A técnica de ressonância magnética funcional está evoluindo rapidamente de um interesse técnico para aplicações clínicas e em neurociência. Um grande número de questões, entretanto, ainda orbita o método de aquisição e análise de dados desta técnica. Este trabalho realizou a implementação de um protocolo de pesquisa por ressonância magnética funcional e a aplicação deste método para um estudo sobre mudanças de adaptação e dificuldade em memória de trabalho humana. Oito voluntários sadios foram submetidos a uma coleção de aquisições funcionais enquanto executavam uma tarefa de memória de trabalho n-back, promovida por estímulos visuais. Na aquisição de adaptação dos voluntários, foi observado mudanças na atividade neuronal do córtex visual primário devido a adaptação nos primeiros minutos de contato de cada indivíduo com a tarefa, possivelmente relacionando-se com o caráter visual do estímulo. Na segunda aquisição, a frequência de estímulos foi variada para modificar a dificuldade de realização da tarefa. Mudanças de atividade no lobo parietal superior, giro supramarginal e córtex pré-motor foram observadas, quando comparado as atividades de memória e controle, mas nenhuma mudança no córtex dorsolateral do giro pré-frontal, por vezes observado em experimentos de memória de trabalho, foi observada. Atividades no cerebelo foram identificadas apenas quando a condição de dificuldade foi extrema, tornando possível distinguir condições fáceis de difíceis de acordo com os resultados psciométricos. Adicionalmente às análises de mapa paramétrico, análises quantitativas identificaram uma relação entre a atividade no giro fusiforme e a demanda cognitiva proporcionada pelo aumento da dificuldade. Tais resultados demonstram a capacidade da técnica de ressonância magnética funcional para estudar construtos cognitivos como memória de trabalho, aprendizado e controle de dificuldade. / Functional magnetic resonance technique is rapidly evolving from a technical interest to clinical and neuroscience applications. A large number of questions, however, still orbits data acquisition and analysis. This work carried out all the implementation of a functional magnetic resonance imaging protocol and applied this method to a study on adaptive and difficulty changes in human working memory. Eight healthy volunteers underwent a sequence of functional acquisitions while performing an n-back working memory task, promoted by visual stimuli. In the adaptation experiment, changes in neuronal activity inside primary visual cortex were observed due to adaptation in the first minutes of contact of each individual with the task, possibly related to the visual feature of the stimulus. In the second acquisition, frequency of stimuli was varied to modify task difficulty. Activity changes in the superior parietal lobe, supramarginal gyrus and premotor cortex were observed when comparing memory and control, but no change in prefrontal gyrus dorsolateral cortex, as sometimes observed in working memory experiments, was observed. Activities inside cerebellum were identified only when difficulty condition was extreme, making it possible to distinguish easy-to-difficult conditions according to the psychometric results. In addition to the parametric map analysis, quantitative analyzes identified a relationship between activity in the fusiform gyrus and cognitive demand provided by the increased difficulty. These results demonstrate feasibility of functional magnetic resonance technique to study cognitive constructs such as working memory, learning and difficulty control.

Está estabelecido na literatura de neurociência que ocorrem transformações no encéfalo de animais, devido à neuroplasticidade; estas podem ser potencializadas de acordo com os ambientes nos quais o indivíduo interage, assim como o tipo de interação estabelecida por este. Na literatura, a aplicação do conceito de ambiente enriquecido para a prática experimental mostra resultados favoráveis e significativos na aprendizagem e desenvolvimento de animais. Neste estudo, buscou-se ampliar o conceito de ambiente enriquecido para o ambiente educacional de um centro de ciência. Investigar a interação de alunos do 5º ano da rede pública de ensino, em ambiente educacional de oficinas de construção de brinquedos oferecidas, no Centro de ciência Sabina: Escola Parque do Conhecimento (Santo André, SP), e possíveis aproximações com o conceito de ambiente educacional enriquecido, proposto neste estudo, constitui o objeto deste trabalho. Nesta investigação buscou-se destacar os componentes ambientais que influem no desempenho e na interação dos alunos durante as oficinas. A investigação, de natureza qualitativa, foi inspirada na metodologia de Estudo de Caso do tipo Etnográfico Aplicado à Educação, que indica a imersão do pesquisador no campo investigado para apreensão de relações e significados dos sujeitos, apenas realizada após longa permanência do pesquisador em campo. Foram utilizados como instrumentos entrevistas, gravação em áudio e em vídeo e adotado o diário de campo para registro das observações. Os dados mostraram incorporação de elementos conceituais de fenômenos observados durante a execução das oficinas, assim como busca ativa de explicação para compreensão desses fenômenos físicos identificados durante a interação dos alunos com os brinquedos. Por meio deste estudo, identificou-se a necessidade de considerar os ambientes educacionais em perspectiva integral, em seus componentes físico-estruturais e humanos. Em ambiente educacional, as aquisições por parte dos alunos não se restringem ao ensino e aprendizagem de conteúdos, mas também se realizam na mudança de atitudes e crenças, compreensão de fenômenos e aspectos do cotidiano, entendimento estético, identidade etc. Foi observado que alunos rotulados no ambiente