices. The simulator is portable, easy to operate and can be applied in teaching and training of health professionals working with mechanical circulatory support of patients.