Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciencias Biológicas. Programa de Pós-Graduação em Neurociências. / Made available in DSpace on 2012-10-24T03:10:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 249280.pdf: 4207210 bytes, checksum: aedd92f8df093be8262293fce757903e (MD5) / O Sistema Visual representa um excelente modelo para o estudo dos processos plásticos e de desenvolvimento do Sistema Nervoso Central (SNC). Muitos fatores têm sido implicados na maturação do sistema visual, mas as vias de sinalização intracelular envolvidas ainda não são bem conhecidas. De particular interesse são as proteínas cinases ativadas por mitógenos (MAPKs), uma família de serina/treonina cinases que possuem um importante papel na transdução de sinal da superfície celular para o núcleo. Estas enzimas são importantes mediadores intracelulares de eventos que ocorrem durante o desenvolvimento e recentemente têm sido implicadas no controle da plasticidade sináptica. Nos mamíferos, os membros desta família são cinases reguladas por sinal extracelular ½ (ERK1/2), cinase c-Jun amino-terminal (JNK) e p38MAPK. No sistema visual, foi demonstrado que a via de ERK regula processos de plasticidade durante o desenvolvimento em níveis retino-talâmicos e retinocorticais e que p38MAPK controla uma forma peculiar de depressão de longo prazo no córtex visual. Neste trabalho, para entender melhor o papel de duas MAPKs # ERK1/2 e p38MAPK # na maturação do sistema visual, foi caracterizado por western blot a regulação da fosforilação/ativação dessas enzimas na retina, colículo superior e córtex visual de rato durante o desenvolvimento pós-natal, do nascimento (P0) à idade adulta (P45). Os resultados demonstram que (i) na retina, a ativação de p38MAPK tem um pico em P4, e entre P15 e P45, tanto a fosforilação de ERK1/2 quanto de p38MAPK aumentam; (ii) no colículo superior, a fosforilação das duas MAPKs aumenta entre P4 e P15; (iii) no córtex visual, a fosforilação de ERK1/2 aumenta de P15 a P45 enquanto a fosforilação de p38MAPK aumenta a partir de P4. Os dados apresentados demonstram uma regulação distinta da ativação de ERK1/2 e p38MAPK nas três áreas visuais analisadas, que ocorrem em correlação temporal com eventos críticos da maturação do sistema visual. Estes resultados sugerem um importante papel de ERK1/2 e p38MAPK no desenvolvimento pós-natal do sistema visual de ratos. Porém, mudanças duradouras na circuitaria neuronal requerem expressão gênica e síntese protéica. Portanto, o padrão de ativação de cinases precisa ser traduzido num padrão de expressão gênica, provavelmente através da ativação de fatores de transcrição. Uma via nuclear que pode ser crítica no controle da plasticidade neural do cérebro de mamíferos é a via de CREB. O envolvimento deste fator de transcrição na plasticidade cortical e no refinamento das projeções retino-talâmicas já foi demonstrado, mas não se sabe se CREB teria um papel na plasticidade retino-colicular. Neste trabalho, nós analisamos a expressão da forma ativada e total de CREB no colículo superior de rato durante o desenvolvimento. Os resultados mostram que tanto a forma total quanto a fosforilada de CREB aumentam entre P4 e P9, em coincidência com o aumento da ativação das MAPKs e com o período crítico da plasticidade colicular. Estes resultados demonstram que CREB também tem sua expressão altamente regulada durante um período de refinamento das conexões coliculares, podendo ter um papel também na maturação do colículo superior. The visual system represents an excellent model for studying developmental and plastic processes in the Central Nervous System (CNS). Many factors have been shown to participate in visual system maturation, but the intracellular signaling pathways involved are still relatively unknown. Of particular interest are Mitogen-activated protein kinases (MAPKs), a family of kinases implicated in various cellular functions. MAPKs are serine/threonine kinases that play an instrumental role in signal transduction from the cell surface to the nucleus. These enzymes are major intracellular mediators of developmental events and recently have been shown to control also synaptic plasticity processes. Mammalian members of this family are extracellular signal-regulated kinases 1/2 (ERK 1/2), c-Jun amino-terminal kinases or stress-activated protein kinases (JNK/SAPKs) and p38MAPK. At the level of the visual system, it has been demonstrated that the ERK pathway regulates developmental plastic processes at both retino-thalamic and thalamo-cortical level and that p38MAPK controls a peculiar form of long-term depression in the visual cortex. Here, as a first approach to gain more insight on the role of two MAPKs - ERK1/2 and p38MAPK - in visual system maturation, we characterized by western blot the regulation of their phosphorylation/activation in rat retina, superior colliculus and visual cortex, during postnatal development from birth (P0) to adult age (P45). Our main results show that: (i) in the retina p38MAPK activation peaks at P4, and then, from P15 to P45, both ERK1/2 and p38MAPK phosphorylation increases; (ii) in the superior colliculus phosphorylation of both MAPKs increases between P4 and P15; (iii) in the visual cortex ERK1/2 phosphorylation increases from P15 to P45, while phosphorylation of p38MAPK increases starting from P4. The present data demonstrate a distinct regulation of the activation of ERK1/2 and p38MAPK in the three visual areas analyzed which occurs in temporal correlation with critical events for visual system maturation. These results suggest an important role for ERK1/2 and p38MAPK in the postnatal development of the rat visual system. Longlasting changes in neuronal circuitry require gene expression and protein synthesis. Thus, the pattern of kinase activation has to be translated into a pattern of gene expression, probably through the activation of transcription