escolar como aluno com distúrbios; com dificuldades de aprendizagem e ou comprometimento, no ambiente das oficinas de construção de brinquedos apresentaram desempenho e envolvimento tão bom ou melhor quanto os dos alunos considerados normais. O estudo destacou o papel do mediador e do professor como essencial na atividade, como parte dos elementos enriquecedores do ambiente de aprendizagem, em que sua expectativa em relação ao desempenho dos alunos, sua concepção de ensino e de aprendizagem e orientações oferecidas aos alunos influem significativamente no ambiente, condução da atividade e desempenho dos alunos. Desta forma, observamos que o ambiente de construção de brinquedos possui elementos que propiciam a aprendizagem, a interação e desenvolvimento dos alunos / It is well established in the literature of Neuroscience that transformations occur in the brain of animals due to neuroplasticity, these can be potentiated according to the environments in which the individual interacts, as well as the type and quality of interaction established by the individual. In the literature, the application of the concept of enriched environment for the experimental practice shows favorable and significant results in learning and development of animals. In this study, we sought to extend the concept of an enriched environment for the educational environment of a science center. To investigate the interaction of students in the 5th year of public school in the educational environment of workshops to build toys that are offered at the Centro de Ciência Sabina: Escola Parque do Conhecimento (Santo André, SP), and possible approaches to the concept of enriched educational environment, proposed in this study are the objective of this research. In this study we sought to investigate the environmental components that influence the performance and interaction of students during the workshops. The research, qualitative in nature, was inspired by the methodology of case study Ethnographic Applied to Education type which indicates the immersion of the researcher in the investigated field for seizure of relationships and meanings of the subjects performed only after long enough residence of the researcher in the field. Interviews, audio and video recording were used as instruments along with the field diary to record observations. The data showed incorporation of elements of the conceptual phenomena worked during the workshops, as well as an active search for an explanation for understanding these identified physical phenomena during the students\' interaction with the proposed toys. Through this study, we identified the need to consider the educational environments in a comprehensive perspective on their physical-structural and human components. In the educational environment, acquisitions of knowledge by students are not restricted to teaching and learning contents, but also take place by changing attitudes and beliefs, understanding of the phenomena and aspects of everyday life, aesthetic understanding, identity, etc. It was also observed that students labeled at school as a student with learning problems, in the environment of the workshops to build toys showed involvement and performance as good or better as the students originally considered normal. The study highlighted the role of the mediators and the teacher as essential in the activity as part of the elements enriching the learning environment, in which their expectations regarding the performance of the students, their conception of teaching and learning and guidance offered to pupils significantly affect the environment, conducting the activity and performance of students. Thus, we observed that the environment of building toys might have physical and human elements to promote learning and students interaction and so it might be considered as enriched environment

A presente proposta visa examinar a formação histórica do conceito de célula visual. Pretendemos delimitar o estudo ao caso das células fotorreceptoras (cones e bastonetes). Em meados da década de 1860 a teoria vigente sobre o processo perceptivo era a das energias específicas dos nervos proposta por Johannes Müller (1801-1858) e desenvolvida posteriormente por Hermann Von Helmholtz (1821-1894). Examinaremos em nossa pesquisa a formação do conceito de tipos específicos de células nervosas associadas aos processos perceptivos (o foco do trabalho são as células do sistema visual). Esse debate envolve a formação dos conceitos de córtex visual, sistema visual, informação nervosa e célula nervosa. O período examinado será o entorno das duas últimas décadas do século XIX (décadas de 1880 e 1890), período em que Ferruccio Tartuferi (1852-1925) propõe a constituição híbrida da retina em 1887 e é marcada também pela formulação da teoria neuronal (teoria formulada principalmente pelo espanhol Santiago Ramón y Cajal) / The objective of the present study is to examine the historical formation of the visual cell concept, focussing on the the study of photoreceptor cells (cones and rods). In the mid-1860s, the current theory about the perceptual process was that of the specific energies of nerves proposed by Johannes Müller (1801-1858) and later developed by Hermann Von Helmholtz (1821-1894). Our research will examine the formation of the concept of specific types of nerve cells associated with perceptual processes (the focus of the work are the cells of the visual system). This debate involves the formation of the concepts of visual cortex, visual system, nervous information and nerve cell. The period examined will be the last two decades of the nineteenth century (1880s and 1890s), a period in which Ferruccio Tartuferi (1852-1925) proposed the hybrid constitution of the retina in 1887 and also marked by the formulation of neuronal theory mainly by the Spaniard Santiago Ramón y Cajal

