O Labirinto em Cruz Elevado (LCE) é um modelo animal para o estudo da ansiedade, suas bases biológicas e os efeitos de diferentes tipos de fármacos sobre o comportamento. Diferentes métodos têm sido usados para estudá-lo, dentro dos quais encontra-se a modelagem computacional. O presente trabalho junta-se a esses estudos utilizando as ferramentas da modelagem computacional para desenvolver dois modelos computacionais e índices que permitiram avaliá-lo. O primeiro deles estuda a maneira como os animais exploram o labirinto usando cadeias de Markov. Esta abordagem rendeu um método de caracterização capaz de identificar os efeitos de certos tipos de fármacos sobre a maneira como o animal explora o LCE, ao mesmo tempo que levanta alguns indícios sobre a quantidade de informação que o rato usa para tomar uma decisão. O segundo foi construído baseado na ideia do conflito como o determinante do comportamento do rato no LCE, adaptando um modelo de rede neural usado para avaliar informação conflitante: o modelo de dipolo chaveado de Grossberg. O objetivo desse segundo modelo foi avaliar a viabilidade de um modelo de competição de três forças: uma que insta explorar locais considerados amedrontadores, uma outra que insta procurar proteção e a última que representa o vigor do animal. Cada uma das forças que compõem o modelo recebe sinais vindos do ambiente e a maneira como processam esses sinais pode ser afetada pelos efeitos de um determinado fármaco. O modelo reproduz os efeitos esperados dos três tipos de fármacos fazendo mudanças em no máximo dois de seus parâmetros. Da mesma maneira, o modelo reproduz parte do comportamento esperado na Arena, precisando apenas de um pequeno ajuste para reproduzir as trajetórias que o animal costuma fazer em torno das paredes desse labirinto. Pode-se concluir que o modelo computacional descreve uma possível maneira de como as variáveis que controlam o comportamento do rato no LCE interagem e de como os fármacos interagem com essas variáveis, permitindo a reprodução do comportamento do rato no LCE e em outros labirintos como a Arena. O modelo foi construído para reproduzir os efeitos de três tipos de fármacos, porém, a maneira como esses tipos de fármacos interagem com o modelo não foi condicionada a um local ou maneira específico. Esta abordagem permite procurar outras interações que não somente reproduzam os efeitos de fármacos conhecidos, mas também possam predizer os efeitos de fármacos ainda não estudados. / The Elevated Plus Maze (EPM) is an animal model for the study of anxiety, its biological foundations, and the effects of different kinds of drugs on behavior. A group of different modeling methods have been used to study the rat behavior in the EPM. One of them characterizes rat behavior the EPM using directed graphs and proposes an index which can be used to classify the drug type and dosis. The other two methods were used to construct computational models for the rat behavior. The first of these models used Markov chains to reproduce the rat behavior. This approach offers a method to characterize the rat behavior, which is able to identify the effects of certain kinds of drugs on the way the rat explores the maze and, at the same time, raises some clues on how much information is used by the animal to take a decision. The second one was built based on the idea that conflict determines the rat behavior in the EPM. Conflict was introduced in the model via an adapted version of Grossberg\'s gated dipole artificial neural network model. The goal was to evaluate the viability of a competition-based model with three kind of drives: a drive to explore threatening places, a drive to seek protection, and a drive to move, related to the energy of the animal. The model receives and processes signals from the environment according to the states of these three drives, and the way in which the signals are processed can be influenced by effects of specific drugs. This model reproduces the expected effects of three types of drugs with modifications of up to two parameters. The model also reproduces part of the expected behavior of the animal in the Arena, a different maze, by requiring only small adjustments to reproduce the trajectory of the rat around the walls. It is possible to conclude that this computational model captures elements of the interaction of variables which control the rat behavior in the EPM and how drugs interact with these variables. These elements may also be present in the rat behavior in the Arena. The tools and models presented here offer new paradigms to study rat behavior in the EPM. They can offer new benchmarks to characterize rat behavior and can be used to study the effects of different drugs and their interactions.

