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https://hdl.handle.net/1822/83891
Título: | Closed-loop system for real-time compulsive behavior detection and optogenetic stimulation in obsessive-compulsive disorder |
Autor(es): | Silva, Ana Patrícia Costa da |
Orientador(es): | Jacinto, Luis Figueiredo, Joana |
Palavras-chave: | Árvores de decisão BLE Optogenética POC SVM OCD Decision tree Optogenetic |
Data: | 20-Dez-2022 |
Resumo(s): | A perturbação obsessivo-compulsiva (POC) é uma perturbação neuropsiquiátrica
prevalente caracterizada por pensamentos intrusivos recorrentes (obsessões) que podem levar a
comportamentos repetitivos (compulsões), que podem causar perturbações significativas no
quotidiano. Para estudar simultaneamente os circuitos neuronais envolvidos na POC e testar novas
terapias num ambiente pré-clínico, é fundamental desenvolver metodologias que possam
automaticamente detetar e/ou prever o comportamento compulsivo e permitir uma modulação
eficaz dos circuitos cerebrais relevantes com precisão temporal. Assim, desenvolvemos um
sistema de circuito fechado que combina a visão por computador e aprendizagem por máquina
para a deteção eficaz em tempo real de comportamentos compulsivos no modelo de ratinho
Sapap3 KO da POC, com um estimulador cerebral optogenético controlado sem fios. A deteção
exata em tempo real comportamentos repetitivos, tais como o face groom, foi conseguida através
da combinação do DeepLabCut para o rastreio em tempo real de partes do corpo animal com a
extração supervisionada de características comportamentais cinemáticas e classificação de
estados comportamentais com árvores de decisão e Máquinas Vectoriais de Apoio (SVM). A maior
sensibilidade e especificidade de classificação foram alcançadas com árvores de decisão, com
85.1% e 98.3%, respetivamente. Foi também desenvolvido e programado um estimulador cerebral
ótico alimentado por bateria numa PCB leve (1.43 g) com comunicação Bluetooth de Baixa Energia
(BLE). A deteção online de comportamento repetitivo desencadeia o transmissor BLE a enviar um
pedido de escrita, com uma latência inferior a 6.67 ms. O sistema completo de ciclo fechado
atinge uma latência mínima de apenas 29.9 ms entre o momento em que um sinal BLE é enviado,
e o estimulador cerebral ótico responde com parâmetros de estimulação definidos pelo utilizador.
Este novo sistema de circuito fechado permite uma avaliação direta do impacto das manipulações
dos circuitos cerebrais no comportamento compulsivo, contribuindo para a elucidação dos
circuitos cerebrais envolvidos na POC e para o desenvolvimento de novas terapias. Obsessive-compulsive disorder (OCD) is a prevalent neuropsychiatric disorder characterized by recurrent intrusive thoughts (obsessions) that can lead to repetitive behaviors (compulsions), which can cause significant disruption of daily activities. To simultaneously study the neuronal circuits involved in OCD and test novel therapies in a pre-clinical setting, it is critical to develop methodologies that can automatically detect and/or predict compulsive behavior and allow effective modulation of relevant brain circuits with temporal precision. Thus, we developed a closed-loop system that combines computer vision and machine learning approaches for effective real-time detection of compulsive/repetitive behaviors in the Sapap3 KO mouse model of OCD, with a wirelessly controlled optogenetic brain stimulator. Accurate online detection of repetitive behavioral motifs, such as face grooming, was achieved by combining DeepLabCut for real-time animal body part tracking with supervised extraction of kinematic behavioral features and classification of behavioral states with Decisions trees and Support Vector Machines (SVM). The highest classification sensitivity and specificity were achieved with decision trees, with 85.1% and 98.3%, respectively. A battery-powered optical brain stimulator in a lightweight PCB (1.43 g) with Bluetooth Low Energy (BLE) communication was also developed and programmed. Online detection of repetitive behavior triggers the BLE transmitter to send a writing request, with a latency inferior to 6.67 ms. The complete closed-loop system achieves a minimum latency of only 29.9 ms between the moment a BLE signal is sent, and the optical brain stimulator responds with user defined stimulation parameters. This new closed-loop system allows a direct assessment of the impact of brain circuit manipulations in compulsive behavior, contributing to the elucidation of the brain circuits involved in OCD and novel therapies developments. |
Tipo: | Dissertação de mestrado |
Descrição: | Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica |
URI: | https://hdl.handle.net/1822/83891 |
Acesso: | Acesso restrito autor |
Aparece nas coleções: | BUM - Dissertações de Mestrado |
Ficheiros deste registo:
Ficheiro | Descrição | Tamanho | Formato | |
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