Resonant tunneling diode nano-optoelectronic excitable nodes for neuromorphic spike-based information processing

In this work, we introduce an interconnected nano-optoelectronic spiking artificial neuron emitter-receiver system capable of operating at ultrafast rates (about 100ps/optical spike) and with low-energy consumption (< pJ/spike). The proposed system combines an excitable resonant tunneling diode (RTD) element exhibiting negative differential conductance, coupled to a nanoscale light source (forming a master node) or a photodetector (forming a receiver node). We study numerically the spiking dynamical responses and information propagation functionality of an interconnected master-receiver RTD node system. Using the key functionality of pulse thresholding and integration, we utilize a single node to classify sequential pulse patterns and perform convolutional functionality for image feature (edge) recognition. We also demonstrate an optically interconnected spiking neural network model for processing of spatiotemporal data at over 10 Gbit/s with high inference accuracy. Finally, we demonstrate an off-chip supervised learning approach utilizing spike-timing-dependent plasticity for the RTD-enabled photonic spiking neural network. These results demonstrate the potential and viability of RTD spiking nodes for low footprint, low-energy, high-speed optoelectronic realization of spike-based neuromorphic hardware

Development of a Plasmonic On-Chip System to Characterize Changes from External Perturbations in Cardiomyocytes

Today’s heart-on-a-chip devices are hoped to be the state-of-the-art cell and tissue characterizing tool, in clinically applicable regenerative medicine and cardiac tissue engineering. Due to the coupled electromechanical activity of cardiomyocytes (CM), a comprehensive heart-on-a-chip device as a cell characterizing tool must encompass the capability to quantify cellular contractility, conductivity, excitability, and rhythmicity. This dissertation focuses on developing a successful and statistically relevant surface plasmon resonance (SPR) biosensor for simultaneous recording of neonatal rat cardiomyocytes’ electrophysiological profile and mechanical motion under normal and perturbed conditions. The surface plasmon resonance technique can quantify (1) molecular binding onto a metal film, (2) bulk refractive index changes of the medium near (nm) the metal film, and (3) dielectric property changes of the metal film. We used thin gold metal films (also called chips) as our plasmonic sensor and obtained a periodic signal from spontaneously contracting CMs on the chip. Furthermore, we took advantage of a microfluidic module for controlled drug delivery to CMs on-chip, inhibiting and promoting their signaling pathways under dynamic flow. We identified that ionic channel activity of each contraction period of a live CM syncytium on a gold metal sensor would account for the non-specific ion adsorption onto the metal surface in a periodic manner. Moreover, the contraction of cardiomyocytes following their ion channel activity displaces the medium, changing its bulk refractive index near the metal surface. Hence, the real-time electromechanical activity of CMs using SPR sensors may be extracted as a time series we call the Plasmonic Cardio-Eukaryography Signal (P-CeG). The P-CeG signal render opportunities, where state-of-the-art heart-on-a-chip device complexities may subside to a simpler, faster and cheaper platform for label-free, non-invasive, and high throughput cellular characterization

Dynamical principles in neuroscience

Dynamical modeling of neural systems and brain functions has a history of success over the last half century. This includes, for example, the explanation and prediction of some features of neural rhythmic behaviors. Many interesting dynamical models of learning and memory based on physiological experiments have been suggested over the last two decades. Dynamical models even of consciousness now exist. Usually these models and results are based on traditional approaches and paradigms of nonlinear dynamics including dynamical chaos. Neural systems are, however, an unusual subject for nonlinear dynamics for several reasons: (i) Even the simplest neural network, with only a few neurons and synaptic connections, has an enormous number of variables and control parameters. These make neural systems adaptive and flexible, and are critical to their biological function. (ii) In contrast to traditional physical systems described by well-known basic principles, first principles governing the dynamics of neural systems are unknown. (iii) Many different neural systems exhibit similar dynamics despite having different architectures and different levels of complexity. (iv) The network architecture and connection strengths are usually not known in detail and therefore the dynamical analysis must, in some sense, be probabilistic. (v) Since nervous systems are able to organize behavior based on sensory inputs, the dynamical modeling of these systems has to explain the transformation of temporal information into combinatorial or combinatorial-temporal codes, and vice versa, for memory and recognition. In this review these problems are discussed in the context of addressing the stimulating questions: What can neuroscience learn from nonlinear dynamics, and what can nonlinear dynamics learn from neuroscience?This work was supported by NSF Grant No. NSF/EIA-0130708, and Grant No. PHY 0414174; NIH Grant No. 1 R01 NS50945 and Grant No. NS40110; MEC BFI2003-07276, and Fundación BBVA