factors. A candidate nuclear pathway that might be critical in the developmental control of neural plasticity in the mammalian brain is the CREB transcriptional pathway. The involvement of this transcription factor in cortical plasticity and in the refinement of retino-geniculate projections has already been demonstrated, but the role of CREB in the retino-collicular plasticity remains unclear. Here, we analyze the expression of the activated and the total form of CREB in the rat superior colliculus during development. The results show that both phosphorylated and total form of CREB increase between P4 and P9, in coincidence with the increase of the MAPKs activation and the critical period for collicular plasticity. These results show that CREB is highly regulated during a period of refinement of collicular connections and could also be involved in the maturation of the superior colliculus.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas, Programa de Pós-Graduação em Física, Florianópolis, 2016 / Made available in DSpace on 2016-09-20T04:35:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 339962.pdf: 30703622 bytes, checksum: 06874d3eb399866dbfe1604a70e68ee3 (MD5) Previous issue date: 2016 / O ponto crítico termodinâmico é caracterizado por grandezas livres de escala e correlações de longo-alcance. Na última década, a hipótese deque o cérebro - um sistema fora do equilíbrio - é um sistema que se auto-organiza num estado análogo ao estado crítico termodinâmico tem sido amplamente discutida através de modelos e resultados experimentais. No entanto, os modelos utilizados para a verificação de resultados experimentais carecem de várias características de sistemas biológicos, como a estrutura da rede e a estrutura dos neurônios. Além disso, o ponto crítico nos modelos do cérebro é muitas vezes caracterizado de maneira displicente, levando em conta apenas a forma de lei de potência na distribuição de avalanches (eventos ou ondas) que se propagam no cérebro. Na primeira parte deste trabalho, estudaremos um modelo inspirado no córtex visual primário de mamíferos e caracterizaremos uma transição de fases inativa-ativa de segunda ordem que apresenta uma fase de Griffiths. Neste modelo, as avalanches emergem espontaneamente devido à competição entre excitação-dissipação nos dendritos e ao corpo extenso dos neurônios. Mostraremos que apesar da correlação de longo-alcance, do ruído aproximadamente 1=f, do parâmetro de ordem contínuo e da susceptibilidade divergente, as avalanches não têm uma forma de lei de potência usualmente esperada para sistemas típicos criticamente auto-organizados. Na segunda parte, propomos um novo modelo de neurônio baseado em mapa. Caracterizaremos diversas das suas bifurcações e mostraremos que ele, até o momento, é o melhor compromisso entre tratabilidade analítica, eficiência computacional e riqueza de comportamentos dinâmicos com um espaço de parâmetros reduzido. Utilizaremos esse modelo como base de uma rede de neurônios para discutir como alguns parâmetros dinâmicos (como o tempo característico dos potenciais sinápticos, a estrutura da rede e o ruído sináptico) alteram a ordem da transição de fases e também seus expoentes críticos. Assim como no modelo do córtex visual, alguns regimes de parâmetros dessa rede de neurônios baseados em mapa apresentam transição de fase contínua (com susceptibilidade divergente), mas não reproduzem as avalanches distribuídas em lei de potência. Nossos resultados apontam para uma reformulação da abordagem do estado crítico do cérebro, já que o estado crítico em sistemas fora do equilíbrio nem sempre está conectado a avalanches distribuídas como leis de potência.<br> / Abstract: The thermodynamical critical point is characterized by scale-free quantities and long-range correlations. In the last decade, the hypothesis that the brain - an out of equilibrium system - is a self-organizing system that reaches a thermodynamical-critical-like state has been widely discussed through modeling and experimental results. However, the models used for replicating experimental data lack many biological features, such as the network and the neurons structure. In addition, the critical point in brain models is often ill-defined, taking into consideration only the power-law shape of the distribution of avalanches (events or waves) that spread throughout the brain. In the first part of this work, we are going to study a model for the primary visual cortex of mammals in order to characterize an inactive-active second order phase transition which also displays a Griffiths phase. In such model, the avalanches spontaneously emerge due to excitation-dissipation competition happening inside the dendrites and to the extended body of neurons. We are going to show that in spite of the long-range correlations, approximately 1=f noise, continuous order parameter and diverging susceptibility, the avalanches are not in the usual power-law shape expected for tipical self-organized critical systems. In the second part, we propose a new map-based neuron model. We are going to characterize many of its bifurcations and show that it is the best trade-off between analytical tractability, computational efficiency and dynamical behavior diversity with a reduced parameter space. We connect these neurons into networks in order to discuss how dynamical parameters (such as the synaptic characteristic times, the network structure and the synaptic noise) alter the phase transition order and also its critical exponents. Similarly to the visual cortex model, some parameter regimes of this map-based network present a continuous phase transition (with diverging susceptibility), but fail to reproduce power-law avalanches. Our results point to a revision of the approach to the critical state in the brain, because out of equilibrium systems critical point is not generally connected to power-law distributed avalanches.

