Estudos prévios demonstram que intervenções precoces levam a alterações comportamentais e neuroendócrinas na vida adulta. Nossos achados anteriores demonstram que animais manipulados no período neonatal consomem mais alimento palatável na vida adulta e apresentam um menor aumento do depósito de gordura abdominal, após exposição crônica a dieta palatável (chocolate) em relação aos animais intactos. Neste trabalho de tese, nosso objetivo foi avaliar os efeitos da manipulação neonatal sobre a preferência alimentar bem como sobre a regulação metabólica de ratas adultas. Para isso, investigamos parâmetros metabólicos e neuroquímicos em resposta à exposição crônica a uma dieta hipercalórica e palatável, assim como a um período de abstinência desse tipo de alimento em ratas fêmeas adultas expostas ou não à manipulação neonatal (10 min/dia, 10 primeiros dias de vida). A manipulação neonatal induziu maior ingestão de alimento palatável após um curto período de privação. Entretanto, o consumo durante a exposição crônica a essa dieta não diferiu entre os grupos experimentais. Também observamos que ratas fêmeas manipuladas, quando cronicamente expostas à dieta palatável na vida adulta, têm menor aumento da gordura abdominal e esse efeito persiste após a privação da dieta. Ratas não-manipuladas apresentaram níveis mais elevados de colinesterases no soro após exposição crônica a dieta palatável, entretanto, sem alterações na atividade de colinesterases no córtex cerebral. Foi identificado, após exposição crônica a dieta palatável, uma redução na atividade da enzima Na+,K+-ATPse no hipocampo e na amígdala e um aumento nos níveis plasmáticos de S100B em ratas não-manipuladas no período neonatal. Após as primeiras 24h de privação do alimento palatável, ratas fêmeas não-manipuladas demonstraram maior frequência de sinais de abstinência (tremores de cabeça) em comparação com ratas manipuladas no período neonatal. Assim, esses achados sugerem que a manipulação neonatal determina alterações persistentes no comportamento alimentar e previne algumas alterações periféricas e centrais induzidas pela exposição crônica a uma dieta hiperpalatável, modulando a resposta metabólica de modo a reduzir a vulnerabilidade de dano metabólico e neural. / Previous studies have demonstrated that an intervention early in life leads to behavior and neuroendocrine alterations in adulthood. According to our previous findings neonatallyhandled animals have an increased consumption of palatable food, as well as a lower increase in abdominal fat accumulation after being chronically exposed to a highly palatable diet (chocolate) as compared with intact rats. In the present study, our aim was to evaluate the effects of neonatal handling on food preference and metabolic regulation in adult female rats. Therefore, we investigated metabolic and neurochemical parameters in response to a chronic exposure to a highly palatable diet, and to its withdrawal in adult female rats exposed or not to neonatal handling procedure (10 min/day, 10 first days of life). We observed an effect of neonatal handling inducing an increased palatable food intake after one week of chocolate withdrawal. However, chocolate consumption during long-term exposure to this type of diet did not differ between experimental groups. After a 30-days-period of chocolate exposure, non-handled female rats exhibited an increased abdominal fat deposition in comparison to neonatally-handled rats, and this effect persisted even after chocolate withdrawal. Nonhandled rats had increased serum cholinesterase levels after chronic exposure to palatable diet, without alterations in cerebral cortex cholinesterase activity. We also observed that chocolate consumption lead to a reduced Na+,K+-ATPse activity in hippocampus and amygdala, as well as an increased plasma S100B levels in non-handled females rats. After the first 24h of chocolate withdrawal, non-handled female rats exhibited an increased frequency of head shakes, during the Open Field task, in comparison to handled rats. Therefore, these findings suggest that neonatal handling leads to persistent alterations in feeding behavior, and also prevents some peripheral and central alterations induced by chronic exposure to a highly palatable diet; modulating the metabolic response in order to reduce the vulnerability to metabolic and neuronal damage in adulthood.