Designer magneto-optics with plasmonic magnetic nanostructures

168 p.La nanotecnología es un campo emergente y relativamente nuevo de la investigación, que ha ganado un gran interés en los últimos años. El término ¿nano¿ es un prefijo derivado de la palabra griega ¿¿¿¿¿ (nános) y significa "diminuto, enano". La nanotecnología y las nanociencias relativas a ésta destacan por su carácter multidistiplinario y representan el enfoque combinado de diferentes campos como la biología, la química, la física y la ciencia de materiales, para diseñar y manipular estructuras, materiales y sus propiedades a escala nanométrica (hablamos de dimensiones menores a 100 nm, donde1 nm = 10-9 m). El origen de la nanotecnología se le atribuye a Richard Feynman, que pronosticó la exploración y la manipulación del nanomundo en 1959 en su famoso discurso "There¿s Plenty of Room at the Bottom" (Hay mucho sitio al fondo).1 El término ¿nanotecnología¿ fue utilizado por primera vez en 1974 por Taniguchi2, y popularizado por Drexler3 en 1986 con su libro "Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology" (La próxima era de la nanotecnología). Hoy en día la nanotecnología ya se ha convertido en parte de nuestra vida cotidiana. Por primera vez en la historia somos capaces de dominar, registrar y entender el mundo microscópico a la escala más pequeña posible.Los campos electromagnéticos, y en concreto la luz, forman parte privilegiada de esta joven disciplina al ser portadores de información e instrumentos de medida y control. La nanofotónica se encarga del estudio de la luz a escala nanométrica y aporta beneficios a la biología, la química y la ingeniería a través de nuevas configuraciones para microscopía, de modificación externa de reacciones y de dispositivos integrados para conmutación óptica. Algunos de los avances más significativos de la nanofotónica se han centrado en los metamateriales4, 5, cuyas propiedades ópticas superan y complementan a las de los materiales que se encuentran en la naturaleza o las de los sintetizados con técnicas químicas y físicas convencionales. Los metamateriales se construyen de forma artificial a partir de componentes microscópicos, y presentan una respuesta óptica asimilable a la de medios continuos sin estructura, cuyo manejo resulta sencillo al venir descritos por constantes efectivas. El índice de refracción, definido por el cambio angular en la dirección de propagación de la luz al atravesar una superficie, es una de esas constantes sobre las cuales se han producido importantes avances, como la demostración experimental de medios de índice negativo en los que la dirección de difracción es contraria a la intuición. Este tipo de materiales pueden ser utilizados para fabricar lentes perfectas, capaces de formar imágenes con precisión superior a la impuesta por el límitede difracción, que impide resolver detalles inferiores a media longitud de onda (una fracción de la micra para luz visible). Otro ejemplo está representado por los materiales invisibles, indistinguibles del aire porque tienen su mismo índice de refracción. Recientemente se ha logrado un alto grado de invisibilidad en metales, opacos en general, pero que se tornan transparentes al ser perforados por redes periódicas de agujeros. La transmisión de luz a través de un solo agujero resulta enormemente reducida si este es pequeño en comparación con la longitud de onda. Sin embargo, el efecto cooperativo de una disposición periódica de agujeros induce resonancias que apilan la intensidad de la luz en las cercanías de los mismos, produciendo una transmisión neta cercana al 100%, al menos para rayos infrarrojos y agujeros nanoscópicos. Estos fenómenos se sustentan en general en el control del flujo luminoso a escala nanométrica (muy por debajo de la longitud de onda). Por ejemplo, en los llamados cristales fotónicos, donde el índice de refracción aparece modulado periódicamente en el espacio y donde la luz se comporta de manera análoga a los electrones sensibles a la disposición periódica de los átomos en el seno de un cristal sólido convencional. Emergen por tanto conceptos análogos a los de aislante y conductor eléctricos, pero para la luz. En este contexto se han construido guías de luz capaces de cambiar su dirección de propagación en distancias de tan sólo una micra, con el consiguiente potencial para reducir la presencia de componentes ordinarios en los circuitos ópticos tales como las fibras de sílice, portadoras de señales de teléfono, internet y televisión, y que requieren milímetros para lograr el mismo efecto. En otra vertiente, la fuerza de enlace entre moléculas se puede determinar ahora con facilidad gracias a las técnicas desarrolladas en el ámbito de la nanofotónica, pues las señales electromagnéticas ejercen fuerzas sobre los objetos, siendo capaces incluso de moverlos. Los conceptos de campo cercano, campo evanescente y resonancia son importantes en todos estos ejemplos. La nanofotónica se centra principalmente en el llamado campo cercano, un término que se refiere a las distancias próximas a los objetos sobre los cuales la luz se