O estudo da acuidade Vernier (VRN) revela a capacidade do sistema visual humano em detectar deslocamentos espaciais de poucos arcos de segundos, menores que a distância entre dois cones foveais adjacentes. Tal fato desperta interesse teórico sobre o tema, além de futuras aplicações na área clínica. A acuidade VRN pode ser medida tanto psicofisicamente quanto eletrofisiologicamente. Para a detecção de quebras de colinearidade (acuidade VRN), alguns autores hipotetizam que as células ganglionares (CGs) M da retina provêem sinal adequado da retina ao córtex, e dão suporte ao desempenho psicofísico da tarefa VRN. Em condições de estímulos semelhantes, as células ganglionares magnocelulares (M) em primatas parecem ter precisão espacial com razão sinal-ruído mais alta do que as células parvocelulares (P) . A dependência ao contraste (C) das células M na precisão espacial, frequência espacial, frequência temporal e velocidade do estímulo é mais similar ao desempenho psicofísico em humanos do que comparados aos dados das células P (Rüttiger et al., 2002; Sun et al., 2004). Nós utilizamos o Potencial Provocado Cortical Visual de Varredura (sVEP) para avaliar esta hipótese no nível de processamento intermediário entre as respostas de célula única na retina e a detecção psicofísica. Nós medimos os limiares corticais VRN em função do contraste (14 participantes, média de 28,21 ± 2,8) e lacunas (9 participantes, média de 29,7 ± 5,9). As quebras verticais VRN na colinearidade foram introduzidas em uma grade de onda quadrada horizontal. O estímulo VRN alternou entre um estado alinhado (grades sem quebras) e desalinhado (grades com quebras) a 6 Hz. Durante cada uma das 10 tentativas, o deslocamento aumentou em passos logarítmicos iguais de 0,5 a 7,5. O limiar VRN foi definido no momento do deslocamento em que a extrapolação linear da média vetorial das respostas em 1F atinge zero uV. Os contrastes testados foram: 4, 8, 16, 32, 64, 80%. Os resultados mostram que (1) aos limiares VRN em Log, medidos com sVEP, com o C em Log, diminuíram de forma linear (com uma inclinação de -0,5), similiares às células ganglionares M mas não P (Sun et al., 2004) e próximo às medidas psicofísicas (Sun et al., 2004; Wehrhahn e Westheimer, 1990); (2) Para C 16% obtivemos limiares de hiperacuidade (menor que 1 arcmin). Em altos contrastes a média do limiar foi de 0,37(erro padrão de 0,06 unidades logarítmicas); (3) Os limiares para o 2F tiveram uma dependência para o contraste diferente, com poucos efeitos para contraste abaixo de 16%. (4) As inclinações das linhas de extrapolação dos sVEP para o 1F1 foram 2 a 3 vezes maiores que as inclinações para 2F; (5) No protocolo controle, deslocamentos bidirecionais e simétricos geraram somente respostas no 2F. Os resultados 3 a 5 implicam que os componentes 1F e 2F derivam de neurônios distintos e fundamentam que respostas no 2F refletem respostas de movimento cortical simétrico. A dependência dos limiares de contraste do sVEP VRN (1F) é similiar aos estudos prévios psicofísicos (Sun et al., 2004; Wehrhahn e Westheimer, 1990), e repete a dependência ao contraste das células M (Sun et al., 2004). Estes resultados fundamentam a hipótese que o córtex extrai informações da posição relativa com precisão de hiperacuidade dos sinais advindos das células M / The human visual system is able to detect spatial displacements of a few arcsec, much smaller than the distance between two adjacent foveal cones. Hyperacuity tasks such as Vernier (VRN) have both theoretical importance as well as clinical application. VRN can be measured psychophysically and with sVEP. Some authors hypothesize that M ganglion cells provide the retinal signal to cortex adequate to support Vernier performance. Under stimulus conditions analogous to detection of Vernier offsets, primate magnocellular (M) ganglion cells appear to have more precise spatial localization (with higher Signal to Noise Ratio) than parvocellular (P) cells, and the dependence of M cell spatial precision on contrast (C), spatial frequency, temporal frequency and stimulus velocity is more similar to human psychophysical performance than comparable data from P cells (Ruttiger et al, 2002; Sun et al., 2003, 2004) (Rüttiger et al., 2002; Sun et al., 2004). We measured the C-dependence of cortical VRN thresholds (thd) using the Sweep VEP (sVEP) to help evaluate this hypothesis at a processing level intermediate between single-cell retinal responses and psychophysical detection. We measured Vernier thds using sVEP as function of constrast (12 young adults, age means 28.21 yrs ± 2.8) and Gaps (9 participants, 29.7 ± 5.9) with normal vision. Vertical VRN breaks in colinearity were introduced to a horizontal squarewave grating. The VRN stimulus alternated between aligned (grating w/o breaks) and misaligned (w/breaks) states at 6 (or 10) Hz. During each of ten, 10-s trials, displacement (D) was increased in equal logarithmic steps from 0.5 to 7.5. Vernier thd was defined as the D at which the rising slope of the vector averaged 1F response extrapolated to zero V. The Cs tested were: 4, 8, 16, 32, 64, 80%. We Found: (1) Log Vernier thd measuered with sVEP decreased linearly with log C similar to M- (but not P-) ganglion cells (Sun et al., 2004) with a slope of -0.5, close to that measured psychophysically (Rüttiger et al., 2002; Sun et al., 2004); (2) For C 16% , thds were true hyperacuities (less than 1). At high C, mean thd was 0.37(S.E = 0.06 log units); (3) Thds for 2F had a different C dependence, with little effect of C below 16 %. Thds for 2F were < 1F thds below 16 % C, but were 1F thds beyond 16 %; (4) The slopes of the sVEP extrapolation lines for 1F were 2-3 times > 2F slopes; (5) In a control protocol, symmetric, bidirectional displacements only generated 2F responses. Results 3-5 imply that the 1F and 2F components derive from distinct neurons, and support the notion that 2F responses reflect symmetric cortical motion responses. The C-dependence of sVEP Vernier (1F) thresholds is similar to prior psychophysics (Sun et al., 2004; Wehrhahn e Westheimer, 1990), and recapitulates Mcell C-dependence (Sun et al., 2004). This results support the hypothesis that cortex extracts relative position information with hyperacuity precision preferentially from M cell signals

