Synapses vary widely in the probability of transmitter release. For instance, in response to an action potential the phasic synapses of the crayfish have a 100-1000-fold higher release probability than tonic synapses. The difference in release probability is attributed to differences in the exocytotic machinery such as the degree of “zippering” of the trans-SNARE (Soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor Attachment protein REceptor) complex. I used physiological and molecular approaches to determine if the zippered state of SNAREs associated with synaptic vesicles and the interaction between the SNARE complex and Complexin influence the probability of release at the synapse. I used three Botulinum neurotoxins which bind and cleave at different sites on VAMP to determine whether these sites were occluded by SNARE interaction (zippering) or open to proteolytic attack. Under low stimulation conditions, the light-chain fragment of botulinum B (BoNT/B-LC) but not BoNT/D-LC or tetanus neurotoxin (TeNT-LC) cleaved VAMP and inhibited evoked release at both phasic and tonic synapses. In addition, a peptide based on the C-terminal half of crayfish VAMP’s SNARE motif (Vc peptide) designed to interfere with SNARE complex zippering at the C-terminal end inhibited release at both synapses. The susceptibility of VAMP to only BoNT/B-LC and interference by the Vc peptide indicated that SNARE complexes at both phasic and tonic synapses were partially zippered only at the N-terminal end with the C-terminal end exposed under resting conditions. I used a peptide containing part of the crayfish Complexin central α-helix domain to interfere with the interaction between Complexin and the SNARE complex. The peptide enhanced phasic evoked release and inhibited tonic evoked release under low stimulation but attenuated release at both synapses under intense stimulation. Therefore, Complexin appeared to exhibit a dual function under low synaptic activity but only promoted release under high synaptic activity. The results showed that the zippered state of the SNARE complex does not determine initial release probability as a similar zippered SNARE complex structure under resting conditions is common to both phasic and tonic synapses. However, Complexin may have a role in influencing the initial release probability of a synapse. Therefore, the interaction between the SNARE complex and Complexin is important for release but other factors contribute more significantly to synaptic strength.

We are interested in understanding the molecular mechanisms that govern synaptic growth and plasticity. Recent evidence from several laboratories suggests that small GTPases play an important role in the promotion of neurite outgrowth; however, their role in the control of synaptic growth and functional plasticity is not well understood. The goal of this thesis is to investigate the role of small GTPases (including Rac, Rho and Cdc42) in the regulation of synaptic growth in vivo, using the Drosophila larval neuromuscular junction (NMJ) synapses as a model system. Our results show that presynaptic overexpression of Rac, but not of Rho or Cdc42, positively regulates both synaptic structure and function. Genetic loss of Rac leads to embryonic lethality, making it impossible to assess the full loss-of-function phenotype using conventional mutants. To circumvent this, we use the MARCM (Mosaic Analysis with a Repressible Cell Marker) technique to generate single motor neuron clones devoid of all genetic copies of Rac. Our data suggest that Rac activity is crucial for normal synaptic development. In support of this conclusion, we demonstrate that genetic removal of trio, a guanine nucleotide exchange factor (GEF) that is known to activate Rac, leads to a drastic reduction in the number of synaptic boutons. In addition, genetic removal of one copy of trio is sufficient to suppress the gain-of-function phenotype of Rac. Moreover, we demonstrate that partial removal of the fragile X mental retardation gene (dfmr1), a known suppressor of Rac, enhances the gain-of-function phenotype of Rac. Taken together, our findings support a model in which Rac signaling positively regulates synaptic growth and function at the Drosophila larval NMJ.

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Diss. (sammanfattning) Uppsala : Uppsala universitet, 2007. / Härtill 5 uppsatser.

Thesis (Ph. D.) -- University of Texas Southwestern Medical Center at Dallas, 2005. / Vita. Bibliography: 209-224.

Thesis (Ph. D.)--University of Oklahoma. / Bibliography: leaves 117-135.

