VICTOR MAGALHÃES CURTY ESTUDO DA TEORIA BAYESIANA DO CONTROLE MOTOR: ELABORAÇÃO E COMPARAÇÃO DE UM MÉTODO DE ANÁLISE MAIS PRÓXIMO DO REAL

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1 I Universidade Camilo Castelo Branco Instituto de Engenharia Biomédica VICTOR MAGALHÃES CURTY ESTUDO DA TEORIA BAYESIANA DO CONTROLE MOTOR: ELABORAÇÃO E COMPARAÇÃO DE UM MÉTODO DE ANÁLISE MAIS PRÓXIMO DO REAL STUDY OF BAYESIAN THEORY OF MOTOR CONTROL: PREPARATION AND COMPARISON OF A METHOD OF ANALYSIS CLOSEST TO THE REAL São José dos Campos, SP 2014

2 II Victor Magalhães Curty ESTUDO DA TEORIA BAYESIANA DO CONTROLE MOTOR: ELABORAÇÃO E COMPARAÇÃO DE UM MÉTODO DE ANÁLISE MAIS PRÓXIMO DO REAL Orientador: Prof. Dr. Osmar Pinto Neto Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Bioengenharia da Universidade Camilo Castelo Branco, como complementação dos créditos necessários para obtenção do título de Mestre em Bioengenharia. São José dos Campos, SP 2014

3 FICHA CATALOGRÁFICA III

4 IV

5 V ESTUDO DA TEORIA BAYESIANA DO CONTROLE MOTOR: ELABORAÇÃO E COMPARAÇÃO DE UM MÉTODO DE ANÁLISE MAIS PRÓXIMO DO REAL RESUMO Körding e Wolpert (2004a) realizaram um experimento utilizando métodos que apresentam pouca aplicabilidade prática fora do ambiente laboratorial, descrevendo a capacidade humana em combinar informações prévias sobre uma determinada tarefa com o nível de incerteza do sistema de feedback sensorial, defendendo o que passaram a chamar de teoria da decisão Bayesiana do controle motor. Dessa forma, o objetivo do presente estudo foi realizar um protocolo experimental semelhante à realizada no estudo de Körding e Wolpert (2004a), testando sua teoria através de uma metodologia mais próxima da realidade, utilizando um equipamento mais simples e fácil de ser manuseado e transportado, e com fácil análise dos resultados. 14 voluntários (7 homens e 7 mulheres; idade: 23±3 anos) foram submetidos a uma tarefa de tocar com seu dedo indicador da mão dominante em uma tela de um dispositivo portátil (Ipad 1), selecionando um cursor. Esse cursor possuía formato de uma esfera e era revelado no canto esquerdo superior da tela do dispositivo, onde este faria uma trajetória em linha reta de seu ponto inicial a qualquer outro ponto na linha horizontal inferior situada na outra extremidade da tela. Essa tarefa foi dividida em duas etapas. Na etapa I, o participante tinha visualização completa do cursor, tanto ao ser revelado quanto durante sua trajetória, e onde seria o seu destino final. Na etapa II, o participante só tinha feedback sobre a posição do cursor antes de iniciada sua trajetória e ao passar por uma área situada no meio de sua trajetória, tendo que o participante estimar onde seria o destino final do cursor para realizar sua demarcação. Foram realizados um total de 900 pontos em todo o experimento, sendo 300 na etapa I e 600 pontos demarcados na etapa II. Foram analisadas as médias de erro entre a posição real do cursor e o ponto onde o participante demarcou na tela nas diferentes etapas do estudo e realizando o Teste t de student mantendo como nível de significância p < 0,05. Na etapa I não foram apresentadas diferenças significativas entre as médias da posição da demarcação realizada pelos participantes e a posição real do destino final do cursor. Resultado este não observado na etapa II, onde houve uma tendência dos participantes em realizar as demarcações sempre o mais próximo possível de uma área considerada como a média do destino final do cursor, local este onde o cursor de direcionava com maior frequência, mesmo quando o cursor se direcionava para pontos distantes lateralmente dessa média. Concluindo que o protocolo utilizado no presente estudo obteve resultados semelhantes aos encontrados por Körding e Wolpert (2004a), demonstrando que comumente usamos nossa intuição para conseguir um objetivo, com base em uma probabilidade interna de acordo com a teoria da decisão Bayesiana, onde após um período de prática os participantes apresentaram uma tendência em se estimar qual seria o destino final do cursor após a redução do feedback sobre sua trajetória e posição final ao longo da tarefa. Palavras chave: integração sensorial-motora; controle motor; adaptação motora; tomada de decisão.

6 VI STUDY OF BAYESIAN THEORY OF MOTOR CONTROL: PREPARATION AND COMPARISON OF A METHOD OF ANALYSIS CLOSEST TO THE REAL ABSTRACT Kording and Wolpert (2004a) conducted an experiment using methods that have little practical applicability outside the laboratory environment, describing the human capability to combine prior information about a particular task with the level of uncertainty of the sensory feedback system, defending what came to call "Bayesian decision theory of motor control. Thus, the aim of this study was to conduct an experimental protocol similar to that used in the study of the Kording and Wolpert (2004a), testing his theory using a method closer to reality using a simple equipment and easy to be handled and transported, and easily analyzing the results. 14 volunteers (7 men and 7 women, age: 23 ± 3 years) underwent a task to touch with your index finger of your dominant hand on a screen of a portable device (Ipad 1), selecting a cursor. This cursor had a sphere shape and was revealed in the upper left corner of the device, where it would make a straight path from your starting point to any other point on the lower horizontal line located at the other end of the display screen. This task was divided into two stages. In stage I, the participant had full view of the cursor, so as to be revealed during its trajectory, and where would be your final destination. In stage II, the participant only had feedback about to the cursor position before you started your path and passing through an area located in the middle of his trajectory, taking the participant to estimate where would be the final destination of the cursor to perform its demarcation. A total of 900 points were made throughout the experiment, and 300 in stage I and 600 points marked in Step II. Were analyzed the average error between the actual position of the cursor and the point where the participant staked on the screen in the different stages of the study and performing the t-test student keeping the significance level of p < In stage I, significant differences between the mean position of the demarcation made by the participants and the actual position of the final destination of the cursor not were presented. This result was not observed in phase II, where there was a tendency for the participants to conduct the demarcations always closest to the area regarded as the final destination average of the cursor, the place where the cursor directed more often even when cursor is directed laterally to distant points that average. Concluding that the protocol used in this study obtained to similar results found by Kording and Wolpert (2004a), demonstrating that commonly we use our intuition to achieve a goal, based on an internal probability according to Bayesian decision theory, where after a period of practice, the participants showed a tendency in to estimate what would be the final cursor destination after the reduction of the feedback on its trajectory and final position during the task. Keywords: sensorimotor integration; motor control, motor adaptation, decision making.