Made available in DSpace on 2014-06-12T18:05:57Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo7699_1.pdf: 4692354 bytes, checksum: 3063b3c29a68321b0fdc334da3fab5a0 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2007 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / No campo da neurociência computacional, a atividade elétrica dos neurônios é tradicionalmente modelada por equações diferenciais não-lineares acopladas, representando a evolução do potencial de membrana e certas variáveis relacionadas às condutâncias iônicas presentes no sistema. Uma tendência recente consiste na extensão desta estratégia de modelagem, detalhando as árvores dendríticas neuronais através da abordagem compartimental. Essa modelagem fina visa examinar a possibilidade de que essas extensas regiões neuronais em forma de árvores ramificadas desempenhem funções importantes, ou seja, sejam palco de uma complexa "computação dendrítica". Nesta dissertação, estudamos analiticamente e através de simulações um modelo cuja dinâmica da transmissão de estímulos dos elementos excitáveis é simples, porém a estrutura da árvore dendrítica é modelada em detalhe na forma de uma árvore de Cayley com um grande número de compartimentos. Resolvemos a equação mestra do problema, primeiro pela aproximação de campo médio simples, que apresenta fracos resultados. Em seguida, estudamos um cálculo da aproximação de pares, com resultados mais promissores. Os resultados de nossas simulações computacionais sugerem que a estrutura da árvore dendrítica da célula mitral é fundamental para o aumento da faixa dinâmica observado no glomérulo olfatório. Constatamos também o aparecimento de retropropagação de excitações, um fato já observado experimentalmente. Nossos resultados sugerem que a estrutura física em forma de árvore extensa com várias camadas poderia implementar importantes computações dendríticas, em especial uma função compressora de sinais com faixa dinâmica de mais de 50 dB. Fazemos também uma aplicação deste sistema ao glomérulo olfatório dos mamíferos, que contém dezenas de dendritos primários de células mitrais entrelaçados e conectados por junções comunicantes, modelado por árvores dendríticas com elementos conectados por uma rede bidirecional quase-aleatória. Um resultado notável nesta arquitetura é que a razão de ramificação das excitações não é dada simplesmente pela soma das razões dos casos isolados previamente conhecidos (rede aleatória e árvore isolada). No nosso modelo as árvores conectam-se por junçoes bidirecionais sorteadas aleatoriamente. Dependendo do número de junções comunicantes e de sua eficiência, o sistema passa a ter laços, possibilitando o aparecimento de atividade autosustentada na forma de transição de fase de não-equilíbrio. Deste forma, foi possível determinar numericamente as linhas críticas desta transição de fase. Neste caso, através de simulações, obtemos na criticalidade valores de faixa dinâmica similares aos observados experimentalmente para o glomérulo olfatório. Este resultado sugere uma possível função fisiológica para junções comunicantes nos circuitos neuronais do bulbo olfatório

A história moderna da neurociência ainda está sendo escrita.1 A neurociência possui uma longa tradição quando se focaliza seu objeto.2 No entanto, enquanto ciência com status próprio, ela é recente.3 Seu campo de atuação é amplo, contribuindo com várias áreas do saber, como a biologia e medicina (contribuições na área do mapeamento das atividades cerebrais, estudos sobre a regeneração do cérebro lesionado, a atuação de drogas sobre os neurônios etc),4 psicologia (contribuições na área do comportamento humano), 5 educação (estudos que ajudam a compreender como o cérebro aprende),6 Filosofia/Teologia (reexaminando a identidade do ser humano, como se forma a consciência, a fé etc)7 e, recentemente, o marketing e a inteligência artificial.8 No âmbito da neurociência concorrem duas visões distintas de abordagem metodológica, sendo a primeira aquela que procura encontrar e associar a cada ação ou comportamento humano um neurônio específico. Nesse caso há um reducionismo do ser humano a fenômenos eletroquímicos no cérebro. A segunda visão percebe o sistema nervoso muito mais em sua dimensão holística. O objetivo, nesse caso, não seria primeiramente perguntar pelo “por que”, mas perguntar pelo “como”. Ambas as visões não são excludentes.

Apresenta-se, neste trabalho, o desenvolvimento de um modelo bioinspirado a partir do circuito neural de insetos. Este modelo é obtido através da análise de primeira ordem dada pelo STA (Spike Triggered Average) e pela transferência de informação entre os sinais neurais. São aplicadas técnicas baseadas na identificação dos atrasos de tempo da máxima coerência da informação. Utilizam-se, para esta finalidade, os conceitos da teoria de informação: a DMI (Delayed Mutual Information) e a TE (Transfer Entropy). Essas duas abordagens têm aplicação em transferência de informação, cada uma com suas particularidades. A DMI é uma ferramenta mais simples do que a TE, do ponto de vista computacional, pois depende da análise estatística de funções densidades de probabilidades de segunda ordem, enquanto que a TE, de funções de terceira ordem. Dependendo dos recursos computacionais disponíveis, este é um fator que deve ser levado em consideração. Os resultados de atraso da informação são muito bem identificados pela DMI. No entanto, a DMI falha em distinguir a direção do fluxo de informação, quando se tem sistemas com transferência de informação indireta e com sobreposição da informação. Nesses casos, a TE é a ferramenta mais indicada para a determinação da direção do fluxo de informação, devido à dependência condicional imposta pelo histórico comum entre os sinais analisados. Em circuitos