Esse estudo foi realizado para verificar se a exposição a separações repetidas (por diferentes intervalos de tempo) de mães dos seus filhotes no período neonatal poderiam ser classificadas como indutoras de um estado do tipo deprimido em genitoras. Sessenta ratas Wistar prenhes foram divididas em 3 grupos: controle, separação por 10 minutos e separação por 3 horas. As intervenções neonatais foram realizadas nos dias 1-10 pós parto. Após o desmame as genitoras foram submetidas ao teste do nado forçado, ao teste do labirinto em cruz elevado e ao teste do odor de predador. Também foi avaliado o comportamento alimentar e os padrões de reatividade a um sabor doce e a um sabor amargo. Foi medido os níveis de ocitocina no líquido cefaloraquidiano, corticosterona plasmática e atividade hipocampal Na+, K+-ATPase, assim como a atividade das enzimas antioxidantes catalase, glutationa peroxidase, superoxido dismutase, produção de radicais livres, e a produção de óxido nítrico, além dos níveis dos receptores A2A de adenosina e D2 de dopamina no estriado dorsoventral e no hipocampo. Foi observado que somente a separação por 3 h induziu um aumento significativo no tempo de imobilidade no teste do nado forçado, o que é consistente com estudos prévios. A atividade hipocampal da Na+, K+-ATPase se mostrou diminuída no grupo separado por 10 minutos e mais significativamente diminuída nas genitoras submetidas a separação por 3 horas de seus filhotes. Adicionalmente, os níveis de ocitocina no líquido cefaloraquidiano se encontravam aumentados no grupo separado por 10 minutos, o que pode estar relacionado a um aumento no cuidado materno, induzido por esta manipulação dos filhotes, por parte das genitoras, como reportado na literatura. Uma redução nos níveis de óxido nítrico no hipocampo das genitoras separadas por 3 horas foi observado Nessas genitoras também foi verificado um aumento no comportamento de risco, uma diminuição no sentimento prazeroso frente a uma solução doce e aumento na sensibilidade a uma solução aversiva, o que é congruente a um perfil de estado do tipo deprimido. Além disso, nós verificamos uma diminuição na quantidade do receptor de dopamina D2 no estriado das mães submetidas a separação por 3 horas dos filhotes, o que poderia ser relacionado com uma diminuição no prazer (anedonia) que acontece na depressão. Conclui-se que a retirada dos filhotes das mães por longos períodos tornam essas mães mais susceptíveis ao desenvolvimento de características depressivas. / This study was carried out to ascertain whether exposure to repeated separations (different times) of mothers from their pups in the neonatal period could be classified as an induction of a depressive-like state in dams. Sixty Wistar rats were divided into 3 groups: control, brief separation and long-term separation. The neonatal interventions were done on postpartum days 1-10. After weaning, the dams were subjected to the forced swimming test, elevated plus maze and predator odor test. It was also evaluated the feeding behavior and the taste reactivity patterns to a sweet and to a bitter solution. It was mesaured cerebral spinal fluid oxytocin, plasma corticosterone, and hippocampal Na+, K+-ATPase activity, as well as the activity of the antioxidant enzymes catalase, glutathione peroxidase, superoxide dismutase, free radicals production, and the production of nitric oxide and the levels of adenosine A2A and dopamine D2 receptors in the dorsoventral striatum and hippocampus. It was observed that only the 3 h separation induced a significant increase in the immobility time of rats in the forced swimming test, which is consistent with previous studies. Hippocampal Na+, K+-ATPase activity was decreased in the brief separated group and more significantly decreased in dams subjected to 3h separation from their pups. Additionally, cerebral spinal fluid oxytocin was increased in dams of the brief separated group, which may be related to the increased handled-induced maternal care, as reported in the literature. A reduction in nitric oxide levels in the hippocampus in dams of the long separated group was also observed. It was also verify an increase in the risk-taking behavior by the 3h separated mothers. The 3h separated mother also demonstrated a diminished feeling of pleasure with a sucrose solution and a increased sensibility to a aversive solution, wich is congruent with a depressive like state profile. Furthermore, we shown a decrease in the dopamine D2 receptor quantity in the striatum of the 3 h separated mothers, wich could be related to a decrease in pleasure feeling (anhedonia) experienced in depression. It is concluded that the withdrawal of pups from their mothers for long periods make the mothers more susceptible to the development of depressive features.