O estudo da acuidade Vernier (VRN) revela a capacidade do sistema visual humano em detectar deslocamentos espaciais de poucos arcos de segundos, menores que a distância entre dois cones foveais adjacentes. Tal fato desperta interesse teórico sobre o tema, além de futuras aplicações na área clínica. A acuidade VRN pode ser medida tanto psicofisicamente quanto eletrofisiologicamente. Para a detecção de quebras de colinearidade (acuidade VRN), alguns autores hipotetizam que as células ganglionares (CGs) M da retina provêem sinal adequado da retina ao córtex, e dão suporte ao desempenho psicofísico da tarefa VRN. Em condições de estímulos semelhantes, as células ganglionares magnocelulares (M) em primatas parecem ter precisão espacial com razão sinal-ruído mais alta do que as células parvocelulares (P) . A dependência ao contraste (C) das células M na precisão espacial, frequência espacial, frequência temporal e velocidade do estímulo é mais similar ao desempenho psicofísico em humanos do que comparados aos dados das células P (Rüttiger et al., 2002; Sun et al., 2004). Nós utilizamos o Potencial Provocado Cortical Visual de Varredura (sVEP) para avaliar esta hipótese no nível de processamento intermediário entre as respostas de célula única na retina e a detecção psicofísica. Nós medimos os limiares corticais VRN em função do contraste (14 participantes, média de 28,21 ± 2,8) e lacunas (9 participantes, média de 29,7 ± 5,9). As quebras verticais VRN na colinearidade foram introduzidas em uma grade de onda quadrada horizontal. O estímulo VRN alternou entre um estado alinhado (grades sem quebras) e desalinhado (grades com quebras) a 6 Hz. Durante cada uma das 10 tentativas, o deslocamento aumentou em passos logarítmicos iguais de 0,5 a 7,5. O limiar VRN foi definido no momento do deslocamento em que a extrapolação linear da média vetorial das respostas em 1F atinge zero uV. Os contrastes testados foram: 4, 8, 16, 32, 64, 80%. Os resultados mostram que (1) aos limiares VRN em Log, medidos com sVEP, com o C em Log, diminuíram de forma linear (com uma inclinação de -0,5), similiares às células ganglionares M mas não P (Sun et al., 2004) e próximo às medidas psicofísicas (Sun et al., 2004; Wehrhahn e Westheimer, 1990); (2) Para C 16% obtivemos limiares de hiperacuidade (menor que 1 arcmin). Em altos contrastes a média do limiar foi de 0,37(erro padrão de 0,06 unidades logarítmicas); (3) Os limiares para o 2F tiveram uma dependência para o contraste diferente, com poucos efeitos para contraste abaixo de 16%. (4) As inclinações das linhas de extrapolação dos sVEP para o 1F1 foram 2 a 3 vezes maiores que as inclinações para 2F; (5) No protocolo controle, deslocamentos bidirecionais e simétricos geraram somente respostas no 2F. Os resultados 3 a 5 implicam que os componentes 1F e 2F derivam de neurônios distintos e fundamentam que respostas no 2F refletem respostas de movimento cortical simétrico. A dependência dos limiares de contraste do sVEP VRN (1F) é similiar aos estudos prévios psicofísicos (Sun et al., 2004; Wehrhahn e Westheimer, 1990), e repete a dependência ao contraste das células M (Sun et al., 2004). Estes resultados fundamentam a hipótese que o córtex extrai informações da posição relativa com precisão de hiperacuidade dos sinais advindos das células M / The human visual system is able to detect spatial displacements of a few arcsec, much smaller than the distance between two adjacent foveal cones. Hyperacuity tasks such as Vernier (VRN) have both theoretical importance as well as clinical application. VRN can be measured psychophysically and with sVEP. Some authors hypothesize that M ganglion cells provide the retinal signal to cortex adequate to support Vernier performance. Under stimulus conditions analogous to detection of Vernier offsets, primate magnocellular (M) ganglion cells appear to have more precise spatial localization (with higher Signal to Noise Ratio) than parvocellular (P) cells, and the dependence of M cell spatial precision on contrast (C), spatial frequency, temporal frequency and stimulus velocity is more similar to human psychophysical performance than comparable data from P cells (Ruttiger et al, 2002; Sun et al., 2003, 2004) (Rüttiger et al., 2002; Sun et al., 2004). We measured the C-dependence of cortical VRN thresholds (thd) using the Sweep VEP (sVEP) to help evaluate this hypothesis at a processing level intermediate between single-cell retinal responses and psychophysical detection. We measured Vernier thds using sVEP as function of constrast (12 young adults, age means 28.21 yrs ± 2.8) and Gaps (9 participants, 29.7 ± 5.9) with normal vision. Vertical VRN breaks in colinearity were introduced to a horizontal squarewave grating. The VRN stimulus alternated between aligned (grating w/o breaks) and misaligned (w/breaks) states at 6 (or 10) Hz. During each of ten, 10-s trials, displacement (D) was increased in equal logarithmic steps from 0.5 to 7.5. Vernier thd was defined as the D at which the rising slope of the vector averaged 1F response extrapolated to zero V. The Cs tested were: 4, 8, 16, 32, 64, 80%. We Found: (1) Log Vernier thd measuered with sVEP decreased linearly with log C similar to M- (but not P-) ganglion cells (Sun et al., 2004) with a slope of -0.5, close to that measured psychophysically (Rüttiger et al., 2002; Sun et al., 2004); (2) For C 16% , thds were true hyperacuities (less than 1). At high C, mean thd was 0.37(S.E = 0.06 log units); (3) Thds for 2F had a different C dependence, with little effect of C below 16 %. Thds for 2F were < 1F thds below 16 % C, but were 1F thds beyond 16 %; (4) The slopes of the sVEP extrapolation lines for 1F were 2-3 times > 2F slopes; (5) In a control protocol, symmetric, bidirectional displacements only generated 2F responses. Results 3-5 imply that the 1F and 2F components derive from distinct neurons, and support the notion that 2F responses reflect symmetric cortical motion responses. The C-dependence of sVEP Vernier (1F) thresholds is similar to prior psychophysics (Sun et al., 2004; Wehrhahn e Westheimer, 1990), and recapitulates Mcell C-dependence (Sun et al., 2004). This results support the hypothesis that cortex extracts relative position information with hyperacuity precision preferentially from M cell signals