refleja, se absorbe o se dispersa. En el campo cercano aparecen contribuciones de los llamados campos evanescentes, incapaces de propagar energía, y por tanto inmunes al conocido principio de conservación al que otros campos (los propagantes) están sometidos. Los plasmones de superficie ilustran claramente el concepto de campo evanescente, pues son excitaciones de electrones de conducción, similares a las de un plasma, que al no propagar energía en dirección perpendicular a la superficie están condenadas a vivir en sus inmediaciones. El estudio de la creación y el guiado de plasmones en superficies metálicas nanoestructuradas constituye el núcleo central de la plasmónica. Asimismo, existen plasmones en nanopartículas metálicas, observables en las bandas de absorción óptica. Al contrario que en superficies planas, los plasmones de nanopartículas pueden escapar de ellas por acoplamiento directo con la luz propagante.La longitud de onda de estos plasmones depende críticamente de la composición y morfología de las partículas. Actualmente, la propagación electromagnética causada por metamateriales plasmónicos nanoestructurados es una cuestión de enorme interés que está siendo investigada teóricamente y experimentalmente con el fin de comprender la física e investigar efectos novedosos de campo cercano y de campo lejano que podrían explotarse en una amplia gama de aplicaciones. Tales aplicaciones incluyen el desarrollo de dispositivos nano-ópticos novedosos para comunicaciones ópticas6, para la captación de energía7 y también para el desarrollo de dispositivos ultrasensibles para detectar biomoléculas.8 Gran parte de este reciente descubrimiento ha estado impulsado por las mejorias continuas de las herramientas de nanofabricación que permiten crear y diseñar nano-objetos de alta calidad, por la mayoria hechos utilizando metals nobles como el oro o la plata. Los esfuerzos destinados a diseñar nuevos dispositivos nano-ópticos basados en la utilización de los plasmones están generando una multitud de avances básicos en conmutación óptica, biosensores, microscopía, etc. Además, hoy en día, muchas de las tecnologías emergentes utilizadas en bioquímica y en ciencia de los materiales se basan en la nano-fotónica, que utiliza la luz como un portador de información. Los componentes ópticos que son capaces de manipular la polarización y la intensidad de la luz, tales como rotores y aisladores no recíprocos, son ubicuos. Las mayores dificultades para la integración de componentes para la modulación de modos ópticos en guías de ondas o, aún más prohibitivo, en los circuitos nano-fotónicos, son sus dimensiones macroscópicas. Dichos componentes son imprescindibles para la modificación de los modos ópticos, por ejemplo, a través de los efectos Kerr y Faraday con modulación magnética. Por lo tanto, se están haciendo esfuerzos considerables y crecientes para implementar nuevos diseños conceptuales que exploten eficientemente el control de la intensidad y de la polarización de la luz y para la propagación de los modos ópticos a través de metamateriales plasmónicos planos y nanoestructurados. Un abordaje muy prometedor para lograr este objetivo es explorar la propagación no recíproca de la luz mediante el diseño de materiales magneto-ópticos nanoestructurados que, combinando funcionalidades plasmónicas y magnéticas al mismo tiempo, muestren nuevos e inesperados fenómenos y funcionalidades que permitan la manipulación de la luz en la nanoescala.9-34 La idea que subyace a la llamada magnetoplasmónica es que puede explotarse el gran confinamiento de fotones que se relaciona con la excitación de resonancias de plasma en combinación con las propiedades magnéticas del nano-objeto para aumentar y optimizar los efectos magneto-ópticos de los materiales ferromagnéticos existentes, lo que proporcionaría medios muy eficaces para controlar el flujo de luz. La actividad magneto-óptica se corresponde con los cambios en el estado de polarización y/o intensidad de la luz transmitida (efecto Faraday), reflejada (efecto Kerr), o más generalmente dispersada porun material, que son inducidos por la aplicación de un campo magnético externo. Los materiales ferromagnéticos muestran una importante actividad magneto-óptica con campos magnéticos bajos (< 0.5 T), lo que los convierte en los mejores candidatos para ser empleados en estos estudios. Por lo contrario, las oscilaciones de plasma en materiales ferromagnéticos suelen mostrar un mayor amortiguamiento que en los metales nobles, de manera que la estrategia común para superar este exceso de amortiguamiento es desarrollar estructuras híbridas que consisten en metales nobles y materiales ferromagnéticos, donde el metal noble aumenta la respuesta plasmónica del sistema.12-21 Recientemente se ha demostrado que puede producirse el efecto de aumento magneto-óptico debido a la excitación de plasmones en nanoestructuras ferromagnéticas puras 35, 36, las cuales ofrecen como ventaja una mayor polarización magnética y una fabricación menos exigente. Además de los retos experimentales relacionados con el control preciso y simultáneo