A hipóxia-isquemia (HI) é a principal causa de mortalidade no período perinatal e, nos sobreviventes, a incidência de comorbidades neurológicas é elevada. O encéfalo imaturo, altamente susceptível ao insulto hipóxico-isquêmico, é bastante sensível a estímulos ambientais tais como o enriquecimento ambiental (EA). Os objetivos deste estudo foram: 1) investigar o desempenho comportamental em um novo teste de memória e aprendizagem, o Ox-maze; 2) analisar a atividade das enzimas Na+,K+-ATPase, catalase (CAT) e glutationaperoxidase (GPx) no hipocampo; 3) caracterizar os neurônios piramidais da região CA1 hipocampal quanto à arborização dendrítica; 4) analisar alterações astrocíticas e sinápticas pela avaliação da imunoreatividade das proteínas GFAP e sinaptofisina usando a técnica de imunofluorescência e, 5) quantificar a densidade celular por meio de cortes semifinos da região CA1 do hipocampo de animais hipóxico-isquêmicos expostos a um ambiente enriquecido. Ratos com sete dias de idade foram divididos em quatro grupos e submetidos ou não ao procedimento cirúrgico de acordo com o grupo experimental ao qual pertenciam: controle mantido em ambiente padrão (CTAP), controle em ambiente enriquecido (CTAE), HI em ambiente padrão (HIAP) e HI em ambiente enriquecido (HIAE). Passado o período de EA (1h/dia, 6 dias/semana, 9 semanas iniciando após o desmame), os parâmetros mencionados foram avaliados nos animais. Os dados indicaram que a HI causou um prejuízo na memória e no aprendizado no teste do “OX-maze”, o qual foi revertido pelo efeito do ambiente enriquecido. A HI causou diminuição da atividade enzimática da Na+,K+-ATPase no hipocampo contralateral, assim como uma redução na imunorreatividade à sinaptofisina e nadensidade neuronal, sendo que o EA foi efetivo na recuperação da atividade da enzima Na+,K+-ATPase e dos níveis de sinaptofisina no hipocampo contralateral à lesão. As atividades de CAT e GPX não foram alteradas pela HI em nenhum dos grupos avaliados, mesmo resultado encontrado nas análises de GFAP e de padrão de arborização dendrítica. Por fim, neste estudo foi observado o importante efeito lesivo causado pela HI neonatal e o papel do EA como estratégia neuroprotetora na recuperação funcional, na atividade da Na+,K+-ATPase e na expressão de sinaptofisina. Este estudo traz avanços em busca dos mecanismos pelos quais a melhora funcional ocorre em animais HI expostos ao EA, mas pode-se verificar que não fica totalmente esclarecido como esta estratégia atua. Outros estudos são necessários para a identificação de possíveis mecanismos que atuem como mediadores da resposta funcional do EA após um evento isquêmico. / Hypoxia-ischemia (HI) is the main mortality cause in perinatal period and, in survivors, the incidence of neurological disabilities is elevated. The immature brain, highly susceptible to hypoxic-ischemic insult, is sensible to environmental stimuli, as environmental enrichment (EE). The aims of this study were to investigate: 1) behavioral performance in a new memory and learning task, the oxmaze task; 2) evaluate Na+,K+-ATPase, catalase (CAT) and glutathione peroxidase (GPx) activities in the hippocampus; 3) characterizes dendritic arbor in pyramidal neurons from CA1 region from hippocampus; 4) analyze alterations in hippocampal synaptophysin and GFAP immmunoreactivity and, 5) analyze neuronal density alterations in hippocampus of hypoxic-ischemic rats exposed to enriched environment. Seven-day-old rats were divided into four groups: controlmaintained in standard environment (CTSE), control submitted to EE (CTEE), HI in standard environment (HISE) and HI in EE (HIEE). Past the end of EE period (1 hour/day, 6 days/week, 9 weeks), mentioned parameters were evaluated in animals. Present results indicate learning and memory in the “OXmaze” task were impaired in HI rats and this effect was recovered after EE. On the contralateral hemisphere, HI caused a decrease in Na+,K+-ATPase activity that was recovered by EE. Results also indicate that HI damage decreases hippocampal synaptophysin immunoreactivity and neuronal density, moreover EE was effective in recovering synaptophysin levels on contralateral to the lesion hippocampus. The activities of GPx and CAT were not changed by HI in any group evaluated, some result founded on GFAP immunoreactivity and dendritic arborization characterization analysis. In conclusion, the important effect of HI lesion and the role of EE like neuroprotective strategy on functional impairment and on Na+,K+-ATPase activity and synaptophysin immunoreactivity was proven. Although this study have important advances in search of mechanisms by which the functional enhancement occurs in the animals submitted to HI and exposed to EE, it can be seen that it is not completely clear how this approach works. Further studies are needed to identify possible mechanisms that act as mediators of EE functional response after an ischemic event.