neurais, estas questões ocorrem em diversos casos. No gânglio metatorácico de insetos, os interneurônios locais possuem diferentes padrões de caminhos com sobreposição da informação, pois recebem sinais de diferentes neurônios sensores para o movimento das membros locomotores desses animais. O principal objetivo deste trabalho é propor um modelo do circuito neural do inseto, para mapear como os sinais neurais se comportam, quando sujeitos a um conjunto de movimentos aleatórios impostos no membro do inseto. As respostas neurais são reflexos provocados pelo estímulo táctil, que gera o movimento na junção femorotibial do membro posterior. Nestes circuitos neurais, os sinais neurais são processados por interneurônios locais dos tipos spiking e nonspiking que operam em paralelo para processar a informação vinda dos neurônios sensores. Esses interneurônios recebem sinais de entrada de mecanorreceptores do membro posterior e da junção motora dos insetos. A principal característica dos interneurônios locais é a sua capacidade de se comunicar com outros neurônios, tendo ou não a presença de impulsos nervosos (spiking e nonspiking). Assim, forma-se um circuito neural com sinais de entradas (neurônios sensores) e saídas (neurônios motores). Neste trabalho, os algoritmos propostos analisam desde a geração aleatória dos movimentos mecânicos e os estímulos nos neurônios sensores que chegam até o gânglio metatorácico, incluindo suas respostas nos neurônios motores. São implementados os algoritmos e seus respectivos pseudocódigos para a DMI e para a TE. É utilizada a técnica de Surrogate Data para inferir as medidas de significância estatística em relação à máxima coerência de informação entre os sinais neurais. Os resultados a partir dos Surrogate Data são utilizados para a compensação dos erros de desvio das medidas de transferência de informação. Um algoritmo, baseado na IAAFT (Iterative Amplitude Adjusted Fourier Transform), gera os dados substitutos, com mesmo espectro de potência e diferentes distribuições dos sinais originais. Os resultados da DMI e da TE com os Surrogate Data fornecem os valores das linhas de base quando ocorre a mínima transferência de informação. Além disso, foram utilizados dados simulados, para uma discussão sobre os efeitos dos tamanhos das amostras e as forças de associação da informação. Os sinais neurais coletados estão disponíveis em um banco de dados com diversos experimentos no gânglio metatorácico dos gafanhotos. No entanto, cada experimento possui poucos sinais coletados simultaneamente; assim, para diferentes experimentos, os sinais ficam sujeitos às variações de tamanho de amostras, além de ruídos que interferem nas medidas absolutas de transferência de informação. Para se mapear essas conexões neurais, foi utilizada a metodologia baseada na normalização e compensação dos erros de desvio para os cálculos da transferência de informação. As normalizações das medidas utilizam as entropias totais do sistema. Para a DMI, utiliza-se a média geométrica das entropias de X e Y , para a TE aplica-se a CMI (Conditional Mutual Information) para a sua normalização. Após a aplicação dessas abordagens, baseadas no STA e na transferência de informação, apresenta-se o modelo estrutural do circuito neural do sistema neuromotor de gafanhotos. São apresentados os resultados com o STA e a DMI para os neurônios sensores, dos quais são levantadas algumas hipóteses sobre o funcionamento desta parte do FeCO (Femoral Chordotonal Organ). Para cada tipo de neurônio foram identificados múltiplos caminhos no circuito neural, através dos tempos de atraso e dos valores de máxima coerência da informação. Nos interneurônios spiking obtiveram-se dois padrões de caminhos, enquanto que para os interneurônios nonspiking identificaram-se três padrões distintos. Esses resultados são obtidos computacionalmente e condizem com que é esperado a partir dos modelos biológicos descritos em Burrows (1996). / Herein, we present the development of a bioinspired model by the neural circuit of insects. This model is obtained by analyzing the first order from STA (Spike Triggered Average) and the transfer of information among neural signals. Techniques are applied based on the identification of the time delays of the information maximum coherence. For this purpose we use the concepts of the theory of information: DMI (Delayed Mutual Information) and TE (Transfer Entropy). These two approaches have applications on information transfer and each one has peculiarities. The DMI is a simpler tool than the TE, from the computational point of view. Therefore, DMI depends on the statistical analysis of second order probability density functions, whereas the TE depends on third order functions. If computational resources are a problem, those questions can be taken into consideration. The results of the information delay are very effective for DMI. However, DMI fails to distinguish the direction of the information flow when we have systems subjected to indirect information transfer and superposition of the information. In these cases, the TE is the most appropriate tool for determining the direction of the information flow, due to the conditional dependence imposed by a common history among the signals. In neural circuits, those issues occur in many cases. For example, in metathoracic ganglion of insects, the local interneurons have different pathways with superposition of the information. Therefore, the interneurons receive signals from different sensory neurons for moving the animals legs . The main objective of this work is propose a model of the neural circuit from an insect. Additionally, we map the neural signals when the hind leg is subjected to a set of movements. Neural responses are reflexes caused by tactile stimulus, which generates the movement of