7 VII LISTA DE FIGURAS Figura 1: Divisões do sistema nervoso humano Figura 2: Os 31 pares de nervos e suas respectivas regiões Figura 3: Eixo neural motor esquelético do sistema nervoso Figura 4: Classificação de habilidades motoras Figura 5: Indivíduos experientes vs inexperientes Figura 6: Aplicativo Arena Figura 7: Ambiente Xcode Figura 8: Página inicial (aplicativo Arena235) Figura 9: Pronto, teste? Figura 10: Destino do cursor ao longo da trajetória Figura 11: Procedimentos - Etapa I Figura 12: Procedimentos - Etapa II Figura 13: Erros na estimativa lateral (eixo x) Figura 14: Teste concluído Figura 15: Resultados individuais Figura 16: 300 primeiros pontos (etapa I) Figura 17: Últimos 300 pontos (etapa II)... 38

8 VIII LISTA DE TABELAS Tabela 1: Caracterização da amostra Tabela 2: Resumo dos resultados das diferentes etapas do estudo... 39

9 IX SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO Revisão bibliográfica Aspectos gerais do controle motor Regulação via feedback Fatores moduladores do uso de feedback Efeitos relacionados à prática em uma tarefa motora específica Objetivo geral Objetivos específicos MATERIAIS E MÉTODOS Tipo de pesquisa Amostra/participantes Equipamento e aplicativo Habilidades motoras requeridas Procedimentos Análise dos dados e estatística RESULTADOS DISCUSSÃO CONCLUSÕES REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO A Termo de Consentimento Livre e Esclarecido ANEXO B Parecer consubstanciado do CEP... 52

10 1 1. INTRODUÇÃO Ao tentarmos realizar ações que requerem movimentos rápidos e precisos e em um pequeno espaço de tempo, nosso sistema sensorial nos fornece informações imperfeitas sobre a melhor decisão a ser tomada para uma ação posterior, fazendo com que nosso cérebro tente combinar informações prévias sobre a realização de uma ação motora (ex.: experiência prática do individuo) com o nível de incerteza no sistema de feedback sensorial para uma ótima execução dessa ação em uma tarefa (KÖRDING; WOLPERT, 2004a; WOLPERT; FLANAGAN, 2010, ACERBI; WOLPERT; VIJAYAKUMAR, 2012). Dessa forma, levando-se em conta as consequências de erros possíveis em sua execução, que podem ser resultados tanto de uma incerteza em como executá-la ou uma variabilidade a nível sensorial sobre a escolha a ser feita, vários fatores devem ser levados em conta na tomada de decisão ao se realizar uma ação: (1) conhecimento prévio, (2) os dados sensoriais, (3) a incerteza dos resultados de ações planejadas, e (4) os custos e benefícios do real resultados de ações (TROMMERSHÄUSER et al., 2005; TASSINARI et al., 2006; FRANKLIN; WOLPERT, 2011). O uso de raciocínio utilizando probabilidades de acontecimentos futuros com base em dados sensoriais incertos sobre a tarefa, combinando-os com estimativas do conhecimento prévio é dado o nome de teoria da decisão Bayesiana (KÖRDING; WOLPERT, 2004c; MIYAZAKI et al., 2005; TASSINARI et al., 2006; FRANKLIN; WOLPERT, 2012). Segundo essa teoria, quanto maior o conhecimento anteriormente adquirido sobre uma determinada tarefa, mais precisa será a decisão estatística a ser tomada para posterior realização de um movimento (WAGNER; SMITH, 2008; WOLPERT; FLANAGAN, 2010; WOLPERT et al., 2011; WOLPERT; LANDY, 2012). Körding e Wolpert (2004b) descrevem, de acordo com essa teoria, que nosso cérebro trabalha de uma maneira onde este tente prever o futuro ao tentar realizar ações com um nível de incerteza sobre a tarefa aumentado, devido à capacidade de precisão e um período de tempo curto ser exigido, estimando na maioria das vezes qual a melhor decisão a ser tomada para uma ação posterior. Em um estudo publicado na revista Nature, os pesquisadores Körding e Wolpert (2004a) avaliaram o comportamento motor e a adaptação sobre a incerteza sensorial durante a realização de uma tarefa, utilizando diferentes estímulos com o

11 2 intuito de aumentar o nível de incerteza à realização dessa tarefa requerida ao longo do experimento. Para os procedimentos experimentais na pesquisa citada, os pesquisadores desenvolveram um sistema robótico de realidade virtual para se testar a capacidade motora humana. Porém, tendo que o participante se deslocar para o laboratório onde se localizava esse dispositivo para realizar tal experimento. Dessa forma, tendo como sua aplicação prática somente em um ambiente laboratorial, em uma situação de avaliação de seu comportamento e resposta motora onde dificilmente um ser humano se encontra em seu dia-a-dia, ou mesmo um atleta em uma situação de treinamento e competição que esteja sendo submetido a uma bateria de testes, onde este se encontra em um ambiente muito distinto de sua realidade competitiva. Nos procedimentos do estudo de Körding e Wolpert (2004a), um cursor em forma de esfera era inicialmente revelado na extremidade superior da tela do dispositivo e se direcionava realizando sua trajetória para diferentes pontos, de maneira aleatória, na extremidade oposta a que ele se encontrava. Os participantes (6 homens e 4 mulheres) não tinham contato visual sobre a posição de suas mãos, e foram solicitados a realizar uma demarcação com o dedo indicador de sua mão dominante estimando onde seria o destino final desse cursor. A posição tanto do cursor quando do ponto onde o participante realizava sua demarcação era dada através de informações fornecidas pela tela do computador situada sobre seus braços. Para a realização dessa tarefa foram manipuladas diferentes formas de estímulos para avaliar a capacidade dos sujeitos em atingirem os alvos ao longo do experimento, dividido em três etapas. Na primeira etapa (etapa I), os participantes tinham total visualização do cursor ao longo de sua trajetória, desde seu ponto de origem até este atingir seu destino final, dessa forma os participantes não tendo grandes dificuldades em se estimar o destino final do cursor com essa forma de feedback sobre sua posição; na segunda etapa (etapa II) os participantes tinham visualização do cursor apenas quando ele se revelava inicialmente e ao passar por uma demarcação situada no meio de sua trajetória, dessa forma não podendo ser observado exatamente qual seria o destino final real desse cursor; e por ultimo, na terceira etapa (etapa III), os participantes tinham visualização do cursor somente quando este passasse por uma demarcação no meio de sua trajetória, porém diferente da segunda etapa, onde ao invés de aparecer apenas o cursor os participantes eram surpreendidos por um aglomerado de 25 esferas, semelhantes ao