A validação de um modelo experimental para se investigar a ansiedade deve estar baseada inicialmente em uma validação comportamental paramétrica, que pressupõe a investigação de respostas relacionadas ao comportamento de defesa da espécie frente às situações aversivas presentes no ambiente de exposição. Assim, o presente trabalho validou a preferência claro/escuro como um modelo comportamental para o estudo da ansiedade no peixe Carassius auratus (peixe dourado). Foram avaliados os seguintes parâmetros: repetição das exposições ao aparato de teste em 5 sessões diárias, privação de comida, aquário enriquecido, troca de água do aquário antes dos testes, proporções diferentes do compartimento claro e escuro, e aquário com a metade do comprimento. Os dados indicaram que as reexposições aumentaram o número de cruzamentos, indicando que a mesma aumenta a exploração do aparato, atenuando os componentes aversivos do ambiente. Os peixes alojados no aquário enriquecido se locomoveram mais no aparato, e não apresentam preferência significativa por nenhum dos compartimentos (claro/escuro), evidenciando que a aversividade do ambiente claro foi atenuada pelo alojamento em um aquário enriquecido. Os animais privados de comida por 48 h não apresentaram diferenças estatisticamente significativas entre os tempos gastos nos compartimentos claro e escuro do aquário, indicando uma maior exploração do aparato em busca de alimento. Os animais que passaram pelo procedimento de troca de água do aquário de testes não apresentaram preferência por nenhum dos compartimentos, indicando que os peixes, provavelmente, liberam sinalizadores químicos na água que informam seus co-específicos sobre o potencial aversivo do ambiente. Quanto à proporção do aquário, os animais expostos ao aquário teste 75% claro e 25% escuro se locomoveram menos que os do aquário controle, indicando que uma maior área clara, pode levar a uma ampliação da aversividade nesse aquário. Quando os sujeitos foram submetidos ao aquário 75% escuro e 25% claro, a frequência de cruzamentos foi maior no grupo controle e, nesse caso, a maior locomoção pode estar associada a uma atenuação da aversividade do ambiente relacionada a presença de uma maior área escura. No aquário 87,5% claro e 12,5% escuro, os animais do grupo experimental não apresentaram diferenças estatisticamente significativas entre os tempos gastos em nenhum dos compartimentos do aquário, indicando que uma maior área clara (aversiva) altera a preferência por ambientes escuros. Os peixes expostos ao aquário com a metade do comprimento aumentaram sua locomoção, evidenciando que o comprimento do aparato interfere na aversividade do compartimento claro. De forma geral, os dados demonstraram que a manipulação de estímulos ambientais altera os padrões comportamentais exploratórios relacionados à preferência claro/escuro, os quais podem estar associados a diferentes comportamentos relacionados à ansiedade. / The validation of an experimental model to investigate the anxiety must be initially based in a parametric behavioral validation, which involves investigating responses related to the defense behavior of the species to cope with aversive situations in the environment of exposure. Thus, the present study validated the light/dark preference as a behavioral model for the study of anxiety in Carassius auratus (goldfish). The following parameters were evaluated: repetition of exposures to the test apparatus in 5 daily sessions, food deprivation, enriched aquarium, exchange of the water of the test aquarium, different proportions of the light and dark compartments, and exposure to an aquarium with half the length of the control one. The data indicated that the repeated exposures increased the number of crossings, indicating that they increased the exploration of the apparatus by reducing the aversive components of the environment. The fish housed in the enriched aquarium displaced more in the test apparatus, showin no significant preference for either the dark or light side, indicating the aversion of the test environment was attenuated by the exposure to the enriched aquarium. 48-H food-deprived animals showed no statistically significant differences between the times spent in either side of the test aquarium, indicating more intense exploration of the test apparatus in search of food. The animals submitted to the procedure of exchanging the water of the test aquarium before testing did not show preference for either side, indicating that the fish probably release chemical signals in the water which inform their conspecifics of the potential aversiveness of environment. As to the proportion of the aquarium, animals exposed to the 75% light 25% dark test aquarium displaced less than the ones exposed to the control aquarium, indicating that a larger light area can lead to an increase in the aversiveness of the aquarium. When the subjects were exposed to the 75% dark 25% light aquarium, the frequency of crossings was greater for the control group and, in this case, the increased locomotion may be associated with an attenuation in the aversiveness of the environment related to the presence of a larger dark area. In the 87.5% light 12.5% dark aquarium, the animals in the experimental group did not present statistically significant differences between the times spent on either the light or dark sides of the apparatus, indicating that a larger light (aversive) area alters the preference for dark environments. The fishes exposed the aquarium with half the length increased their locomotion, indicating that the length of the apparatus interferes with the aversiveness of the light compartment. Overall, the data showed that manipulating environmental stimuli affects exploratory behavior patterns related to light/dark preference, which may be associated with different anxiety-related behaviors.