femoro-tibial joint of the hind leg. In these neural circuits, the signals are processed by neural spiking and nonspiking local interneurons. These types of neurons operate in parallel processing of the information from the sensory neurons. Interneurons receive input signals from mechanoreceptors by the leg and the insect knees. The main feature of local interneurons is their ability to communicate with others neurons. It can occur with or without of the presence of impulses (spiking and nonspiking). Thus, they form a neural circuit with input signals (sensory neurons) and outputs (motor neurons). The proposed algorithms analyze the random generation of movements and mechanical stimuli in sensory neurons. Which are processing in the metathoracic ganglion, including their responses in the motor neurons. The algorithms and the pseudo-code are implemented for TE and DMI. The technique of Surrogate Data is applied to infer the measures of statistical significance related to the information maximum coherence among neural signals. The results of the Surrogate Data are used for bias error compensation from information transfer. An algorithm, based on IAAFT (Iterative Amplitude Adjusted Fourier Transform), generates Surrogate Data with the same power spectrum and different distributions of the original signals. The results of the surrogate data, for DMI and TE, achieve the values of baselines when there are minimum information transfer. Additionally, we used simulated data to discuss the effects of sample sizes and different strengths of information connectivity. The collected neural signals are available from one database based on several experiments of the locusts metathoracic ganglion. However, each experiment has few simultaneously collected signals and the signals are subjected of variations in sample size and absolute measurements noisy of information transfer. We used a methodology based on normalization and compensation of the bias errors for computing the information transfer. The normalization of the measures uses the total entropy of the system. For the DMI, we applied the geometric mean of X and Y . Whereas, for the TE is computed the CMI (Conditional Mutual Information) for the normalization. We present the neural circuit structural model of the locusts neuromotor system, from those approaches based on STA and the information transfer. Some results are presented from STA and DMI for sensory neurones. Then, we achieve some new hypothesis about the neurophisiology function of FeCO. For each type of neuron, we identify multiple pathways in neural circuit through the time delay and the information maximum coherence. The spiking interneurons areyielded by two pathways, whereas the nonspiking interneurons has revealed three distinct patterns. These results are obtained computationally and are consistent with biological models described in Burrows (1996).

O presente trabalho constitui um primeiro esforço por modelar disparos de neurônios usando cadeias estocásticas de memória de alcance variável. Esses modelos foram introduzidos por Rissanen (1983). A ideia principal deste tipo de modelos consiste em que a definição probabilística de cada símbolo depende somente de uma porção finita do passado e o comprimento dela é função do passado mesmo, tal porção foi chamada de \"contexto\" e o conjunto de contextos pode ser representado através de uma árvore. No passado vários métodos de estimação foram propostos, nos quais é necessário especificar algumas constantes, de forma que Galves et al.(2012) apresentaram o \"critério do menor maximizador\" (SMC), sendo este um algoritmo consistente que independe de qualquer constante. De outro lado na área da neurociência vem tomando força a ideia de que o processamento de informação do cérebro é feito de forma probabilística, por esta razão foram usados os dados coletados por Sidarta Ribeiro e sua equipe, correspondentes à atividade neuronal em ratos, para estimar as árvores de contextos que caracterizam os disparos de quatro neurônios do hipocampo e identificar possíveis associações entre eles, também foram feitas comparações de acordo com o estado comportamental do rato (Vigília / Sono), em todos os casos foi usado o algoritmo SMC para a estimação das árvores de contexto. Por último, é aberta uma discussão sobre o tamanho de amostra necessário para a implementação deste tipo de análise. / This work describes an initial effort to model spike trains of neurons using Variable Length Markov Chains (VLMC). These models were introduced by Rissanen(1983). The principal idea of this kind of models is thaht the probabilistic definition of each symbol only depends on a finite part of the past and the length of this relevant portion is a function of the past itself. This portion were called \"context\" and the set of contexts can be represented as a rooted labeled tree. In the past, several methods of estimation were proposed, where is necessary to fix any constants, for this reason Galves et al.(2012) introduced the \"smallest maximizer criterion\" (SMC), which is a consistent and constant free model selection procedure. By the other side, in the neuroscience area has gained strength the idea that the information processing in the brain is done in a probabilistic way, for this reason were used the data collected by Sidarta Ribeiro and his team, related to the neuronal activity in rats, to estimate the context trees that describing the spike trains of four neurons of hipocampus region and to identify associations between them, comparisions were also made according to the behavioural state of the rat (Wake / Sleep), in all cases the algorithm were used the SMC algortithm to estimate the context trees. Finally, is opened a discussion on the sample size required for the implementation of this kind of analysis.

