Modelo computacional multiescala do sistema neuromuscular humano

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Fernandes, Heitor Sanchez, 1989-
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1634787
Resumo: Orientador: Leonardo Abdala Elias
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spelling Modelo computacional multiescala do sistema neuromuscular humanoMultiscale computational model of the human neuromuscular systemNeurociência computacionalFunção neuromuscularNeurônios motoresForça muscularComputational neuroscienceNeuromuscular functionMotoneuronMuscle strengthOrientador: Leonardo Abdala EliasDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: A simulação computacional de modelos matemáticos tem sido utilizada em neurociências e auxiliado o estudo e a compreensão de mecanismos envolvidos no funcionamento do sistema nervoso, que podem ser difíceis por meio da experimentação. Especificamente, para o sistema neuromuscular humano, modelos matemáticos multiescala (que representam mecanismos que atuam a níveis celulares e/ou moleculares atuando em elementos macroscópicos, como a geração e controle da força muscular) têm possibilitado estudos sobre os comportamentos dinâmicos de redes de neurônios motores alfa (NMs) controlando a geração da força muscular. Neste estudo, o objetivo foi o desenvolvimento de um modelo multiescala do sistema neuromuscular humano em malha aberta, que é uma aproximação para a operação do sistema neuromuscular durante a contração isométrica de um músculo. No modelo desenvolvido, um núcleo motor composto por modelos de NMs é ativado por conexões sinápticas acionadas por processos pontuais estocásticos que representam comandos pré-motoneuronais, e os potenciais de ação gerados por estes NMs, por sua vez, ativam modelos de unidades musculares que simulam a geração de força isométrica. Com o modelo desenvolvido, foi possível representar características do sistema neuromuscular como a ordem de recrutamento e modulação das frequências de disparos dos NMs), a geração da força com a somação dos abalos musculares e a dependência da variabilidade da força com diferentes fatores neuromusculares (e.g., a variabilidade do comando pré-motoneuronal e a faixa de variação da amplitude dos abalos das unidades motoras). O modelo foi parametrizado e validado com base em dados experimentais de animais vertebrados (e.g., gatos) e de seres humanos. O modelo ainda possui algumas limitações, porém, é uma ferramenta válida para o estudo de aspectos do sistema neuromuscular e será utilizada em diversos estudos futuros sobre os mecanismos neurofisiológicos e biomecânicos de controle da força. O modelo foi desenvolvido utilizando o simulador NEURON e a linguagem de programação Python, ambas ferramentas computacionais flexíveis, de uso gratuito e reconhecidas pela comunidade científica da área de NeurociênciasAbstract: Computer simulation of mathematical models is a typical approach in the Neurosciences and has been a useful tool to study and to understand the functioning of the nervous system. This approach has been used to provide conceptual and theoretical support to experimental investigations. For the human neuromuscular system, some multiscale models (ones that represent both microscopic and macroscopic elements) have made possible the study of how the dynamical behavior of networks of alpha motor neurons (MNs) controls the genesis of muscle force. The objective of this study was to develop an open-loop multiscale neuromuscular model, which is an approximation of the neuromuscular system operation during isometric contractions. In this model, a motor nucleus with MN models is activated by synaptic connections driven by stochastic point processes that represent pre-motoneuronal commands. The action potentials generated by the MNs activate muscle unit models that simulate the generation of isometric muscle force. The model was able to reproduce some features of the neuromuscular system, such as the onion skin phenomenon (orderly recruitment and firing rate modulation of the MNs), the force generation as a sum of the individual muscle unit twitches, and the dependency of the force variability with different neuromechanical properties (e.g., the variability of presynaptic commands, and the range of twitch amplitudes). As it stands, the model has some limitations, but it is an essential tool to help the understanding of different aspects of the neuromuscular system. Additionally, the model will be used in future studies on the influence of neurophysiological and biomechanical factors on muscle force control. The model was developed using the NEURON simulator along with Python programming language, which are both free and flexible computational tools recognized and frequently used by the Neuroscience scientific communityMestradoEngenharia BiomédicaMestre em Engenharia ElétricaCAPESCNPQ371670/2018-7[s.n.]Elias, Leonardo Abdala, 1985-Bassani, José Wilson MagalhãesVieira, Marcus FragaUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASFernandes, Heitor Sanchez, 1989-20182018-08-27T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdf1 recurso online (72 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/1634787FERNANDES, Heitor Sanchez. Modelo computacional multiescala do sistema neuromuscular humano. 2018. 1 recurso online (72 p.) Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1634787. Acesso em: 3 set. 2024.https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/1061775Requisitos do sistema: Software para leitura de arquivo em PDFporreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instname:Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instacron:UNICAMPinfo:eu-repo/semantics/openAccess2018-11-29T16:38:48Zoai::1061775Biblioteca Digital de Teses e DissertaçõesPUBhttp://repositorio.unicamp.br/oai/tese/oai.aspsbubd@unicamp.bropendoar:2018-11-29T16:38:48Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)false
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