12 3 cursor propriamente dito, no meio do percurso. Foram analisados os dados relativos ao deslocamento lateral do cursor e o ponto final em que os participantes marcaram no final do trajeto. No presente estudo, no protocolo experimental foram utilizados diferentes estímulos ao longo da tarefa, dividida em duas etapas, semelhantes às duas primeiras etapas descritas no estudo de Körding e Wolpert (2004a). Um dos quesitos que diferenciam os protocolos é que nossos procedimentos foram realizados utilizando um computador portátil em forma de tabuleiro (modelo Ipad 1), onde o participante não teve sua visão periférica sobre a posição corporal bloqueada, tendo que o participante se localizar confortavelmente em alguma poltrona para realizar os procedimentos experimentais de forma tranquila, com um equipamento leve e fácil de ser transportado para qualquer lugar. Outra questão importante a ser citada é que no estudo de Körding e Wolpert (2004a), é que o experimento consistiu em ensaios (pontos demarcados), sendo que ensaios colocados como forma de familiarização com a tarefa (etapa I), e ensaios constituindo às duas etapas finais do experimento (etapas II e III), onde esses últimos ensaios foram os registrados para as análises e comparados com a etapa inicial (familiarização). Dessa forma, nesse estudo os participantes levavam um tempo aproximado de 120 minutos (2h) para conseguir concluir a tarefa realizando esse total de ensaios. O que poderia comprometer a capacidade de atenção e concentração dos participantes, devido esse tempo prolongado ser necessário para a realização e conclusão da tarefa requerida em seu experimento. No presente estudo, realizamos os procedimentos em um intervalo de tempo muito inferior ao utilizado por Körding e Wolpert (2004), onde foram analisados um total de 900 ensaios durante todo o experimento, sendo 300 pontos referentes à primeira etapa e 600 pontos referentes à segunda etapa. Conseguindo o participante concluir a tarefa com um tempo aproximado de 20 minutos. Segundo Floyer-Lea e Matthews (2004) e Imamizu et al. (2007), limitações técnicas podem impedir uma definição mais detalhada da dinâmica das alterações de atividades de curto prazo relacionadas ao cérebro, durante a aquisição de habilidades motoras e em sua relação com o desenvolvimento do automatismo do movimento. No presente estudo será avaliado se nosso comportamento motor pode ou não ser influenciado após a prática de uma tarefa repetitiva, se a realizarmos com um nível de incerteza superior ao anteriormente praticado, onde terá como foco

13 4 realizar um protocolo experimental em um computador portátil, onde os procedimentos de pesquisa se assemelham ao citado por Körding e Wolpert (2004a), porém testando-o de uma maneira mais próximo da realidade em que o ser humano é submetido e que seja mais prático à sua realização fora de um ambiente laboratorial Revisão bibliográfica Segundo pesquisadores, ao realizarmos tarefas que requerem movimentos precisos, nosso cérebro tenta combinar informações prévias sobre a realização dessa tarefa (ex.: experiência prática do individuo) com o nível de incerteza no sistema de feedback sensorial para realizar tal tarefa com ótimo desempenho em uma fração de segundo (KÖRDING; WOLPERT, 2004c; WOLPERT; FLANAGAN, 2010). Com isso, Körding e Wolpert (2004b) descreveram uma teoria de que nosso cérebro trabalha de uma maneira onde este tente prever o futuro ao tentar realizar ações com um nível de incerteza aumentado em relação a melhor escolha sobre o que fazer durante a realização dessa tarefa, devido à capacidade de precisão e um período de tempo curto ser exigido. A capacidade do ser humano em desempenhar uma tarefa motora com eficiência, a princípio, parece ser facilmente explicada, onde seu desempenho em determinada ação motora pode ser melhorada/aprimorada com a prática regular dessa tarefa, e dessa forma diminuindo seus índices de erros ao passo que se aumentam os índices de acertos. Fato esse facilmente observável quando analisada a capacidade em desempenhar uma tarefa específica de um atleta experiente, com anos de prática, comparando-a com um praticante iniciante nessa mesma tarefa. Porém, alguns aspectos relacionados à adaptação que nossos sistemas sofrem, principalmente relacionados ao cérebro e nossas tomadas de decisões em relação à prática de uma tarefa em específico, devem ser entendidos Aspectos gerais do controle motor O controle motor humano é realizado e monitorado pelo sistema nervoso, sendo este o responsável pela identificação dos músculos que serão ativados para determinado movimento e, em seguida, pela geração do estímulo que desenvolverá

14 5 o nível de força exigido daquele músculo (TEIXEIRA, 2006; SCHMIDT; WRISBERG, 2010; HAMILL; KNUTZEN, 2012). O sistema nervoso contém duas partes principais: o sistema nervoso central (SNC), que consiste no encéfalo e na medula espinal, devendo ser considerado o meio pelo qual o movimento humano é iniciado, controlado e monitorado; e o sistema nervoso periférico (SNP), que é composto por todos os ramos de nervos que se situam fora da medula espinal, sendo os nervos imediatamente responsáveis pela ação muscular (nervos espinais), os que ingressam do lado posterior (dorsal), da coluna vertebral e saem pelo lado anterior (ventral) (figura 1). Figura 1: Divisões do sistema nervoso humano. Sistema nervoso central (SNC) e sistema nervoso periférico (SNP). Fonte: Adaptado de Mcardle, Katch e Katch (2011) Oito pares de nervos entram e saem na região cervical, doze pares na região torácica, cinco na região lombar, cinco na região sacral e um na região coccígea. Todos (31 pares) com suas respectivas funções de acordo com as áreas que inervam (figura 2) (GUYTON; HALL, 2011; MCARDLE; KATCH; KATCH, 2011; KRAEMER; FLECK; DESCHENES, 2013).