de las propiedades de los materiales, la fabricación y la caracterización óptica en nanoescala, la exploración de todos estos efectos plantea cuestiones fundamentales de la magneto-óptica de materiales en la nanoescala. El trabajo de investigación presentado en esta Tesis se ha centrado en profundizar el estudio de fenómenos ópticos y plasmónicos en nanoestructuras ferromagnéticas puras. El trabajo aquí presentado está focalizado en la caracterización espectroscópica de materiales plasmónicos magneto-ópticos nanoestructurados, así como en el desarrollo de modelos teóricos para explicar y describir los efectos físicos observados en los experimentos. La finalidad de esta Tesis es comprender mejor la física subyacente a las relaciones mutuas entre el magnetismo, la actividad magneto-óptica y el acoplamiento de luz-materia en geometrías espacialmente confinadas en la nanoescala, y abrir el camino al diseño de nuevos materiales nanoestructurados para controlar magnéticamente la propagación de la luz. Estos nuevos materiales podrían tener un gran impacto en una amplia gama de aplicaciones tecnológicas importantes como almacenamiento magneto-óptico de datos, optoelectrónica, captación de energía para células fotovoltaicas y biodetección.En concreto, después de una introducción sobre las propiedades ópticas y magneto-ópticas de los metales y nanoestrutura metalicas (Capitulo 1), en el Capítulo 2 de la Tesis se han estudiado nanoantenas de forma circular y elipsoidal de níquel. Dichas nanoantenas se fabricaron sobre sustratos dieléctricos transparentes con el método litográfico ¿Hole Mask Colloidal Lithography¿, desarrollado en colaboración con el grupo del Prof. Alexandre Dmitriev (Gothenburg University). En CIC nanoGUNE se han medido las propiedades ópticas y magneto-ópticas de estas muestras, y se ha desarrollado un modelado teórico para reproducir los resultados experimentales, diseñar metamateriales magnetoplasmónicos y alcanzar un mejor control de sus propiedades ópticas y magneto-ópticas. En este sentido se han desarrollado ¿reglas de diseño¿ paraobtener el control de la luz a través de nanoantenas magnetoplasmónicas de forma elíptica, donde ajustando los tres ejes de la elipse se pueden combinar varios modos plasmónicos a través del acoplamiento magneto-óptico. En el Capítulo 3 se ha estudiado la aplicación de estos metamateriales magnetoplasmónicos como sensores refractométricos y químicos ultrasensibles a nivel de molécula y/o proteína individual. La técnica de detección desarrollada está basada en un fenómeno llamado conversión de polarización, el cual se produce cuando la luz polarizada linealmente interactúa con sistemas que presentan una anisotropía óptica o una actividad magneto-óptica (efecto Kerr o Faraday) produciendo una luz reflejada o transmitida que es elípticamente polarizada y tiene el plano de polarización rotado. Los resultados obtenidos muestran que si se mide la rotación del plano de polarización o la elipticidad de la polarización de la luz trasmitida/reflejada, se puede cuantificar de manera muy precisa la adsorción de moléculas y proteínas. Esta investigación se ha hecho en colaboración con el Dr. Keith Gregorczyk y el Prof. Mato Knez del grupo de Nanomateriales en CIC nanoGUNE. Ademas, durante una estancia de tres meses en el grupo de Nanobiofotónica en Chalmers University of Technology (Goteborgo, Suecia), se ha diseñado un experimento en colaboración con el Dr. Ruggero Verre para detectar la adsorción de neutravidina y biotina con diferentes concentraciones, basado su la tecnica mencionada antes. El Capítulo 4 presenta un estudio sobre sistemas magnetoplasmónicos nanoestructurados y ordenados en redes periódicas de nanoantenas ferromagneticas donde los efectos plasmónicos de las estructuras individuales interfieren coherentemente a través de efectos difractivos debidos al orden del retículo, produciendo un efecto colectivo llamado resonancia de superficie de retículo (lattice surface resonances). Para calcular la respuesta óptica y magneto-óptica de dichos sistemas se ha desarrollado un código basado en la aproximación de dipolo discreto (Discrete Dipole Approximation) en colaboración con el Dr. Luca Bergami y la Prof.ª Nerea Zabala de la UPV/EHU, y el Prof. Javier Aizpurua del CFM/CSIC-UPV. La combinación de cálculos analíticos y numéricos ha servido de soporte al diseño, fabricación y medición de sistemas ordenados de antenas de níquel con forma elíptica para obtener un control más eficaz de la respuesta magneto-óptica y un aumento de dicha respuesta comparado con los efectos estudiados en nanoestructuras no interagentes. Finalmente, en el Capítulo 5, se han estudiado experimentalmente y teóricamente, en colaboración con el Dr. Antonio García-Martín (Instituto de Microelectrónica de Madrid) y el Prof. Juan Carlos Cuevas (Universidad Autónoma de Madrid), las propiedades de plasmones propagantes en capas ferromagnéticas perforadas, donde se puede crear bandas plasmónicas que se pueden utilizar y combinar entre ellas para manipular y aumentar la respuesta magneto-óptica de dichos metamateriales