O potencial visual evocado (PVE) é um sinal elétrico de baixa intensidade originado no córtex visual em resposta a uma estimulação visual periódica. O potencial visual evocado de varredura é um procedimento de PVE modificado para medir acuidade visual de grades em pacientes pré-verbais e não-verbais. Este biopotencial está imerso em uma grande quantidade de ruído eletroencefalográfico e artefato relacionado ao movimento. A relação sinal-ruído tem um papel dominante na determinação de erros sistemáticos e estatísticos. O propósito deste estudo é apresentar um método baseado na transformada wavelet para filtrar e extrair o potencial evocado visual de varredura. Grades de luminância de onda senoidal moduladas em 6 Hertz foram usadas como estímulo para se determinar os limiares de acuidade. A amplitude e a fase da 2ª. harmônica (12 Hertz) do padrão de resposta foram analisadas usando-se a transformada rápida de Fourier após a filtragem por wavelet. O método da transformada wavelet discreta foi usado para decompor o PVE em coeficientes wavelet, determinando-se quais destes representavam uma atividade significativa. Em um passo seguinte somente os coeficientes relevantes foram considerados, zerando-se os demais e reconstruindo-se, assim, o sinal PVE. Isto resultou na filtragem das demais freqüências que foram consideradas ruído. Simulações numéricas e análises com dados de PVE humanos mostraram que este método forneceu maior relação sinal-ruído quando comparado com o método clássico dos mínimos quadrados recursivo (RLS) e ainda uma análise de fase mais apropriada / Visually evoked potential (VEP) is a very small electrical signal originated in the visual cortex in response to periodic visual stimulation. Sweep-VEP is a modified VEP procedure used to measure grating visual acuity in non-verbal and preverbal patients. This biopotential is buried in a large amount of electroencephalographic noise and movement related artifact. The signal-to-noise ratio (SNR) plays a dominant role in determining both systematic and statistic errors. The purpose of this study is to present a method based on wavelet transform technique for filtering and extracting steady-state sweep-VEP. Counter-phase sine-wave luminance gratings modulated at 6 Hertz were used as stimuli to determine sweep-VEP grating acuity thresholds. The amplitude and phase of the second-harmonic (12 Hertz) pattern reversal response were analyzed using the fast Fourier transform after the wavelet filtering. The wavelet transform method was used to decompose the VEP signal into wavelet coefficients by a discrete wavelet analysis to determine which coefficients yield significant activity at the corresponding frequency. In a subsequent step only significant coefficients were considered and the remaining was set to zero allowing a reconstruction of the VEP signal. This procedure resulted in filtering out other frequencies that were considered noise. Numerical simulations and analyses of human VEP data showed that this method has provided higher SNR when compared with the classical recursive least squares (RLS) method. An additional advantage was a more appropriate phase analysis showing more realistic second-harmonic amplitude value during phase brake

O córtex visual desempenha papel essencial no processamento de informação visual. A primeira região do córtex a receber estímulos visuais é o córtex visual primário (V1) e pode ser subdividida anatomicamente em seis camadas, onde cada camada contém diferentes tipos e números de neurônios. Entender a forma como a informação é processada entre as diferentes camadas envolve o estudo da dinâmica dos padrões coletivos de atividade neural quando a rede é exposta a diferentes situações e como esses padrões relacionam-se com a organização estrutural e funcional da rede cortical. Essa dinâmica é afetada por mecanismos de plasticidade sináptica, de maneira que modelos computacionais que busquem capturá-la devem incluir tais mecanismos. Neste trabalho foi construído um modelo computacional de uma rede neural com 4000 neurônios baseada em informações sobre a estrutura local das conexões em V1 disponíveis na literatura neurobiológica. O modelo contém características estruturais consideradas fundamentais tais como: proporção entre neurônios inibitórios e excitatórios e probabilidades de conexões entre neurônios de diferentes populações em diferentes camadas. Os neurônios foram descritos pelo modelo de Izhikevich, reproduzindo três classes eletrofisiológicas mais abundantes no córtex: neurônios de disparo regular, para os excitatórios; neurônios de disparo rápido e baixo limiar de disparo, para os inibitórios. A regra de plasticidade sináptica utilizada foi do tipo plasticidade dependente dos tempos dos disparos neuronais (STDP em inglês), que pode fortalecer ou enfraquecer a força da conexão entre dois neurônios dependendo dos instantes dos seus disparos. Foram utilizadas versões diferentes dessa regra de plasticidade para sinapses excitatórias (STDPe) e inibitórias (STDPi). Foram simuladas situações com e sem plasticidade e alterando o tipo de neurônio inibitório presente na rede. Para cada uma, três protocolos de estimulação da rede foram utilizados: 1 estimulação por trens de disparos poissonianos aplicada a neurônios da camada 4 (simulando entradas talâmicas) e aplicada aleatoriamente aos neurônios da rede como ruído de fundo; 2 - pulsos aplicados a neurônios da camada 4 simulando estimulação visual com barras luminosas com diferentes orientações angulares; 3 - similar ao segundo protocolo, porém, estimulando a rede com dois pulsos alternantes de diferentes ângulos. Os parâmetros do modelo foram ajustados para que a atividade neural tivesse baixas frequências de disparos coerentes com dados experimentais. Esse ajuste foi mais fácil nos casos em que os neurônios inibitórios eram do tipo FS e havia STDPi. Os resultados mostraram que, de modo geral, os neurônios do tipo LTS contribuem para a formação de atividade síncrona na rede e este efeito foi amplificado com a STDPe. Para todos os protocolos, a STDPe aumentou a frequência média de disparos da rede e, para o segundo experimento, apesar da seletividade à orientação dos neurônios não ter sido alterada significativamente, houve mudanças visíveis na formação de assembleias funcionais. A competição da atividade dos neurônios no experimento 3 na presença da STDPe foi intensificada fortalecendo respostas funcionais de neurônios que não respondiam a ambos os estímulos. O balanço entre os dois tipos de regra de STDP manteve o equilíbrio entre as forças das conexões excitatórias e inibitórias. / The visual cortex plays essential role in the processing of visual information. The first region of the cortex that receives visual stimuli is the primary visual cortex (V1) or striate cortex, which can be anatomically divided into six layers, where each layer has different types and numbers of neurons. Understanding