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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A modelagem matemática e computacional é uma ferramenta que tem sido bastante utilizada no campo da Biologia e das Ciências Biomédicas. Nos dias de hoje, uma quantidade significativa de dados experimentais nessa área pode ser encontrada na literatura, tornando possível o desenvolvimento de modelos que combinem a experimentação e hipóteses teóricas. O objetivo do presente projeto é implementar um modelo matemático de transmissão sináptica conectando neurônios em um circuito de descargas repetitivas ou reverberativo, a fim de investigar o seu comportamento diante de variações paramétricas. Através de simulações computacionais, utilizando um programa desenvolvido em linguagem C++, pretende-se utilizá-lo para simular um circuito de memória imediata. Afora o considerável avanço da Neurofisiologia e Neurociência computacional no sentido do entendimento das características fisiológicas e comportamentais das habilidades do Sistema Nervoso Central, muitos mecanismos neuronais ainda permanecem completamente obscuros. Ainda não se conhece definitivamente o mecanismo pelo qual o cérebro adquire, armazena e evoca as informações. Porém, o postulado de Hebb referente às redes reverberantes, onde a idéia de que redes de reverberação facilitariam a associação de dados coincidentes entre informações sensoriais, temporalmente divergentes, tem sido aceito para explicar a formação de memória imediata (Johnson et al., 2009). Assim, com base no postulado de Hebb, os resultados observados no modelo neuromatemático-computacional adotado possuem características de um circuito de memória imediata.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A modelagem matemática e computacional é uma ferramenta que tem sido bastante utilizada no campo da Biologia e das Ciências Biomédicas. Nos dias de hoje, uma quantidade significativa de dados experimentais nessa área pode ser encontrada na literatura, tornando possível o desenvolvimento de modelos que combinem a experimentação e hipóteses teóricas. O objetivo do presente projeto é implementar um modelo matemático de transmissão sináptica conectando neurônios em um circuito de descargas repetitivas ou reverberativo, a fim de investigar o seu comportamento diante de variações paramétricas. Através de simulações computacionais, utilizando um programa desenvolvido em linguagem C++, pretende-se utilizá-lo para simular um circuito de memória imediata. Afora o considerável avanço da Neurofisiologia e Neurociência computacional no sentido do entendimento das características fisiológicas e comportamentais das habilidades do Sistema Nervoso Central, muitos mecanismos neuronais ainda permanecem completamente obscuros. Ainda não se conhece definitivamente o mecanismo pelo qual o cérebro adquire, armazena e evoca as informações. Porém, o postulado de Hebb referente às redes reverberantes, onde a idéia de que redes de reverberação facilitariam a associação de dados coincidentes entre informações sensoriais, temporalmente divergentes, tem sido aceito para explicar a formação de memória imediata (Johnson et al., 2009). Assim, com base no postulado de Hebb, os resultados observados no modelo neuromatemático-computacional adotado possuem características de um circuito de memória imediata.