15 6 Figura 2: Os 31 pares de nervos e suas respectivas regiões: cranianos (n=12); cervicais (n=8); torácicos (n=12); lombares (n=5); sacrais (n=5) e coccígeos (n=1 par). Fonte: Adaptado de Guyton e Hall (2011) A figura 3 representa o eixo motor do sistema nervoso que controla a contração da musculatura esquelética. Os músculos podem ser controlados por diferentes níveis do SNC, incluindo: (1) medula espinhal; (2) a formação da substância reticular bulbar, pontina e mesencefálica; (3) os gânglios da base; (4) o cerebelo e (5) o córtex motor. Sendo cada uma dessas áreas executa sua própria função, as regiões inferiores sendo responsáveis principalmente pelas respostas musculares automáticas,instantâneas aos estímulos sensoriais, e as regiões superiores comandando os movimentos musculares complexos deliberados, controlados por processos cognitivos cerebrais (GUYTON; HALL, 2011; MCARDLE; KATCH; KATCH, 2011).

16 7 Figura 3: Eixo neural motor esquelético do sistema nervoso. Fonte: Adaptado de Guyton e Hall (2011) Talvez o conceito mais simples de ser compreendido, uma vez que se trata do único aspecto diretamente observável no comportamento motor, é que o movimento consiste no deslocamento de um ou mais segmentos corporais sendo gerados por forças musculares e não musculares. Quando este conceito é usado, faz-se referência à variação de espaço ocupado pelo corpo ao longo de um período de tempo, permitindo a identificação de uma série de características referentes à sua execução, como por exemplo, amplitude, velocidade, suavidade e fluência (TEIXEIRA, 2006; HONG; BARLETT, 2008; HAMILL; KNUTZEN, 2012). Dois aspectos devem ser destacados de acordo com Teixeira (2006): O primeiro é que se está lidando com o conceito de movimento no nível comportamental de análise, onde todas as suas manifestações são potencialmente úteis para a compreensão da forma pela qual os movimentos são controlados. Essa afirmação vale tanto para movimentos de mínima magnitude (tremor muscular ou a

17 8 oscilação do corpo na postura ereta) como para movimentos globais (ou seja, movimentos amplos, comuns nas áreas de educação física e esportes). Além disso, os movimentos podem ser voluntários nas situações em que um ou mais reflexos são eliciados por um determinado estímulo. Em ambas as situações há o deslocamento de pelo menos um segmento corporal, o que significa geração de movimento (GUYTON; HALL, 2011; SCHMIDT; WRISBERG, 2010; WOLPERT; DIEDRICHSEN; FLANAGAN, 2011). O segundo aspecto a ser destacado, segundo Teixeira (2006), é que movimentos corporais são gerados por um conjunto de forças musculares controladas pelo indivíduo, em associação com outro conjunto de forças que são aplicadas sobre o corpo desse indivíduo. Quando se observa a execução de um movimento, é preciso ter em mente que o resultado final é consequência não apenas do conjunto de forças musculares, mas também da força gravitacional, das forças resistivas, inerciais, e também de outras forças mecânicas aplicadas sobre o corpo do executante (OKUNO; FRATIN, 2003; HONG; BARLETT, 2008; MCARDLE; KATCH; KATCH, 2011). A produção de uma sequência organizada e voluntária de movimentos é denominada habilidades motoras. Segundo Teixeira (2006) e Shadmehr, Smith e Krakauer (2010), existe um padrão de movimentos que caracteriza uma habilidade motora, que comporta inúmeras variações nos movimentos específicos e que nos permite inferir a intencionalidade da ação. Dessa forma, o conceito de habilidade motora pode ser tomado como sinônimo de ação motora ou ato motor, onde esses termos possuem como elemento central a intenção subjacente a um conjunto de movimentos efetuados de forma organizada (FRISTON, 2011). Apesar da grande variabilidade de movimentos que podem ser implementadas em aspectos particulares da ação, tais como força muscular, velocidade de movimento, tempo de duração de cada uma de suas partes e características espaciais de deslocamento, o padrão de movimento ou ato motor deve ser mantido, onde este corresponde às características essenciais de uma habilidade as quais permitem que a ação seja identificada (HONG; BARLETT, 2008; HAMILL; KNUTZEN, 2012). Essas habilidades podem ser classificadas, sendo assim uma forma bastante útil para estudos sobre controle motor, podendo agrupar ações motoras em função de uma característica em comum sendo feito com base em critérios que indiquem modos distintos de controle motor para cada nível da classificação (TEIXEIRA, 2006; SCHMIDT; WRISBERG, 2010; MAGILL, 2011). Os

18 9 critérios, citados por Teixeira (2006), são: (1) identificação dos pontos de início e fim dos movimentos, (2) principais grupos musculares em uma determinada ação, (3) capacidade humana para uso de feedback e (4) relação entre a estabilidade do ambiental (figura 4). Figura 4: Classificação de habilidades motoras: função de quatro critérios. Fonte: Adaptado de Teixeira (2006) No primeiro critério, relacionado à identificação dos pontos de início e fim dos movimentos, as habilidades motoras são classificadas em três categorias: cíclicas, discretas ou seriadas. As habilidades cíclicas, ou contínuas, são aquelas em que não é possível identificar os pontos de início ou de término dos movimentos uma vez iniciada sua ação. São caracterizadas por uma sequência de movimentos que são repetidos de forma cíclica pelo executante e que possuem um tempo de duração relativamente longo. Já as tarefas em que os pontos de início e fim na execução dos movimentos estão bem definidos, e dessa forma identificáveis, são classificadas como habilidades discretas. Por ultimo, a terceira categoria desse critério é a de habilidades seriadas, onde estas são compostas pela combinação organizada de duas ou mais habilidades motoras, sejam elas cíclicas ou discretas