the way in which information is processed by the different layers involves the study of the dynamics of collective patterns of neural activity when the network is exposed to different situations, and how these patterns are related with the structural and functional organization of cortical network. This dynamics is affected by mechanisms of synaptic plasticity, so computational models which seek to capture it should include them. In this project a computational model of a neural network was built with 4000 neurons based on information on local connectivity in V1 from the neurobiological literature. The model has realistic structural characteristics such as the proportion between inhibitory and excitatory neurons and the connection probabilities among neurons from different populations of different layers. Neurons were described by the Izhikevich model, reproducing the three most abundant electrophysiological classes in cortex: RS, for the excitatory ones; FS and LTS, for the inhibitory neurons. The synaptic plasticity rule used was spike-timing dependent plasticity (STDP), whereby the synaptic strength between two neurons can increase or decrease depending on the timing of their spikes. Were used different versions of this plasticity rule to synapses made by excitatory neurons (STDPe) and by inhibitory neurons (STDPi). Different scenarios were simulated with and without plasticity and changing the type of inhibitory neuron present in the network. For each configuration, three network stimulation protocols were used: 1 - stimulation applied to layer 4 neurons (simulating thalamic inputs) modeled by Poissonian spike trains and background noise applied to all network neurons modeled in a similar manner; 2 - pulses applied to layer 4 neurons simulating visual stimulation with light bars at different angular directions; 3 - similar to the second protocol, however, stimulating the network with two alternating pulses of different angles. The parameters of the model were adjusted so that neural activity had low spike frequencies consistent with experimental data. This adjustment was easier in cases where inhibitory neurons were of FS type and had STDPi. The results showed that, in general, LTS neurons contribute to the formation of synchronous activity in the network and this effect was amplified with the insertion of STDPe. For all protocols, the STDPe increased the average firing frequency of the network. For Experiment 2, although the orientation selectivity of the neurons did not change significantly, there have been noticeable changes in the formation of functional assemblies. The competition of the activity of neurons in Experiment 3 in the presence of STDPe strengthened functional responses of neurons that do not respond to both stimuli. The balance between the two types of STDP rule maintained the equilibrium between excitatory and inhibitory connections.

Esta pesquisa pretendia estabelecer um mapa espaço temporal das respostas de vernier no córtex visual humano. O uso do potencial visual provocado de varredura (PVPv) proporciona medidas eficientes e sensíveis dos limiares de vernier com os quais se pode começar a examinar as respostas corticais de vernier no âmbito dos parâmetros espaço temporais. As respostas de vernier foram avaliadas em relação à hipótese de que os sinais retinianos provenientes das células ganglionares da via magnocelular e não da via parvocelular compõem o input neural para córtex que é utilizado para gerar as respostas de vernier (tarefas de localização de alta precisão Lee et a., 1990; Lee et al., 1995). Métodos: As respostas de vernier no córtex humano foram medidas por meio do potencial visual provocado de varredura (PVPv). Quebras de vernier foram introduzidas em grades de ondas quadradas de produzindo colunas verticais intercaladas de barras estáticas e móveis. Medidas binoculares da acuidade vernier foram feitas em grades de alto contraste (64%) em função de 3 frequências temporais (3, 6 e 15 Hz) e 2 frequências espaciais (1 e 8 c/g). Medidas utilizando grades de baixo contraste foram feitas em função de 3 frequências temporais (3, 6 e 10Hz) e 3 frequências espaciais (1, 2 e 8c/g) em ambos os protocolos (alto e baixo contraste) as medidas foram feitas utilizando o PVPv. Foi utilizado o sistema POWER DIVA que utiliza a metodologia dos mínimos quadrados recursivos para extrair a amplitude e fase da resposta nos harmônicos selecionados da frequência do estímulo. Foram analisados o primeiro (1F1) e o segundo (2F1) harmônicos neste estudo. Com base em estudos anteriores, assume-se que o primeiro componente harmônico refere-se às respostas ao estímulo de vernier, e o segundo às respostas ao movimento relativo dos elementos do estímulo. Esta hipótese foi testada por meio da utilização de protocolos controle para ambos os arranjos de estímulos (alto e baixo contraste) em que foram utilizados os mesmos parâmetros, porém com deslocamentos entre as barras completamente simétricos (elementos da grade jamais se alinhavam). O sistema POWER DIVA calcula para cada segundo de janela de análise (bin) a amplitude local. A amplitude média do ruído nos 10 bins de análise é utilizada para calcular a razão sinal ruído para cada bin. Apenas sinais com razão sinal ruído maior que 3 foram considerados resposta. A média vetorial de 8 tentativas para cada condição de estímulo foi utilizada para determinar os limiares.Resultados: Os dados são consistentes com dados psicofísicos anteriores, especialmente os dados de Bradley & Skottun (1987) que demonstraram decréscimo significativo nos limiares de vernier com o aumento da frequência espacial. Os limiares eletrofisiológicos de vernier obtidos com o presente trabalho mostraram-se paralelos aos dados psicofísicos em função das frequências espaciais em ambos os protocolos. Os limiares no 1F1 também demonstraram redução significativa com o aumento da frequência temporal em altas frequências espaciais / The research was directed at establishing a spatiotemporal map of human cortical vernier responses. The use of swept-parameter, steady state visual evoked potential (sweep VEP, or sVEP) provides efficient and sensitive measurement of vernier thresholds with which to begin to examine cortical vernier responses over the spatio-temporal parameter space. The vernier responses were evaluated in relation to the hypothesis that the magnocellular (M) but not parvocellular (P) ganglion cell retinal output forms the neural input to cortex that is used to derive vernier (high