A tese apresenta uma contribuição à área da pesquisa educacional, para auxiliar na identificação de perfis cognitivos, utilizando o referencial teórico das Ciências Cognitivas e a instrumentação das Neurociências. O projeto elaborado para atender os objetivos desta tese compreendeu o desenvolvimento de metodologia experimental, apoiada pela técnica estatística de Projetos de Experimentos, juntamente com instrumentos neurocientíficos (uso de eletroencefalografia com técnica ERP – Event Related Potential), para a observação, quantificação e interpretação de evidências neuronais – sinais de eletroencefalografia - relacionadas ao processo cognitivo humano. Buscou, em particular, evidências relacionadas às diferentes demandas de energia despendida na realização de atividades espaciais (identificação, percepção ou atenção espacial de objetos virtuais), com base em instrumentos teóricos e tecnológicos das Neurociências, das Ciências Cognitivas e da Psicologia Cognitiva, para uso na área da pesquisa educacional, visando contribuir para identificação de diferentes perfis de estudantes em diferentes áreas do conhecimento. Na investigação experimental, o objetivo foi buscar indicadores (quantificação de energia alocada em atividade cerebral, medida de tempo de resposta ao estímulo, maior magnitude na faixa de freqüência do ritmo elétrico cerebral, evocados no experimento) dos sinais cerebrais que estejam sincronizados com o exercício proposto e que possam subsidiar a hipótese de que há diferenças significativas entre estudantes de áreas científicas e tecnológicas e estudantes de áreas humanas e sociais, no quesito habilidades espaciais. A proposta contextualiza e fundamenta experimentos com um grupo de alunos voluntários dos cursos de graduação, selecionados para a pesquisa, classificados por idade e sexo e avaliados e selecionados por diagnóstico psicológico indicativo da provável área de aptidão/habilidade cognitiva. O desenvolvimento da proposta investigativa, que visou atender os objetivos relacionados e pertinentes ao processo, foi possível devido a esforços de pesquisadores e cientistas das diferentes áreas de conhecimento, que colaboraram na modelagem do experimento realizado no Laboratório de Biosinais da Universidade de Caxias do Sul, no Campus Universitário da Região dos Vinhedos, junto ao Curso de Engenharia Elétrica. Como parte do processo metodológico experimental está compreendido o desenvolvimento do instrumento de medição: equipamento de eletroencefalografia (EEG) utilizando o sistema de aquisição e conversão de sinal analógico-digital da National Instruments e também, o equipamento conhecido como Gaiola de Faraday, que serviu para a realização das coletas de sinais elétricos cerebrais de baixa freqüência e amplitude, minimizando a presença de ruídos eletromagnéticos interferentes significativamente no sinal coletado. Os dados (sinais elétricos cerebrais) coletados durante o experimento que evocou raciocínio lógico espacial dos participantes foram modelados matematicamente por Fourier e interpretados por análise estatística – UNIVARIATE (análise de variância) e comparados aos resultados obtidos pelos instrumentos de apoio utilizados como forma de validar o processo investigativo: questionário verbal ao final do experimento e teste psicológico - subteste BPR5 – RE. Todos os dados coletados também foram armazenados com o propósito de permitir futura realização de outras simulações, com diferentes métodos de acesso aos conteúdos. Entende-se que os resultados obtidos nesse experimento possam colaborar com a Informática aplicada à Educação no planejamento, desenvolvimento e uso de objetos virtuais em ambientes destinados a mediar à aprendizagem, de acordo com necessidades específicas de cada público-alvo. Nesse sentido, os resultados dessa investigação podem prover dados ou características como medidas indicadoras de esforços cognitivos associados a perfis diferenciados, no caso das áreas de conhecimento, que envolvam processos de raciocínio espacial. O entendimento sobre o esforço manifestado pelo aluno durante o experimento foi interpretado como uma possível medida de um dos itens relacionados ao perfil cognitivo, à luz das Ciências Cognitivas (GARDNER, 1994, 2001), (STERNBERG, 2000), (PINKER, 1998). / The thesis is to contribute for the area of educational research in order to aid on the identification of cognitive profiles, using theoretical references from cognitive sciences and instrumentation from neurosciences. The project designed to meet the objectives of the thesis included the development of experimental methodology, supported by the statistical technique for Experiment Projects, along with neuroscientific instruments (use of electroencephalography with the ERP technique – Event Related Potential), for the observation, quantification, and interpretation of neuronal evidences – electroencephalography signals – related to the human cognitive process. It particularly searched for evidences related to different demands of energy spent to perform spatial activities (identification, perception, or spatial attention of virtual objects), based on theoretical and technological instruments of Neurosciences, Cognitive Sciences and Cognitive Psychology, used in the field of educational research, with the aim to contribute for the identification of different profiles of students in different areas of knowledge. In the experimental investigation, the purpose was to look for indicators (quantification of energy allocated in brain activity, measuring response time to the stimulus, larger magnitude in the frequency band of the brain electrical rhythm, evoked on the experiment) of the brain signals that would be synchronized with the exercise proposed and that could subsidize the hypothesis that there are significant differences between students from scientific and technological fields and students from humanistic and social fields, regarding spatial abilities. The proposal contextualizes and fundaments experiments with a group of volunteer students from the undergraduate programs, selected for the research, classified by age and gender, and evaluated and selected according to a psychological diagnostic indicating a probable area of cognitive ability / aptitude. The development of the investigative proposal that intended to meet the objectives mentioned was possible thanks to efforts of a group of researchers and scientists from different fields of knowledge, pertinent to the process, who collaborated on the modeling of the experiment, carried out at the Biosignal Laboratory of the University of Caxias do Sul, at the University Campus of Região dos Vinhedos, in its Electrical Engineering Program. The development of the measuring instrument was part of the experimental methodological process: the equipment for electroencephalography (EEG) using the system acquisition and conversion of analog to digital signal (manufacturer: National Instruments) and also the equipment known as Faraday’s Cage, which served to the collections of electrical brain signals of low frequency and amplitude, minimizing the presence of electromagnetic noises interfering significantly on the signal collected.The data collected (brain electrical signals) during the experiment that evoked logical spatial reasoning by the participants were mathematically modeled by Fourier and interpreted by statistical analysis – UNIVARIATE (variance analysis) and compared to results obtained by support instruments used as a way of validating the investigative process: a verbal questionnaire at the end of the experiment and a psychological test – subtest BPR5 – RE. All data collected were also saved with the purpose of making it possible to carry out other simulations in the future, with different access methods to the contents. It is understood that the results obtained with this experiment collaborate Informatics applied to Education on planning, developing, and using virtual objects in environments destined to mediate learning according to specific needs of each target public. In that sense, the results of this investigation may provide data or characteristics as measures indicating cognitive efforts associated to differentiated profiles, which are in this case the knowledge fields involving spatial reasoning processes. Understanding the effort manifested by the student during the experiment was interpreted as a possible measure for one of the items related to the cognitive profile, the light of Cognitive Sciences (GARDNER, 1994, 2001), (STERNBERG, 2000), (PINKER, 1998).