19 10 (TEIXEIRA, 2006; HONG; BARLETT, 2008; MAGILL, 2011; HAMILL; KNUTZEN, 2012). Quando o critério de classificação das habilidades motoras relaciona-se aos principais grupos musculares recrutados em uma determinada ação motora, este sendo o segundo critério de acordo com Teixeira (2006). Esse critério diz respeito ao principal sistema muscular responsável pela obtenção de sucesso na ação, distinguindo-se entre habilidades motoras finas e globais (TEIXEIRA, 2006; GUYTON; HALL, 2011; MCARDLE; KATCH; KATCH, 2011). Sendo as habilidades motoras finas aquelas em que grupos musculares menores desempenham o papel principal do controle da ação. Nessas habilidades existe o potencial de reproduzir movimentos mais precisos, devido à maior individualização de controle de cada músculo e à maior sensibilidade nas extremidades corporais e da face (KÖRDING; WOLPERT, 2004b; WOLPERT; DIEDRICHSEN; FLANAGAN, 2011). Já quando se tratam de habilidades globais, ou grossas, podemos caracterizá-las como habilidades opostas às habilidades finas, sendo aquelas em que o papel principal na ação é desempenhado por movimentos globais do corpo, efetuados por meio da contração de grandes grupos musculares (HONG; BARLETT, 2008; HAMILL; KNUTZEN, 2012). Nesse ultimo tipo de habilidade motora citada, executantes habilidosos certamente são capazes de atingir grande nível de precisão em seu desempenho, porém, se comparando de maneira absoluta, o potencial de precisão fica em um patamar inferior em relação àquele observado em movimentos finos (KÖRDING; WOLPERT, 2004c; TEIXEIRA, 2006; FRISTON, 2011). Já no terceiro critério de classificação das habilidades motoras, Teixeira (2006) as classificam de acordo com a capacidade humana para uso de feedback. Esse capacidade de usar feedback sendo um dos aspectos mais críticos para o bom desempenho em habilidades motoras durante a execução de movimentos (STEVENSON et al, 2009; FRISTON, 2011; WOLPERT; LANDY, 2012). Feedback é um tipo particular de informação que indica ao indivíduo a ocorrência de erros em seu próprio desempenho (KÖRDING; WOLPERT, 2004b; MAGILL, 2011). A partir de tal informação, podem-se fazer as devidas correções na execução da ação a fim de se obter máxima precisão, sendo a classificação de habilidade motora em função do uso de feedback está baseada no princípio de que o processamento feedback leva algum tempo. Quanto mais tempo houver para se efetuar ajustes na resposta, mais correções podem ser implementadas (KÖRDING; WOLPERT, 2006; GUYTON;

20 11 HALL, 2011; GENEWEIN; BRAUN, 2012). O tempo de reação simples indica o intervalo de tempo mínimo entre a detecção de um estímulo e o início de uma resposta motora, dessa forma, ao considerarmos a percepção de erro como estímulo, temos a latência de resposta correspondente ao tempo de reação como uma boa estimativa do tempo necessário para se iniciar a correção de uma ação motora (KÖRDING; WOLPERT, 2004b; KÖRDING; WOLPERT, 2004c; KÖRDING; SHIH-PI; WOLPERT, 2004; TEIXEIRA, 2006). As tarefas cujos movimentos são realizados em intervalos similares ou inferiores ao tempo mínimo de reação são classificadas como tarefas controladas via circuito aberto de feedback, em que há pouca chance de que o ciclo percepção do erro - correção de erro - correção da resposta seja completado antes da ação ter sido concluída (MAGILL, 2011; FAISAL; WOLPERT, 2012; FRANKLIN; WOLPERT; FRANKLIN, 2012). Nesses casos, as correções de erros só poderão ser feitas na tentativa seguinte, por meio de uma melhor seleção dos parâmetros de movimento (SCHMIDT; WRISBERG, 2010; SHADMEHR; SMITH; KRAKAUER, 2010). No outro extremo, temos as habilidades controladas via circuito fechado de feedback, em que o tempo disponível durante a execução da habilidade é suficiente para que os movimentos sejam corrigidos (WAGNER; SMITH, 2008; WOLPERT; LANDY, 2012). Nessa segunda categoria de habilidade motora há tempo suficiente para detecção de erros, tomada de decisão sobre a correção mais apropriada, organização dos movimentos corretivos e para tradução de todo esse processo em movimentos (PROTEAU et al., 1987; TROMMERSHÂUSER et al., 2005; SELEN; SHADLEN; WOLPERT, 2012). Como nessa classificação entre habilidades de circuito aberto e de circuito fechado de feedback o critério empregado é o tempo de movimento, temos um continuum entre dois extremos: de um lado, quanto menor o tempo de movimento mais o controle motor tende a ser feito via circuito aberto; do outro lado, quanto maior o tempo de duração da ação, maiores são as chances de que o controle motor seja realizado por processamento de feedback (TEIXEIRA, 2006; HONG; BARLETT, 2008; GUYTON; HALL, 2011; MAGILL, 2011). Como último critério, segundo Teixeira (2006), a classificação de habilidades motoras é de acordo com relação entre a estabilidade do ambiental, sendo essa baseada na mudança de eventos críticos no ambiente em que a ação é executada (SCHMIDT; WRISBERG, 2010; WOLPERT; FLANAGAN, 2010). De acordo com