INTRODUÇÃO: A técnica de eletromiografia de fibra única (EMGFU), mediante análise do jitter, é o método neurofisiológico mais sensível para a confirmação do distúrbio da junção neuromuscular na miastenia gravis (MG). Os registros são tradicionalmente obtidos com agulha de fibra única, de alto custo e reutilizável. Por causa da necessidade atual do uso de material descartável, a agulha concêntrica vem sendo utilizada em substituição à agulha de fibra única. A técnica utilizada é semelhante, porém os potencias de ação para a análise do jitter são obtidos com eletrodo de agulha concêntrica (Eletromiografia de fibra única - jitter com agulha concêntrica, EMGFU-JAC). Contudo, os estudos são escassos e as metodologias utilizadas são heterogêneas com a utilização dessa agulha. OBJETIVOS: Este estudo tem por objetivo mensurar os valores de jitter obtidos com agulha concêntrica, no músculo Orbicularis Oculi, em sujeitos saudáveis e em pacientes com MG autoimune adquirida e avaliar a validade do método nas formas generalizada e ocular da doença. MÉTODOS: Foram estudados 20 sujeitos saudáveis, 20 pacientes com miastenia gravis forma generalizada (grupo MGG) e 13 com a forma ocular da doença (grupo MGO). A EMGFU-JAC foi realizada em todos os participantes, idealmente com 20 medidas de jitter em cada estudo. O jitter foi expresso como a média das diferenças consecutivas (MCD). Em todos os pacientes do estudo foram realizados o teste de estimulação repetitiva e dosagem sérica de anticorpo antirreceptor de acetilcolina (ac-AChR) no momento da análise do jitter. Nos pacientes soronegativos para ac-AChR, foi pesquisado o anticorpo antimúsculo específico tirosina-quinase (ac-MuSK). Foram definidos o limite superior da normalidade (LSN) para a média do MCD de cada estudo e para valores individuais de MCD. Os critérios de anormalidade foram: (1) média do MCD acima do LSN; ou (2) mais de 10% dos valores individuais de MCD acima do LSN. A definição do LSN para valores individuais de MCD baseou-se no conceito de que dois entre 20 valores de MCD acima do LSN são aceitáveis em um músculo saudável, para a técnica de contração voluntária. Portanto, estimou-se o LSN para o 18o valor mais alto de MCD (18o par). Para análise da acurácia do método, foram construídas duas curvas ROC (Receiver Operating Characteristic) para as variáveis média do MCD e 18o par, no grupo de pacientes (MGG e MGO) versus controle. RESULTADOS: No grupo controle a média das médias do MCD foi (19,0 ± 2,4)us e a média do 18o valor mais alto de cada estudo foi (24,5 ± 3,6)us. Esses valores obtidos apresentaram distribuição Gaussiana e o LSN foi definido como a média desses valores + 2 DP. O LSN para a média do MCD foi 24us, e 32?s para valores individuais de MCD. No grupo MGG, a análise do jitter foi anormal em todos os 20 pacientes por ambos os critérios de anormalidade, exceto em um paciente que apresentou anormalidade por apenas um dos critérios. No grupo MGO, apenas um dos 13 pacientes não preencheu os critérios de anormalidade. No grupo de pacientes, a positividade da EMGFU-JAC foi maior do que o teste de estimulação repetitiva e dosagens de anticorpos. Nas curvas ROC para as variáveis médias do MCD e 18o par, o valor de melhor sensibilidade (93,9%), sem resultados falsos positivos, foi 24,7us e 33,1us, respectivamente. CONCLUSÕES: A EMGFU-JAC apresenta alta sensibilidade e especificidade na identificação de distúrbio da transmissão neuromuscular em pacientes com MG. A utilização da agulha concêntrica é válida para a análise do jitter, como alternativa à agulha de fibra única / INTRODUCTION: Single fiber electromyography (SFEMG) technique, through jitter analysis, is the most sensitive neurophysiological method for confirmation of neuromuscular junction disorder in myasthenia gravis (MG). Records are traditionally obtained with single fiber needle, which is reusable and has a high-cost. Due to the current need of using disposable material, concentric needle has been used to replace single fiber needle. The technique is similar, but the action potential for jitter analysis is obtained with concentric needle electrode (SFEMG - concentric needle jitter, SFEMG-CNJ). However, studies are scarce and methodologies used are heterogeneous with the use of this needle. OBJECTIVES: This study aims to measure jitter values obtained with concentric needle in the Orbicularis Occuli muscle in healthy subjects and in patients with autoimmune acquired MG and to assess the validity of the method in generalized and ocular forms of the disease. METHODS: 20 healthy subjects, 20 patients with generalized myasthenia gravis (GMG group) and 13 with the ocular form of the disease (OMG group) were studied. SFEMG-CNJ was performed on all participants, ideally with 20 jitter values in each study. Jitter was expressed as the mean consecutive difference (MCD). Repetitive nerve stimulation and serum acetylcholine receptor antibody (AChR-ab) were performed in all patients in the study, by the time of jitter analysis. Tyrosine kinase specific antibody muscle antibodies (MuSK-ab) were performed in AChR-ab negative patients. The upper limit of normality (ULN) for the mean MCD and for individual jitter values were defined. The abnormality criteria were: (1) mean MCD above ULN; or (2) more than 10% of individual jitter values above ULN. The definition of ULN for individual jitter values was based on the concept that two out of 20 jitter values above ULN are acceptable in a healthy muscle for voluntary contraction technique. Therefore, the ULN for the 18th highest jitter value (18 pair) was estimated. To analyze the method\'s accuracy, two ROC curves (Receiver Operating Characteristic) for the mean MCD and 18th pair in the group of patients (MGG and MGO) versus control were constructed. RESULTS: In the control group the mean of MCD means was (19.0 ± 2.4)us and the mean of the 18 highest value of each study was (24.5 ± 3.6)us. These values showed Gaussian distribution and the ULN was set as the mean of these values + 2 SD. The ULN for the mean MCD was 24us, and 32us for individual values of MCD. In GMG group, jitter analyses were abnormal in all 20 patients based on both abnormality criteria, except in one patient, who had abnormalities in only one of the criteria. In OMG group, only one patient from 13 met neither of the abnormality criteria. In patients, the positivity of SFEMG-CNJ was higher than repetitive nerve stimulation test and antibody detection. The ROC curve threshold showing the best sensitivity (93.9%) with no false positive results was 24.7Us for the mean MCD and 33.1us for individual pairs, respectively. CONCLUSIONS: SFEMG-CNJ has high sensitivity and specificity in identifying neuromuscular transmission disorder in patients with MG. The use of concentric needle is valid for jitter analysis as an alternative to single fiber needle