O presente trabalho constitui um primeiro esforço por modelar disparos de neurônios usando cadeias estocásticas de memória de alcance variável. Esses modelos foram introduzidos por Rissanen (1983). A ideia principal deste tipo de modelos consiste em que a definição probabilística de cada símbolo depende somente de uma porção finita do passado e o comprimento dela é função do passado mesmo, tal porção foi chamada de \"contexto\" e o conjunto de contextos pode ser representado através de uma árvore. No passado vários métodos de estimação foram propostos, nos quais é necessário especificar algumas constantes, de forma que Galves et al.(2012) apresentaram o \"critério do menor maximizador\" (SMC), sendo este um algoritmo consistente que independe de qualquer constante. De outro lado na área da neurociência vem tomando força a ideia de que o processamento de informação do cérebro é feito de forma probabilística, por esta razão foram usados os dados coletados por Sidarta Ribeiro e sua equipe, correspondentes à atividade neuronal em ratos, para estimar as árvores de contextos que caracterizam os disparos de quatro neurônios do hipocampo e identificar possíveis associações entre eles, também foram feitas comparações de acordo com o estado comportamental do rato (Vigília / Sono), em todos os casos foi usado o algoritmo SMC para a estimação das árvores de contexto. Por último, é aberta uma discussão sobre o tamanho de amostra necessário para a implementação deste tipo de análise. / This work describes an initial effort to model spike trains of neurons using Variable Length Markov Chains (VLMC). These models were introduced by Rissanen(1983). The principal idea of this kind of models is thaht the probabilistic definition of each symbol only depends on a finite part of the past and the length of this relevant portion is a function of the past itself. This portion were called \"context\" and the set of contexts can be represented as a rooted labeled tree. In the past, several methods of estimation were proposed, where is necessary to fix any constants, for this reason Galves et al.(2012) introduced the \"smallest maximizer criterion\" (SMC), which is a consistent and constant free model selection procedure. By the other side, in the neuroscience area has gained strength the idea that the information processing in the brain is done in a probabilistic way, for this reason were used the data collected by Sidarta Ribeiro and his team, related to the neuronal activity in rats, to estimate the context trees that describing the spike trains of four neurons of hipocampus region and to identify associations between them, comparisions were also made according to the behavioural state of the rat (Wake / Sleep), in all cases the algorithm were used the SMC algortithm to estimate the context trees. Finally, is opened a discussion on the sample size required for the implementation of this kind of analysis.

A tese apresenta uma contribuição à área da pesquisa educacional, para auxiliar na identificação de perfis cognitivos, utilizando o referencial teórico das Ciências Cognitivas e a instrumentação das Neurociências. O projeto elaborado para atender os objetivos desta tese compreendeu o desenvolvimento de metodologia experimental, apoiada pela técnica estatística de Projetos de Experimentos, juntamente com instrumentos neurocientíficos (uso de eletroencefalografia com técnica ERP – Event Related Potential), para a observação, quantificação e interpretação de evidências neuronais – sinais de eletroencefalografia - relacionadas ao processo cognitivo humano. Buscou, em particular, evidências relacionadas às diferentes demandas de energia despendida na realização de atividades espaciais (identificação, percepção ou atenção espacial de objetos virtuais), com base em instrumentos teóricos e tecnológicos das Neurociências, das Ciências Cognitivas e da Psicologia Cognitiva, para uso na área da pesquisa educacional, visando contribuir para identificação de diferentes perfis de estudantes em diferentes áreas do conhecimento. Na investigação experimental, o objetivo foi buscar indicadores (quantificação de energia alocada em atividade cerebral, medida de tempo de resposta ao estímulo, maior magnitude na faixa de freqüência do ritmo elétrico cerebral, evocados no experimento) dos sinais cerebrais que estejam sincronizados com o exercício proposto e que possam subsidiar a hipótese de que há diferenças significativas entre estudantes de áreas científicas e tecnológicas e estudantes de áreas humanas e sociais, no quesito habilidades espaciais. A proposta contextualiza e fundamenta experimentos com um grupo de alunos voluntários dos cursos de graduação, selecionados para a pesquisa, classificados por idade e sexo e avaliados e selecionados por diagnóstico psicológico indicativo da provável área de aptidão/habilidade cognitiva. O desenvolvimento da proposta investigativa, que visou atender os objetivos relacionados e pertinentes ao processo, foi possível devido a esforços de pesquisadores e cientistas das diferentes áreas de conhecimento, que colaboraram na modelagem do experimento realizado no Laboratório de Biosinais da Universidade de Caxias do Sul, no Campus Universitário da Região dos Vinhedos, junto ao Curso de Engenharia Elétrica. Como parte do processo metodológico experimental está compreendido o desenvolvimento do instrumento de medição: equipamento de eletroencefalografia (EEG) utilizando o sistema de aquisição e conversão de sinal analógico-digital da National Instruments e também, o equipamento conhecido como Gaiola de Faraday, que serviu para a realização das coletas de sinais elétricos cerebrais de baixa freqüência e amplitude, minimizando a presença de ruídos eletromagnéticos