21 12 esse critério, as habilidades motoras sendo classificadas em predominantemente abertas e fechadas. Onde as habilidades motoras abertas são aquelas realizadas em ambientes instáveis e habilidades motoras fechadas são aquelas efetuadas em ambientes estáveis, sendo que qualquer habilidade motora pode ser classificada como aberta ou fechada (TEIXEIRA, 2006; MAGILL, 2011). Para isso, basta incluir ou excluir mudanças no ambiente que ferem a necessidade de ajustes por parte do executante. Quanto maior a velocidade e imprevisibilidade de mudanças, maior a instabilidade ambiental (SHADMEHR; SMITH; KRAKAUER, 2010; WOLPERT; LANDY, 2012). No presente estudo será explicado ao longo de todo o protocolo experimental um tipo de tarefa a ser realizada para se avaliar a resposta motora e a adaptação ao longo do tempo em relação às diferentes etapas que serão utilizadas, com o alguma forma de feedback externo sendo fornecido durante sua execução. No estudo de Körding e Wolpert (2004a), a tarefa de tocar com o dedo indicador, selecionando um cursor em uma tela de um dispositivo computadorizado, possuía características em relação aos critérios de habilidade motora segundo Teixeira (2006), como: (1) identificação dos pontos de início e fim dos movimentos: caracterizada como habilidade motora seriada por se tratar de uma tarefa que os ciclos de movimentos são repetitivos, porém com mudanças na forma de se concluir os movimentos de tocar a tela do dispositivo com o dedo indicador. (2) Principais grupos musculares em uma determinada ação: caracterizada como habilidade motora fina por se tratar de uma tarefa que serão utilizados pequenos grupos musculares do membro dominante para a execução da tarefa, onde não será necessária a utilização de grandes grupamentos musculares e grandes articulações do corpo, se tratando de pequenos movimentos de atingir um alvo com o dedo indicador em um dispositivo com largura máxima de 20 cm. Dessa forma, tendo como principal objetivo a precisão dos movimentos. (3) Capacidade humana para uso de feedback: Caracterizada como habilidade motora em circuito aberto de feedback, pois a tarefa que será realizada possuirá intervalos inferiores ao tempo mínimo de reação após o cursor ter iniciado sua trajetória, ao tempo exato de 100 ms de sua origem até atingir seu destino final, e dessa forma as correções de erros só poderão ser feitas na tentativa seguinte de

22 13 realizar a demarcação no dispositivo, estimando esse destino final do cursor por meio de uma melhor seleção dos parâmetros de movimento. (4) Relação entre a estabilidade do ambiental: caracterizando-a como habilidade motora em predominantemente aberta, pois ao decorrer da tarefa há instabilidade no ambiente, por estar ocorrendo mudanças na trajetória do cursor e consequentemente na posição final real deste, com isso havendo a necessidade de ajustes por parte do executante para realizar a tarefa com correções em seu desempenho Regulação via feedback A informação originária da realização de movimentos ou da manutenção de uma postura corporal, captada pelo próprio indivíduo que se move, por meio de diferentes fontes sensoriais é um processo conhecido como feedback sensorial (KÖRDING; WOLPERT, 2006; SCHMIDT; WRISBERG, 2010; GUYTON; HALL, 2011; MAGILL, 2011), onde sua informação fornecida é específica a uma ação em curso, sendo gerada somente a partir do início da ação e encerrada com sua conclusão (KÖRDING; WOLPERT, 2004c; TEIXEIRA, 2006). Porém, além das fontes naturais de feedback, podem ser empregados recursos que venham a aumentar a disponibilidade de informação relacionada ao movimento, a fim de melhorar o controle motor (ex.: realizar uma ação em frente ao espelho, projeção em tempo real de imagens do movimento filmadas para o próprio executante, etc.). Esse tipo de informação extra sobre o movimento em curso é denominada feedback aumentado (KÖRDING; WOLPERT, 2004b; KÖRDING; WOLPERT, 2006; WAGNER; SMITH, 2008; STEVENSON et al, 2009; TURNHAM; BRAUN; WOLPERT, 2011; TURNHAM; BRAUN; WOLPERT, 2012) Fatores moduladores do uso de feedback O uso de feedback sensorial na regulação de ações motoras permite a correção de um erro de desempenho em tempo real a respeito de um movimento ocorrido em um momento imediatamente anterior (FAISAL; WOLPERT, 2009; ACERBI; WOLPERT; VIJAYAKUMAR, 2012). Pois há um atraso na recepção de informação aferente que é inerente ao caminho que ela necessita percorrer antes de chegar à percepção

23 14 consciente (FRISTON, 2011). O processo tem início com a estimulação dos receptores sensoriais e, em seguida, os sinais correspondentes são enviados ao SNC pelas vias aferentes, passando por pré-processamento no tálamo, projeção na respectiva área sensorial do córtex e interpretação dessas informações nas áreas de associação (KÖRDING; WOLPERT, 2006; GUYTON; HALL, 2011; HONG; BARLETT, 2008; SCHMIDT; WRISBERG, 2010; HAMILL; KNUTZEN, 2012). Em outros termos, quando o feedback relativo a um movimento em curso chega aos níveis superiores de processamento, a posição corporal real já é diferente daquela informada pelo sinal sensorial, de forma que o indivíduo sempre lida com informação de feedback defasada, ou seja, de um momento imediatamente anterior àquele em que se completa a percepção (TEIXEIRA, 2006; FRISTON, 2011; MAGILL, 2011). Esse período de atraso, na recepção de informação aferente, difere em função da via sensorial principal empregada. Os períodos de latência mais curtos, 110 milissegundos, têm sido observados para tempo de reação tátil enquanto os períodos mais longos são da ordem de 200 milissegundos em tarefas de tempo de reação visual (GUYTON; HALL, 2011; HAMILL; KNUTZEN, 2012). Para o tempo de reação auditiva, tem sido observado um valor médio intermediário por volta de 150 milissegundos (KEOUGH; HAWCO; JONES, 2013). Em função desse atraso, as correções elaboradas para o ato motor não podem ser orientadas para aqueles erros detectados no exato momento em que a informação de feedback chega aos centros superiores de controle motor. Os ajustes devem ser prospectivos, visando corrigir o erro de movimento estimado no momento em que os comandos eferentes chegarem ao sistema muscular (KÖRDING; WOLPERT, 2004b; TEIXEIRA, 2006; KÖRDING; WOLPERT, 2006; FAISAL; WOLPERT, 2009) Efeitos relacionados à prática em uma tarefa motora específica Uma concepção que até recentemente foi mantida praticamente sem contestação é a de que com prática sistemática em uma tarefa motora um indivíduo torna-se relativamente independente de informação de feedback, passando a regular seus movimentos basicamente por meio de programas motores elaborados antes do início da ação (TEIXEIRA, 2006; SCHMIDT; WRISBERG, 2010; MAGILL, 2011). A lógica dessa suposição reside na argumentação de que com a aprendizagem o praticante adquiri a capacidade de especificar os parâmetros de programação de