precision localization task - Lee et al., 1990; Lee et al., 1995). Methods: Human cortical vernier responses were measured using the sweep visual evoked potential (sVEP). Vernier offsets are introduced into a square wave grating producing interleaved vertical columns of moving and static bars. Binocular measurements of the vernier acuity were made using high contrast (64%) gratings as a function of 3 temporal frequencies (TF = 3, 6 and 15 Hz) and 2 spatial frequencies (SF = 1 and 8 c/g). Measurements were also made at low contrast (8%) as a function of 3 temporal frequencies (3, 6 and 10Hz) and 3 spatial frequencies (1, 2 and 8c/g) using the sVEP. The POWER DIVA system uses the recursive least squares to extract the response amplitude and phase at selected harmonics of the stimulus frequency. We analyzed the evoked potentials at the first (1F1 fundamental) and second (2F1) harmonics. Based on prior research, we take the 1F1 component to be the specific response to the periodic vernier onset/offset, while the 2F1 component reflects local relative motion responses. We checked this assumption by also measuring sVEPs using a motion control protocol in which equivalent displacement amplitudes were presented in and identical stimulus array, but with the displacements being completely symmetrical alternations between two states of misalignment (grating elements were never aligned). To ensure that the amplitude data used for the regression and extrapolation to threshold is really a response to stimulus instead of noise, POWER DIVA calculates, for each 1-second analysis window (time bin), a local noise amplitude. The mean noise amplitude across 10 analysis bins is used to calculate the signal to noise ratio for each time bin. Only signals with a signal to noise ratio > 3 were considered as a response. The vector average of at least 8 trials was used to determine thresholds. Results: The data are consistent with some comparable prior psychophysical data, especially data from Bradley & Skottun (1987) who showed significant decrease in the vernier thresholds with the increase of spatial frequency. Our cortical (sVEP) vernier thresholds paralleled the psychophysical data as a function of SF in both protocols. The 1F1 (vernier) thresholds also exhibited a significant decrease with increase of temporal frequency at high SF

Submitted by Irvana Coutinho (irvana@ufpa.br) on 2013-01-25T14:29:10Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ AcuidadeVisualMatriz.pdf: 2171256 bytes, checksum: ce1733a75cf4138644c2b48ef3377b5b (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva(arosa@ufpa.br) on 2013-01-25T17:00:07Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ AcuidadeVisualMatriz.pdf: 2171256 bytes, checksum: ce1733a75cf4138644c2b48ef3377b5b (MD5) / Made available in DSpace on 2013-01-25T17:00:07Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ AcuidadeVisualMatriz.pdf: 2171256 bytes, checksum: ce1733a75cf4138644c2b48ef3377b5b (MD5) Previous issue date: 2012 / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / O objetivo do presente trabalho e analisar a influencia do enriquecimento ambiental sobre a acuidade visual e a distribuição das redes perineuronais (RPNs) no córtex visual primário de camundongos submetidos a privação monocular durante o período critico pos-natal. Camundongos suíços albinos fêmeas foram submetidos a sutura da pálpebra direita no 10o dia pos-natal (M, n=16), enquanto que os animais do grupo binocular não foram submetidos a nenhum procedimento cirúrgico (B, n=16). Ao completarem 21 dias, os animais foram subdivididos em: ambiente padrão e ambiente enriquecido, constituindo os grupos M.AP, M.AE, B.AP e B.AE. Após três meses, os animais foram submetidos ao teste de acuidade visual, perfundidos e secções coronais de seus cérebros processadas para histoquímica da lectina Wisteria floribunda e posterior quantificação através do método estereologico do fracionador óptico. Os animais do grupo B.AP apresentaram acuidade visual de 0.48 ciclos/grau, enquanto que aqueles alojados em ambiente enriquecido (B.AE) apresentaram um melhor desempenho do teste, atingindo 0.996 ciclos/grau. A acuidade visual foi significantemente menor nos animais submetidos a privação monocular (M.AP 0.18 ciclos/grau; M.AE 0.4 ciclos/grau). Os resultados estereologicos revelaram que o ambiente enriquecido aumenta o numero de RPNs tipo 1 e de RPNs total nas camadas supragranular e granular em ambos os hemisférios nos camundongos submetidos a privação monocular (ANOVA dois critérios, p<0.05), sendo que essa diferença na camada granular e decorrente principalmente do aumento das redes perineuronais da matriz extracelular no hemisfério direito. Na camada infragranular, os animais do grupo M.AE apresentaram um aumento apenas no numero de RPNs tipo 1. / The aim of the present study is to analyze the influence of enriched environment on the visual acuity and on the distribution of perineuronal nets (PNNs) in the primary visual cortex of albino mice that underwent monocular deprivation during the critical period of postnatal development. Mice at 10th postnatal day, were monocular deprived through right eye-lid sutured (M, n = 16) and the control group animals were not submitted to any cirurgical procedures (B, n = 16). After weaning, on postnatal day 21, animals were subdivided in: standard environment (AP) and enriched environment (AE), constituting the following groups: M.AP, M.AE, B.AP and B.AE. After 3 months, animals were submitted to grating visual acuity tests, perfused and coronal sections of their brains processed for Wisteria floribunda agglutinin to posterior stereological quantification through optical fractionator method. B.AP animals present visual acuity of 0.48 cycles/degree, while those raised in enriched environment (B.AE) present a better performance at visual test, reaching 0.996 cycles/degree. Animals with monocular deprivation had significantly lower visual acuity (M.AP 0.18 cycles/degree; M.AE 0.4 cycles/degree). Stereological quantifications revealed that enriched environment increases type 1 and the total number of perineuronal nets at supragranular and granular layers in both hemispheres of deprived animals (ANOVA, two-ways, p < 0.05) and this difference at granular layer is due to an increase of perineuronal nets mainly at the right hemisphere (ipsilateral to the monocular deprivation). At infragranular layer, M.AE animals presented an increase only at the number of type 1 PNNs in both hemispheres.