interferentes significativamente no sinal coletado. Os dados (sinais elétricos cerebrais) coletados durante o experimento que evocou raciocínio lógico espacial dos participantes foram modelados matematicamente por Fourier e interpretados por análise estatística – UNIVARIATE (análise de variância) e comparados aos resultados obtidos pelos instrumentos de apoio utilizados como forma de validar o processo investigativo: questionário verbal ao final do experimento e teste psicológico - subteste BPR5 – RE. Todos os dados coletados também foram armazenados com o propósito de permitir futura realização de outras simulações, com diferentes métodos de acesso aos conteúdos. Entende-se que os resultados obtidos nesse experimento possam colaborar com a Informática aplicada à Educação no planejamento, desenvolvimento e uso de objetos virtuais em ambientes destinados a mediar à aprendizagem, de acordo com necessidades específicas de cada público-alvo. Nesse sentido, os resultados dessa investigação podem prover dados ou características como medidas indicadoras de esforços cognitivos associados a perfis diferenciados, no caso das áreas de conhecimento, que envolvam processos de raciocínio espacial. O entendimento sobre o esforço manifestado pelo aluno durante o experimento foi interpretado como uma possível medida de um dos itens relacionados ao perfil cognitivo, à luz das Ciências Cognitivas (GARDNER, 1994, 2001), (STERNBERG, 2000), (PINKER, 1998). / The thesis is to contribute for the area of educational research in order to aid on the identification of cognitive profiles, using theoretical references from cognitive sciences and instrumentation from neurosciences. The project designed to meet the objectives of the thesis included the development of experimental methodology, supported by the statistical technique for Experiment Projects, along with neuroscientific instruments (use of electroencephalography with the ERP technique – Event Related Potential), for the observation, quantification, and interpretation of neuronal evidences – electroencephalography signals – related to the human cognitive process. It particularly searched for evidences related to different demands of energy spent to perform spatial activities (identification, perception, or spatial attention of virtual objects), based on theoretical and technological instruments of Neurosciences, Cognitive Sciences and Cognitive Psychology, used in the field of educational research, with the aim to contribute for the identification of different profiles of students in different areas of knowledge. In the experimental investigation, the purpose was to look for indicators (quantification of energy allocated in brain activity, measuring response time to the stimulus, larger magnitude in the frequency band of the brain electrical rhythm, evoked on the experiment) of the brain signals that would be synchronized with the exercise proposed and that could subsidize the hypothesis that there are significant differences between students from scientific and technological fields and students from humanistic and social fields, regarding spatial abilities. The proposal contextualizes and fundaments experiments with a group of volunteer students from the undergraduate programs, selected for the research, classified by age and gender, and evaluated and selected according to a psychological diagnostic indicating a probable area of cognitive ability / aptitude. The development of the investigative proposal that intended to meet the objectives mentioned was possible thanks to efforts of a group of researchers and scientists from different fields of knowledge, pertinent to the process, who collaborated on the modeling of the experiment, carried out at the Biosignal Laboratory of the University of Caxias do Sul, at the University Campus of Região dos Vinhedos, in its Electrical Engineering Program. The development of the measuring instrument was part of the experimental methodological process: the equipment for electroencephalography (EEG) using the system acquisition and conversion of analog to digital signal (manufacturer: National Instruments) and also the equipment known as Faraday’s Cage, which served to the collections of electrical brain signals of low frequency and amplitude, minimizing the presence of electromagnetic noises interfering significantly on the signal collected.The data collected (brain electrical signals) during the experiment that evoked logical spatial reasoning by the participants were mathematically modeled by Fourier and interpreted by statistical analysis – UNIVARIATE (variance analysis) and compared to results obtained by support instruments used as a way of validating the investigative process: a verbal questionnaire at the end of the experiment and a psychological test – subtest BPR5 – RE. All data collected were also saved with the purpose of making it possible to carry out other simulations in the future, with different access methods to the contents. It is understood that the results obtained with this experiment collaborate Informatics applied to Education on planning, developing, and using virtual objects in environments destined to mediate learning according to specific needs of each target public. In that sense, the results of this investigation may provide data or characteristics as measures indicating cognitive efforts associated to differentiated profiles, which are in this case the knowledge fields involving spatial reasoning processes. Understanding the effort manifested by the student during the experiment was interpreted as a possible measure for one of the items related to the cognitive profile, the light of Cognitive Sciences (GARDNER, 1994, 2001), (STERNBERG, 2000), (PINKER, 1998).