24 15 forma mais precisa, o que tornaria o feedback desnecessário para controlar a ação (WOLPERT; FLANAGAN, 2010; WOLPERT; DIEDRICHESEN; FLANAGAN, 2011). Se não existe erro, não há o que ser corrigido, como consequência, a pesar de estar disponível, a informação de feedback seria desprezada pelo executante (KÖRDING; WOLPERT, 2004a; TEIXEIRA, 2006; SCHMIDT; WRISBERG, 2010). Algo que fortalece essa noção é o fato de que no início da prática de uma tarefa motora, os movimentos são controlados de forma mais consciente, executados de maneira mais lenta e com pouca influência, e conforme o praticante se torna habilidoso na tarefa, seus movimentos passam a ser encadeados com fluência e exigirão mínimo envolvimento cognitivo no seu controle. Essas são características que sugerem uma participação limitada do feedback no modo regular de controle de indivíduos habilidosos, diferenciando-os de indivíduos menos experientes em uma determinada atividade (figura 5) (KÖRDING; WOLPERT, 2004b; HUANG; SHADMEHR, 2007; HONG; BARLETT, 2008). Figura 5: Indivíduos experientes vs inexperientes. Indivíduos mais experientes (figura 5a) conseguem especificar os parâmetros de programação de forma mais precisa sobre a tarefa a ser realizada do que indivíduos menos experientes (figura 5b), aumentando suas possibilidades de acertos. Fonte: adaptado de Körding e Wolpert (2004b) Quanto mais longo o tempo de duração de uma ação, mais vezes o circuito aferente-eferente poderá ser completado, tornando a informação de feedback potencialmente mais útil ao controle motor (PROTEAU et al., 1987; KÖRDING; WOLPERT, 2004b; SCHMIDT; WRISBERG, 2010; MAGILL, 2011). Essa propriedade é particularmente evidente em tarefas de longa duração em que se

25 16 podem observar os ajustes realizados ao longo do tempo (KÖRDING; SHIH-PI; WOLPERT, 2004; KÖRDING; WOLPERT, 2006; KEOUGH; HAWCO; JONES, 2013). Uma situação oposta ocorre quando um indivíduo necessita executar um movimento em um curto intervalo de tempo, como no caso de tarefas motoras discretas. Nessas tarefas, o tempo de movimento normalmente reduzido impõe uma restrição importante para o uso de feedback, pois não há tempo suficiente para a interpretação dos sinais aferentes e para que os comandos motores sejam enviados ao sistema muscular. Em tais situações a ação deve ser inteiramente préprogramada e executada sem alteração do programa motor (TEIXEIRA, 2006; GUYTON; HALL, 2011; MAGILL, 2011). Habilidades motoras balísticas são bons exemplos de tarefas que impõe essa limitação ao uso de feebdback (HONG; BARLETT, 2008; HAMILL; KNUTZEN, 2012). Há também fatores físicos relacionados à correção do movimento. Considerando-se um movimento em curso, o deslocamento original gera uma força inercial que é proporcional ao produto da massa do segmento corporal em movimento pela velocidade de deslocamento. Quanto maior a modificação da direção do deslocamento original, maior deverá ser a força extra para desviar o segmento na direção desejada, o que implica um custo temporal correspondente à produção da força exigida para promover a correção. Por fim, para um uso efetivo do feedback, não é necessário simplesmente dar início a uma correção, mas sim realizar esse ajuste integralmente. Isso significa que o tempo exigido para se completar uma correção também deve ser considerado no cômputo da latência para que o controle do movimento seja realmente influenciado pela ação do feedback (TEIXEIRA, 2006; HONG; BARLETT, 2008; HAMILL; KNUTZEN, 2012). Além das restrições temporais ao uso de feedback, a participação dessa informação no controle motor está condicionada à presença de erros de desempenho. Mesmo que haja tempo suficiente para processamento de feedback, essa informação só seria usada nas situações em que a ação precisasse ser corrigida durante o seu curso (IMAMIZU et al., 2007; SCHMIDT; WRISBERG, 2010; INGRAM et al., 2011). Em uma ação motora, são várias as fontes potenciais de erro que levam ao uso do feedback para promover os devidos ajustes (GUYTON; HALL, 2011; MCARDLE; KATCH; KATCH, 2011). Em primeiro lugar, há os erros devidos à preparação imprecisa da ação. Nessa categoria estão os erros de seleção de um programa motor como erros de especificação de um ou mais parâmetros do

26 17 programa. O primeiro caso é caracterizado por um erro global, correspondente à escolha de um padrão de movimento impróprio para a situação enfrentada, como na situação em que o goleiro prepara uma defesa com as mãos e durante a aproximação da bola, muda de ideia, decidindo interceptar o voo da bola com os pés. Nesse caso, todo o padrão de movimento deve ser modificado antes da chegada da bola ao local de interceptação (TEIXEIRA, 2006). Os erros de especificação de parâmetros são mais localizados e consistem em ajustes de baixa magnitude nos componentes da ação na qual algum erro, tanto temporal quanto espacial, foi detectado durante a execução de um ato motor (SELEN; SHADLEN; WOLPERT, 2012; TURNHAM; BRAUN; WOLPERT, 2012). Outra fonte de erros são as perturbações à execução regular da ação motora, as quais podem ter origem intrínseca ou extrínseca (TEIXEIRA, 2006; SCHMIDT; WRISBERG, 2010). As perturbações intrínsecas devem-se a outros movimentos realizados pelo indivíduo simultaneamente com o ato motor principal, os quais frequentemente produzem erros de desempenho. Nessa categoria encontramse perturbações físicas e aquelas geradas por movimentos realizados por outros segmentos corporais durante a execução do componente principal da ação. Como as perturbações intrínsecas são previsíveis, os ajustes podem ser feitos de forma mais eficiente. Por outro lado, as perturbações extrínsecas são produzidas no ambiente de execução da tarefa e nem sempre são previsíveis. Essa fonte de perturbação é mais comumente representada pela aplicação de forças externas à execução do movimento, as quais não são características do modo regular de execução. Uma das situações mais frequentes em que esse tipo de perturbação ocorre é quando alguém tropeça ao subir uma escada, tendo assim o deslocamento de sua perna inesperadamente bloqueado. Isso requer uma modificação rápida e de grande magnitude do movimento em curso, com uma elevação adicional da perna de balanço para superar o obstáculo e recuperar o equilíbrio (HONG; BARLETT, 2008; SCHMIDT; WRISBERG, 2010; HAMILL; KNUTZEN, 2012). O controle de movimentos ou de posturas corporais é gerado em função da perturbação física prevista. A partir desse modo de controle, durante a execução do ato motor, são requisitadas apenas correções de baixa magnitude, que complementam os ajustes antecipatórios (TEXEIRA, 2006; WEI; KÖRDING, 2009; WOLPERT; FLANAGAN; 2010; WAGNER; SMITH, 2008; MAGILL, 2011).

