Monitorando o Metabolismo Animal com Tecnologia de Radar

Os animais precisam usar a energia de forma inteligente pra sobreviver. Eles gastam energia em várias atividades, tipo se mover, controlar a temperatura do corpo e reproduzir. Todo ser vivo tem algumas maneiras básicas de produzir energia. O Metabolismo é o processo que ajuda os animais a transformar comida e outros materiais em energia que o corpo consegue usar.

Pra continuar vivo, os animais têm que se adaptar às mudanças ao redor. Essa flexibilidade é crucial pra como o metabolismo deles funciona. Por exemplo, em animais com coluna vertebral, os sistemas respiratório (respiração) e cardiovascular (coração) são bem desenvolvidos. Esses sistemas ajudam a ajustar rapidamente às diferentes necessidades de energia. Quando os camundongos correm, eles precisam de mais oxigênio, então a taxa de respiração deles aumenta bastante. Enquanto eles se exercitam, a frequência cardíaca também sobe cerca de 10 a 20%. Se a necessidade de oxigênio diminui, como quando os animais hibernam, os sistemas respiratório e cardíaco desaceleram. Por exemplo, quando um esquilo de treze faixas tá dormindo profundamente, o corpo dele pode usar apenas 2 a 3% do oxigênio que usa quando tá acordado.

Rastrear o uso de energia de um animal é importante. Isso pode nos dizer quão ativo ou calmo um animal tá. Existem jeitos diferentes de monitorar o uso de energia sem tocar fisicamente no animal. Um método comum é a calorimetria, que mede o calor produzido pelo corpo. Tem dois tipos: direto e indireto. A calorimetria direta mede o calor diretamente, mas pode ser bem cara. A calorimetria indireta mede quanto oxigênio é usado e quanto dióxido de carbono é produzido, o que indica quanto de energia o animal tá gastando.

Tem também métodos mais novos que usam gravações de vídeo pra monitorar a respiração e as taxas de batimento cardíaco sem precisar tocar nos animais. Porém, esses métodos ainda enfrentam alguns problemas, como a precisão em detectar a frequência cardíaca a partir do vídeo. Avanços recentes na tecnologia de Radar mostraram potencial pra monitorar sinais vitais sem contato. O radar consegue passar por roupas e pelos pra captar pequenos movimentos causados pela respiração e pelos batimentos cardíacos.

#Medindo o Metabolismo Usando Tecnologia de Radar

Pra estudar o metabolismo em animais pequenos como os camundongos, montamos um sistema de radar que capta os movimentos deles e mede o uso de energia. Esse radar emite um sinal que muda com o tempo. Quando esse sinal atinge um animal em movimento, ele reflete de volta, permitindo que a gente meça coisas como a distância e a velocidade do movimento do animal.

Na nossa configuração, os camundongos foram colocados em um ambiente controlado onde o Consumo de Oxigênio deles era monitorado a cada seis minutos. Ao mesmo tempo, o radar coletou dados sobre os movimentos dos camundongos. O radar gerou muitos dados, suficientes pra analisar a respiração e a atividade cardíaca do camundongo.

Registramos diferentes temperaturas, porque a temperatura afeta quanto de energia um animal usa. Por exemplo, a 20 °C, nossos dados mostram que o uso de oxigênio era cerca de 2,877 ml/g/h. Esse valor mudou em diferentes temperaturas, o que sugere que condições mais frias requerem mais energia pra manter a temperatura do corpo.

#Como Processamos os Sinais de Radar

O sistema de radar capta sinais muito rapidamente, permitindo que a gente analise os dados em alta frequência. Usamos segmentos de tempo dos dados pra criar representações visuais chamadas espectrogramas. Esses espectrogramas são tipo fotos que mostram a frequência ao longo do tempo, e a gente pode usá-los pra encontrar padrões relacionados ao uso de energia.

Pra analisar esses espectrogramas, usamos um tipo de modelo computacional baseado em aprendizado profundo. Esse modelo consegue aprender com os dados e ajudar a prever o uso de energia com base nos sinais de radar. Basicamente, alimentamos o modelo com dados de três segmentos de tempo pra ajudar ele a reconhecer padrões.

No final, descobrimos que nosso modelo foi eficaz em prever o uso de energia com base nos sinais de radar, mesmo quando os camundongos estavam se movendo livremente. Ele mostrou um bom desempenho em diferentes condições de temperatura.

#Entendendo Como o Modelo Funciona

Pra deixar nossos resultados mais claros, examinamos quais características dos sinais de radar eram mais importantes pra prever o uso de energia. Usamos um método chamado Grad-CAM, que ajuda a visualizar quais partes dos dados de radar contribuíram mais pras previsões. Isso nos ajudou a entender como o sistema funciona e quais dados ele usa pra previsões precisas.

Analisando as características, conseguimos ver que certos padrões estavam bem ligados ao uso de energia. O modelo conseguiu detectar informações relacionadas ao consumo de oxigênio não só com base nos dados atuais, mas também reconhecendo tendências ao longo do tempo.

#Prevendo o Uso Futuro de Energia

A capacidade de prever o consumo futuro de energia é outra característica importante da nossa pesquisa. Treinamos nosso modelo pra ver se ele conseguia prever o uso de oxigênio alguns minutos à frente com base nos dados atuais. Isso poderia ser especialmente útil pra entender como os animais se preparam pra mudanças, como entrar em hibernação.

Nos nossos experimentos, percebemos que o modelo conseguia prever o uso de energia pra até 60 minutos à frente sem perder precisão. Isso sugere que os sinais de radar podem revelar mudanças lentas no metabolismo antes que elas aconteçam.

#Aplicações Práticas e Desafios

A capacidade de monitorar e prever o uso de energia em animais sem contato abre muitas possibilidades. Os pesquisadores poderiam usar essa informação pra estudar como diferentes fatores influenciam o metabolismo, como temperatura e níveis de atividade.

Uma possível área pra mais pesquisa é examinar como os animais entram em hibernação. Entender quando os animais começam a se preparar pra hibernação poderia ajudar os pesquisadores a coletarem mais dados sobre as mudanças fisiológicas que ocorrem durante esse tempo.

No entanto, ainda existem limitações nos nossos métodos. Atualmente, previsões em tempo real usando o sistema de radar requerem dados de fundo de sessões anteriores. Isso significa que, pra aplicações em tempo real, precisaríamos coletar vários dias de dados primeiro.

#Conclusão

Entender como os animais usam energia é uma área crítica de pesquisa. Os métodos que desenvolvemos usando tecnologia de radar e aprendizado de máquina oferecem novas maneiras de monitorar e prever o uso de energia em animais pequenos sem contato direto. À medida que refinamos nossos processos, conseguimos obter insights mais profundos sobre metabolismo e como os animais se adaptam aos seus ambientes. Esse conhecimento pode ter amplas aplicações em biologia e conservação da vida selvagem.