O Labirinto em Cruz Elevado (LCE) é um modelo animal para o estudo da ansiedade, suas bases biológicas e os efeitos de diferentes tipos de fármacos sobre o comportamento. Diferentes métodos têm sido usados para estudá-lo, dentro dos quais encontra-se a modelagem computacional. O presente trabalho junta-se a esses estudos utilizando as ferramentas da modelagem computacional para desenvolver dois modelos computacionais e índices que permitiram avaliá-lo. O primeiro deles estuda a maneira como os animais exploram o labirinto usando cadeias de Markov. Esta abordagem rendeu um método de caracterização capaz de identificar os efeitos de certos tipos de fármacos sobre a maneira como o animal explora o LCE, ao mesmo tempo que levanta alguns indícios sobre a quantidade de informação que o rato usa para tomar uma decisão. O segundo foi construído baseado na ideia do conflito como o determinante do comportamento do rato no LCE, adaptando um modelo de rede neural usado para avaliar informação conflitante: o modelo de dipolo chaveado de Grossberg. O objetivo desse segundo modelo foi avaliar a viabilidade de um modelo de competição de três forças: uma que insta explorar locais considerados amedrontadores, uma outra que insta procurar proteção e a última que representa o vigor do animal. Cada uma das forças que compõem o modelo recebe sinais vindos do ambiente e a maneira como processam esses sinais pode ser afetada pelos efeitos de um determinado fármaco. O modelo reproduz os efeitos esperados dos três tipos de fármacos fazendo mudanças em no máximo dois de seus parâmetros. Da mesma maneira, o modelo reproduz parte do comportamento esperado na Arena, precisando apenas de um pequeno ajuste para reproduzir as trajetórias que o animal costuma fazer em torno das paredes desse labirinto. Pode-se concluir que o modelo computacional descreve uma possível maneira de como as variáveis que controlam o comportamento do rato no LCE interagem e de como os fármacos interagem com essas variáveis, permitindo a reprodução do comportamento do rato no LCE e em outros labirintos como a Arena. O modelo foi construído para reproduzir os efeitos de três tipos de fármacos, porém, a maneira como esses tipos de fármacos interagem com o modelo não foi condicionada a um local ou maneira específico. Esta abordagem permite procurar outras interações que não somente reproduzam os efeitos de fármacos conhecidos, mas também possam predizer os efeitos de fármacos ainda não estudados. / The Elevated Plus Maze (EPM) is an animal model for the study of anxiety, its biological foundations, and the effects of different kinds of drugs on behavior. A group of different modeling methods have been used to study the rat behavior in the EPM. One of them characterizes rat behavior the EPM using directed graphs and proposes an index which can be used to classify the drug type and dosis. The other two methods were used to construct computational models for the rat behavior. The first of these models used Markov chains to reproduce the rat behavior. This approach offers a method to characterize the rat behavior, which is able to identify the effects of certain kinds of drugs on the way the rat explores the maze and, at the same time, raises some clues on how much information is used by the animal to take a decision. The second one was built based on the idea that conflict determines the rat behavior in the EPM. Conflict was introduced in the model via an adapted version of Grossberg\'s gated dipole artificial neural network model. The goal was to evaluate the viability of a competition-based model with three kind of drives: a drive to explore threatening places, a drive to seek protection, and a drive to move, related to the energy of the animal. The model receives and processes signals from the environment according to the states of these three drives, and the way in which the signals are processed can be influenced by effects of specific drugs. This model reproduces the expected effects of three types of drugs with modifications of up to two parameters. The model also reproduces part of the expected behavior of the animal in the Arena, a different maze, by requiring only small adjustments to reproduce the trajectory of the rat around the walls. It is possible to conclude that this computational model captures elements of the interaction of variables which control the rat behavior in the EPM and how drugs interact with these variables. These elements may also be present in the rat behavior in the Arena. The tools and models presented here offer new paradigms to study rat behavior in the EPM. They can offer new benchmarks to characterize rat behavior and can be used to study the effects of different drugs and their interactions.