27 18 No presente estudo será avaliado se nosso comportamento motor pode ou não ser influenciado após a prática de uma tarefa repetitiva, se a realizarmos com um nível de incerteza superior ao anteriormente praticado, onde terá como foco realizar um protocolo experimental em um sistema computadorizado, onde os procedimentos de pesquisa se assemelham ao citado por Körding e Wolpert (2004a), porém testando-o de uma maneira mais próximo da realidade em que o ser humano é submetido e que seja mais prático à sua realização fora de um ambiente laboratorial Objetivo geral Realizar um protocolo experimental semelhante ao citado no estudo de Körding e Wolpert (2004a), testando sua teoria através de uma metodologia mais próxima da realidade do ser humano, utilizando um equipamento mais simples e fácil de ser manuseado e transportado, e com fácil análise dos resultados Objetivos específicos Realizar os testes de precisão espacial no plano horizontal em atingir um alvo de um cursor com o dedo indicador da mão dominante na tela de um dispositivo portátil; Avaliar a precisão e a progressão ao realizar a tarefa de atingir esse alvo, com diferentes formas de feedback fornecidas sobre a posição do alvo de um cursor, separados por duas etapas; Analisar os resultados dos participantes sobre a realização da tarefa proposta em cada etapa, de acordo com o feedback fornecido para a realização da tarefa de atingir o alvo com o dedo indicador; Comparar os resultados das etapas da tarefa, em relação às diferentes formas de feedback fornecidas para a realização da tarefa proposta. Comparar a metodologia utilizada e os resultados encontrados ao estudo de Körding e Wolpert (2004a).

28 19 2. MATERIAL E MÉTODOS 2.1. Tipo de pesquisa Trata-se de uma pesquisa experimental, randomizado, não controlado, aprovada pelo Comitê de Ética em Pesquisa da Universidade Camilo Castelo Branco (UNICASTELO/SP), parecer nº: , pelo protocolo CAAE Amostra/participantes Participaram do estudo, de maneira voluntária, 14 estudantes universitários (homens: n = 7 e mulheres: n=7) no município de Santo Antônio de Pádua/RJ, com 18 a 30 anos de idade (Tabela 1), onde realizaram os mesmos procedimentos experimentais. Tabela 1: Caracterização da amostra. Média e desvio padrão (DP) da idade dos participantes (n=14). Sujeitos (n=14) Idade (anos) Médias 23 DP 2,9 Como critérios de inclusão, os participantes teriam que possuir idade entre 18 e 30 anos, não possuir nenhum histórico recente de doenças osteomioarticulares do membro utilizado no protocolo experimental, estarem se sentindo aptos para serem submetidos aos testes, possuir tempo disponível para que o teste não fosse interrompido. Como critérios de exclusão foram considerados o uso de substâncias ergogênicas e/ou estimulantes que poderiam alterar o nível de atenção/concentração durante a tarefa, lesões osteomioarticulares que impeçam total ou parcialmente a execução do experimento, qualquer participação em programas de exercícios ou atividades exaustivas no dia em que foi realizado o teste que pudessem prejudicar o desempenho e a concentração do participante. Todos assinaram um termo de participação consentida conforme a resolução nº 251, de 07/08/1997 do CONSELHO NACIONAL DE SAÚDE, e a resolução de nº 466, de

29 20 13/06/2013, que estabelece as diretrizes e normas regulamentadoras para as pesquisas envolvendo seres humanos no país, onde foram detalhados os procedimentos da pesquisa, para que os participantes ficassem cientes do que seria realizado durante todo o protocolo experimental. Uma cópia deste documento ficou na posse do participante e a outra com o pesquisador e todas as folhas foram rubricadas por ambos Equipamento e aplicativo Foi utilizado um computador portátil em forma de tabuleiro (Modelo: ipad 1 tablet PC, Fabricante: Foxconn; Microprocessador: Apple A6X, memória de 1GB RAM; dimensões de 15 cm de largura por 21cm de altura, com 9,7 polegadas de tamanho de tela; peso de 730 g e 1024x768 pixels de resolução), com um sistema de gravação ao acionar suas funcionalidades, onde foi instalado um aplicativo desenvolvido especificamente para esse experimento. O aplicativo elaborado segue as seguintes descrições: -Nome do aplicativo: Arena235. -Ambiente de desenvolvimento: Xcode, da Apple Inc. -Versão: Linguagem de programação: Objective-C. -Sistema de gestão de banco de dados: SQLite. Escolha do nome do aplicativo: O aplicativo foi denominado Arena235 por ser elaborado pelo grupo de pesquisas e consultoria esportiva, no qual possui igual nome. O grupo de pesquisa e consultoria esportiva Arena235 foi consolidado a partir de diversos estudos científicos e contam com uma equipe de engenheiros, educadores físicos e fisioterapeutas, liderados pelo Prof. Dr. Osmar Pinto Neto, com o foco em análises biomecânicas de movimentos esportivos. Com o objetivo de proporcionar, a atletas e técnicos de diversas modalidades esportivas, um feedback de performance que só é possível através de técnicas biomecânicas (figura 6).

30 21 Figura 6: Aplicativo Arena235. Aplicativo elaborado para proporcionar um feedback de performance e análise de desempenho motor. - Escolha do dispositivo a ser utilizado: O ipad, da Apple foi empregado para esse estudo devido a sua versatilidade e confiabilidade do sistema touch screen, bem como o tamanho da tela ser compatível com o estudo. A facilidade de programação para essa aplicação e a disponibilidade desse dispositivo também foram pontos importantes para a escolha desse dispositivo. - Escolha do ambiente: O Xcode é o ambiente de programação criado pela Apple, com o intuito de facilitar a programação para dispositivos desta empresa (figura 7). Ele possui componentes e aplicativos nativos e otimizados para os dispositivos Apple, bem como compiladores cruzados que permitem a geração do aplicativo nos dispositivos móveis, como ipad, que utilizam processadores com arquitetura ARM a partir de computadores com arquitetura x86 ou x64. O Xcode tem

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