On the development of slime mould morphological, intracellular and heterotic computing devices

The use of live biological substrates in the fabrication of unconventional computing (UC) devices is steadily transcending the barriers between science fiction and reality, but efforts in this direction are impeded by ethical considerations, the field’s restrictively broad multidisciplinarity and our incomplete knowledge of fundamental biological processes. As such, very few functional prototypes of biological UC devices have been produced to date. This thesis aims to demonstrate the computational polymorphism and polyfunctionality of a chosen biological substrate — slime mould Physarum polycephalum, an arguably ‘simple’ single-celled organism — and how these properties can be harnessed to create laboratory experimental prototypes of functionally-useful biological UC prototypes. Computing devices utilising live slime mould as their key constituent element can be developed into a) heterotic, or hybrid devices, which are based on electrical recognition of slime mould behaviour via machine-organism interfaces, b) whole-organism-scale morphological processors, whose output is the organism’s morphological adaptation to environmental stimuli (input) and c) intracellular processors wherein data are represented by energetic signalling events mediated by the cytoskeleton, a nano-scale protein network. It is demonstrated that each category of device is capable of implementing logic and furthermore, specific applications for each class may be engineered, such as image processing applications for morphological processors and biosensors in the case of heterotic devices. The results presented are supported by a range of computer modelling experiments using cellular automata and multi-agent modelling. We conclude that P. polycephalum is a polymorphic UC substrate insofar as it can process multimodal sensory input and polyfunctional in its demonstrable ability to undertake a variety of computing problems. Furthermore, our results are highly applicable to the study of other living UC substrates and will inform future work in UC, biosensing, and biomedicine