Submitted by Hellen Luz (hellencrisluz@gmail.com) on 2017-09-18T19:58:53Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ParametrosEscototaxiaModelo.pdf: 1500226 bytes, checksum: 275abf0aa72799c079b3c856bd268f80 (MD5) / Rejected by Irvana Coutinho (irvana@ufpa.br), reason: Aguardar as orientações on 2017-10-10T16:49:03Z (GMT) / Submitted by Hellen Luz (hellencrisluz@gmail.com) on 2017-10-17T17:42:47Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ParametrosEscototaxiaModelo.pdf: 1500226 bytes, checksum: 275abf0aa72799c079b3c856bd268f80 (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2017-11-22T18:35:53Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ParametrosEscototaxiaModelo.pdf: 1500226 bytes, checksum: 275abf0aa72799c079b3c856bd268f80 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-11-22T18:35:53Z (GMT). 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Essa mesma evi- tação não habitua frente à exposição repetida, independentemente do intervalo inter-sessões, ao contrário da locomoção total (Experimentos 2 e 3); a exposição forçada ao compartimento branco não altera a exploração subseqüente nem a locomoção total (Experimento 4). Esses resultados sugerem que a novidade do aparato não é a dimensão controladora da escototaxia; além disso, esses resultados também sugerem que a preferência pelo compartimento preto não é causada simplesmente pela esquiva ao compartimento branco, ainda que essa certamente tenha um papel importante. O papel da aversividade do compartimento branco foi investigado na segunda série de experimentos. A iluminação sobre o compartimento branco é um fator ansiogênico, já que aumentá-la diminui o tempo que os animais passam sobre este sem afetar a locomoção total (Experimento 5). Esse fenômeno parece se dever a uma diminuição na ca- pacidade de camuflagem com o substrato (cripse), já que alterar a cor do compartimento bran- co para cinza aumenta o tempo passado neste, enquanto alterar a cor do compartimento preto para cinza aumenta o tempo passado no compartimento branco, ambas as alterações não afe- tando a locomoção total (Experimento 6). Além disso, o aumento da proporção ocupada pelo compartimento branco no aparato (de 50% para 75%) diminui o tempo passado neste sem afetar a locomoção total (Experimento 7). Esses resultados sugerem que o compartimento branco é aversivo, e portanto a preferência pelo compartimento preto não é causada simples- mente por propriedades reforçadoras positivas desse ambiente. Tomados em conjunto, os re- sultados das duas séries de experimentos sugerem que a escototaxia resulta do conflito apro- ximação-evitação. O Experimento 8 representa uma manipulação ambiental comum que altera a ansiedade em roedores, o enriquecimento; aqui, animais criados em ambiente enriquecido por duas semanas apresentam menor evitação do compartimento branco. Conclui-se que a escototaxia apresenta bom valor preditivo. / Certain teleost fishes present a behavioral trait of scototaxis, the preference for dark environ- ments and not bright ones. The present work tried to evaluate some parameters of the explora- tory behavior of the zebrafish (Danio rerio Hamilton 1822) in the black/white tank, aiming to establish the reliability of measures in different contexts. White compartment avoidance presents a biphasic pattern, with an increase in avoidance preceding a decrease (Experiment 1). This same avoidance does not habituate to repeated exposure, independently of the inter- session interval, on the contrary of total locomotion (Experiments 2 and 3); forced exposure to the white compartment does not alter the subsequent exploratory behavior (Experiment 4). These results suggest that novelty is not the controlling dimension of scototaxis; besides, these results also suggest that the preference for the Black compartment is not caused simply by avoidance of the white compartment, although this certainly has an important role. The role of the aversiveness of the white compartment was assessed in a second series of experi- ments. The illumination above the white compartment is an anxiogenic factor, since increas- ing it decreases the time spent in the white compartment without affecting total locomotion (Experiment 5). This phenomenon seems to be due to a decrease in the capacity to camouf- lage with the substrate (crypsis), since altering the color of the white compartment to grey increases its exploration, while altering the color of the black compartment to grey increases the time spent in the white compartment (Experiment 6). Besides, the increase in the propor- tion of the apparatus occupied by the white compartment (from 50% to 75%) decreases the time spent in it (Experiment 7). These results suggest that the white compartment is aversive, and therefore the preference for darkness is not caused simply by positive reinforcing proper- ties of the black compartment. Taken together, the results of both series of experiments sug- gest that scototaxis results from an approach-avoidance conflict. Experiment 8 represents a common environmental manipulation which alters anxiety in rodents, environmental enrich- ment; here, animals raised in an enriched aquarium for two weeks present less white avoid- ance. It is concluded that scototaxis has good construct validity.