O potencial visual evocado (PVE) é um sinal elétrico de baixa intensidade originado no córtex visual em resposta a uma estimulação visual periódica. O potencial visual evocado de varredura é um procedimento de PVE modificado para medir acuidade visual de grades em pacientes pré-verbais e não-verbais. Este biopotencial está imerso em uma grande quantidade de ruído eletroencefalográfico e artefato relacionado ao movimento. A relação sinal-ruído tem um papel dominante na determinação de erros sistemáticos e estatísticos. O propósito deste estudo é apresentar um método baseado na transformada wavelet para filtrar e extrair o potencial evocado visual de varredura. Grades de luminância de onda senoidal moduladas em 6 Hertz foram usadas como estímulo para se determinar os limiares de acuidade. A amplitude e a fase da 2ª. harmônica (12 Hertz) do padrão de resposta foram analisadas usando-se a transformada rápida de Fourier após a filtragem por wavelet. O método da transformada wavelet discreta foi usado para decompor o PVE em coeficientes wavelet, determinando-se quais destes representavam uma atividade significativa. Em um passo seguinte somente os coeficientes relevantes foram considerados, zerando-se os demais e reconstruindo-se, assim, o sinal PVE. Isto resultou na filtragem das demais freqüências que foram consideradas ruído. Simulações numéricas e análises com dados de PVE humanos mostraram que este método forneceu maior relação sinal-ruído quando comparado com o método clássico dos mínimos quadrados recursivo (RLS) e ainda uma análise de fase mais apropriada / Visually evoked potential (VEP) is a very small electrical signal originated in the visual cortex in response to periodic visual stimulation. Sweep-VEP is a modified VEP procedure used to measure grating visual acuity in non-verbal and preverbal patients. This biopotential is buried in a large amount of electroencephalographic noise and movement related artifact. The signal-to-noise ratio (SNR) plays a dominant role in determining both systematic and statistic errors. The purpose of this study is to present a method based on wavelet transform technique for filtering and extracting steady-state sweep-VEP. Counter-phase sine-wave luminance gratings modulated at 6 Hertz were used as stimuli to determine sweep-VEP grating acuity thresholds. The amplitude and phase of the second-harmonic (12 Hertz) pattern reversal response were analyzed using the fast Fourier transform after the wavelet filtering. The wavelet transform method was used to decompose the VEP signal into wavelet coefficients by a discrete wavelet analysis to determine which coefficients yield significant activity at the corresponding frequency. In a subsequent step only significant coefficients were considered and the remaining was set to zero allowing a reconstruction of the VEP signal. This procedure resulted in filtering out other frequencies that were considered noise. Numerical simulations and analyses of human VEP data showed that this method has provided higher SNR when compared with the classical recursive least squares (RLS) method. An additional advantage was a more appropriate phase analysis showing more realistic second-harmonic amplitude value during phase brake

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química / Made available in DSpace on 2012-10-23T03:11:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 247605.pdf: 3533548 bytes, checksum: f52fb43b7970aacdfbccf7b62930e6a6 (MD5) / O processamento da informação pelo cérebro é uma das principais questões científicas da nossa época. Ele é um tema complexo que exige avanços em vários níveis de conhecimento. Em um destes níveis, o da neurociência sistêmica, é estudado o comportamento de sistemas de neurônios. Duas das principais dificuldades neste estudo são a concepção da topologia da rede e a seleção das propriedades fisiológicas que influenciam a sua dinâmica. Ambos compõem o objetivo deste trabalho. É proposta uma rede neuronal fisiologicamente plausível, RNFP, na qual a estrutura e a dinâmica reproduzem um conjunto de dados fisiológicos considerados significativos. A rede é aplicada ao sistema visual primário do macaco rhesus, via reconhecimento da forma dos objetos. A estrutura da rede reproduz a complexidade das ligações entre as camadas do V1 e leva em conta a posição espacial relativa de cada uma das sinapses. As dimensões das árvores dendríticas e axônicas e as velocidades do sinal em cada uma delas são usadas para a discretização temporal no programa computacional. Entre as propriedades que influenciam a sua dinâmica estão o potencial excitatório pós-sináptico, a constante espacial da membrana, e o período refratário. A estrutura computacional é construída de maneira a atender às necessidades de memória e à capacidade de processamento dos computadores disponíveis. Os estímulos aplicados na retina se refletem no sistema visual primário na forma de avalanches e ondas de atividade. Os padrões de resposta são semelhantes aos obtidos experimentalmente com sistemas de neurônios excitatórios e mostram que a rede funciona na região crítica.