PRINCIPLES OF INFORMATION PROCESSING IN NEURONAL AVALANCHES

How the brain processes information is poorly understood. It has been suggested that the imbalance of excitation and inhibition (E/I) can significantly affect information processing in the brain. Neuronal avalanches, a type of spontaneous activity recently discovered, have been ubiquitously observed in vitro and in vivo when the cortical network is in the E/I balanced state. In this dissertation, I experimentally demonstrate that several properties regarding information processing in the cortex, i.e. the entropy of spontaneous activity, the information transmission between stimulus and response, the diversity of synchronized states and the discrimination of external stimuli, are optimized when the cortical network is in the E/I balanced state, exhibiting neuronal avalanche dynamics. These experimental studies not only support the hypothesis that the cortex operates in the critical state, but also suggest that criticality is a potential principle of information processing in the cortex. Further, we study the interaction structure in population neuronal dynamics, and discovered a special structure of higher order interactions that are inherent in the neuronal dynamics

High-Density Mapping Analysis of Electrical Spatiotemporal Behaviour in Atrial Fibrillation

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Sinais e Imagens Médicas), 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasDoenças cardiovasculares, tais como arritmias, são a principal causa de morte no mundo, especialmente no Sul e no Este da Ásia, e nos Estados Unidos da América [1]. As arritmas são caracterizadas pela alteração no ritmo sinusal normal do coração. Em particular, a fibrilhação auricular (FA) é a arritmia cardíaca mais comum na prática clínica, contribuindo para mais de 200 mil mortes globalmente em 2017 [2]. Caracteriza-se pela contração rápida e dessincronizada das aurículas, e está associada ao aumento da mortalidade e afecta de forma negativa a qualidade de vida dos pacientes. A FA é geralmente tratada através de medicação, porém quando esta falha, a ablação por cateter é indicada, sendo um tratamento de referência para combater esta patologia. A ablação apresenta uma taxa de sucesso de aproximadamente 50% no primeiro procedimento, sendo necessário efectuar vários procedimentos para aumentar a eficácia do tratamento [3]. A detecção desta patologia envolve, numa primeira fase, a realização de um electrocardiograma (ECG) e, posteriormente um estudo electrofisiológico para saber com precisão onde se localiza e o mecanismo subjacente à mesma. Este último implica o registo da actividade eléctrica através de electrogramas (EGM) locais em diferentes pontos das aurículas e dos ventrículos, com o auxílio de sistemas de mapeamento tridimensionais (3D) electroanatómicos, sendo um procedimento invasivo. Existem diversos métodos lineares e não lineares que permitem a análise dos EGMs nos domínios do tempo, frequência, fase, entre outros, com a finalidade de melhor compreender os mecanismos subjacentes à FA e, consequentemente aumentar a taxa de sucesso do processo de ablação e melhorar a sua eficiência. Esta área de estudo progrediu significativamente, tanto a nível de hardware, como de software. Apesar disso, os métodos desenvolvidos não têm nem acrescentado benefícios adicionais, nem melhorado significativamente a taxa de sucesso do processo de ablação. Existem várias razões para tal, e grande parte deve-se ao facto destes métodos de análise estarem incorporados nos sistemas de mapeamento e o seu software ser exclusivo. Isto leva a que não consigamos perceber como é que os algoritmos funcionam nos diferentes sistemas de mapeamento para comparar as suas diferenças e semelhanças. Devido a estes constrangimentos, os investigadores são compelidos a desenvolver os seus próprios métodos de análise e técnicas de mapeamento, o que leva à existência de uma multitude de métodos e técnicas de mapeamento que parecem ser diferentes entre si, resultando em informação ambígua e conflituosa no que diz respeito aos mecanismos da FA, e a conclusões distintas entre estudos. O sucesso do tratamento poderia aumentar se tivéssemos uma melhor compreensão dos métodos de análise e da sua aplicação no contexto da FA; perceber se os métodos apontam para o mesmo fenómeno de fibrilhação, se existe alguma correlação entre os métodos, e se a informação fornecida pelos mesmos é complementar ou redundante. Assim, o objectivo deste trabalho consistiu em implementar diferentes métodos para analisar os EGMs e a estrutura 3D da aurícula esquerda (AE) de doentes com FA, numa tentativa de responder às questões que motivaram a realização deste projecto. Em última análise, ao observar os mapas 3D da AE tendo uma melhor compreensão dos métodos, poderemos identificar com precisão as regiões na AE responsáveis por iniciar a FA, e ter mais conhecimento sobre os mecanismos responsáveis pela mesma. Desta forma, o processo de ablação poderá alcançar o seu potencial. Para este projecto, foram incluídos os mapas 3D electroanatómicos da AE de dez doentes com FA paroxística ou persistente do hospital de Santa Marta, recolhidos com o sistema de mapeamento CARTO 3. Cada ponto electroanatómico dos mapas inclui as 12 derivações do ECG, e os EGMs unipolares e bipolares registados com o cateter de mapeamento Pentaray de 20 pólos. Porém, apenas os EGMs bipolares foram incluídos na análise. Processaram-se os sinais bipolares e, devido a algumas limitações, foi possível apenas a implementação de dois métodos diferentes para os analisar: um no domínio da frequência – Frequência Dominante (FD) –, e outro no domínio da Teoria da Informação – a entropia de Shannon. De seguida, criaram-se três tipos de mapas 3D electroanatómicos da AE para cada doente: um de voltagem, cuja informação foi adquirida com o sistema de mapeamento, um de FD, e outro de entropia. A informação de cada mapa estava organizada segundo um padrão de cores. Observando os diferentes tipos de mapas da AE paralelamente, foi possível comparar os métodos, e perceber que tipo de informação cada um deles fornecia, numa tentativa de melhor compreender os mecanismos da FA. Foi possível observar em algumas regiões da AE, principalmente nos mapas de voltagem e de FD, a presença de “centros de activação” ou “centros de fibrilhação”, que poderão ser os gatilhos responsáveis por desencadear ou manter o mecanismo de fibrilhação. Para confirmar se de facto aquelas regiões eram os gatilhos de fibrilhação, seria necessário submeter os doentes ao processo de ablação e queimar essas zonas; e posteriormente acompanhar os doentes para observar os efeitos do procedimento e confirmar a hipótese. Contudo, dadas as limitações do trabalho e o facto desta área de investigação ser pouco explorada, é fulcral obter um maior número de estudo comparativos entre mais métodos de diferentes domínios e confirmar se apontam ou não para o mesmo fenómeno de fibrilhação. Apesar de terem sido implementados apenas dois métodos de análise dos EGMs, o projecto permitiu a comparação entre os mesmos, uma área de estudo por onde ainda há muito para investigar. Com mais conhecimento sobre os diferentes métodos, a sua aplicação, inter-relação e adequação no estudo dos mecanismos da FA e das propriedades electrofisiológicas desta patologia, é possível desenvolver procedimentos de ablação mais eficientes e selectivos, de forma a diminuir os riscos e aumentar a taxa de sucesso do tratamento.Atrial fibrillation (AF) is the most frequent cardiac arrhythmia in clinical practice and is described by rapid and irregular contractions of the atria. Despite catheter ablation (CA) being a well-established treatment for AF, it is sub-optimal, with a success rate of approximately 50 % after a single procedure, with some patients requiring multiple procedures to achieve long-term freedom from this pathology. This prompted the proposal and development of various quantitative electrogram (EGM)-based methods along with different mapping systems with their respective mapping techniques, to better understand the mechanisms responsible for initiating and maintaining AF, thus improving ablation outcomes. However, this diversification of methods and tools resulted in disperse and inconsistent data regarding the mechanisms of AF. This work consisted of employing two different methods to analyse the electrograms (EGM): dominant frequency (DF) and Shannon entropy (ShEn). From these EGMs, metrics were then extracted and displayed in colour-coded fashion on a 3D mesh of the left atrium (LA) from patients with paroxysmal or persistent AF. The two methods were compared to understand whether or not these indicated different phenomena/mechanisms, and if these could locate sites suspected of triggering and maintaining AF. The results, while not fully conforming to the literature, allowed the comparison between different EGM analysis methods, a field of study that requires further research. Overall, this project highlighted the limited data available within the topic, hindering our understanding of AF mechanisms and development of more effective and selective ablation procedures to avoid unnecessary complications, and ultimately improve the effects of the treatment's outcomes