Estudos prévios demonstram que intervenções precoces levam a alterações comportamentais e neuroendócrinas na vida adulta. Nossos achados anteriores demonstram que animais manipulados no período neonatal consomem mais alimento palatável na vida adulta e apresentam um menor aumento do depósito de gordura abdominal, após exposição crônica a dieta palatável (chocolate) em relação aos animais intactos. Neste trabalho de tese, nosso objetivo foi avaliar os efeitos da manipulação neonatal sobre a preferência alimentar bem como sobre a regulação metabólica de ratas adultas. Para isso, investigamos parâmetros metabólicos e neuroquímicos em resposta à exposição crônica a uma dieta hipercalórica e palatável, assim como a um período de abstinência desse tipo de alimento em ratas fêmeas adultas expostas ou não à manipulação neonatal (10 min/dia, 10 primeiros dias de vida). A manipulação neonatal induziu maior ingestão de alimento palatável após um curto período de privação. Entretanto, o consumo durante a exposição crônica a essa dieta não diferiu entre os grupos experimentais. Também observamos que ratas fêmeas manipuladas, quando cronicamente expostas à dieta palatável na vida adulta, têm menor aumento da gordura abdominal e esse efeito persiste após a privação da dieta. Ratas não-manipuladas apresentaram níveis mais elevados de colinesterases no soro após exposição crônica a dieta palatável, entretanto, sem alterações na atividade de colinesterases no córtex cerebral. Foi identificado, após exposição crônica a dieta palatável, uma redução na atividade da enzima Na+,K+-ATPse no hipocampo e na amígdala e um aumento nos níveis plasmáticos de S100B em ratas não-manipuladas no período neonatal. Após as primeiras 24h de privação do alimento palatável, ratas fêmeas não-manipuladas demonstraram maior frequência de sinais de abstinência (tremores de cabeça) em comparação com ratas manipuladas no período neonatal. Assim, esses achados sugerem que a manipulação neonatal determina alterações persistentes no comportamento alimentar e previne algumas alterações periféricas e centrais induzidas pela exposição crônica a uma dieta hiperpalatável, modulando a resposta metabólica de modo a reduzir a vulnerabilidade de dano metabólico e neural. / Previous studies have demonstrated that an intervention early in life leads to behavior and neuroendocrine alterations in adulthood. According to our previous findings neonatallyhandled animals have an increased consumption of palatable food, as well as a lower increase in abdominal fat accumulation after being chronically exposed to a highly palatable diet (chocolate) as compared with intact rats. In the present study, our aim was to evaluate the effects of neonatal handling on food preference and metabolic regulation in adult female rats. Therefore, we investigated metabolic and neurochemical parameters in response to a chronic exposure to a highly palatable diet, and to its withdrawal in adult female rats exposed or not to neonatal handling procedure (10 min/day, 10 first days of life). We observed an effect of neonatal handling inducing an increased palatable food intake after one week of chocolate withdrawal. However, chocolate consumption during long-term exposure to this type of diet did not differ between experimental groups. After a 30-days-period of chocolate exposure, non-handled female rats exhibited an increased abdominal fat deposition in comparison to neonatally-handled rats, and this effect persisted even after chocolate withdrawal. Nonhandled rats had increased serum cholinesterase levels after chronic exposure to palatable diet, without alterations in cerebral cortex cholinesterase activity. We also observed that chocolate consumption lead to a reduced Na+,K+-ATPse activity in hippocampus and amygdala, as well as an increased plasma S100B levels in non-handled females rats. After the first 24h of chocolate withdrawal, non-handled female rats exhibited an increased frequency of head shakes, during the Open Field task, in comparison to handled rats. Therefore, these findings suggest that neonatal handling leads to persistent alterations in feeding behavior, and also prevents some peripheral and central alterations induced by chronic exposure to a highly palatable diet; modulating the metabolic response in order to reduce the vulnerability to metabolic and neuronal damage in adulthood.

Esse estudo foi realizado para verificar se a exposição a separações repetidas (por diferentes intervalos de tempo) de mães dos seus filhotes no período neonatal poderiam ser classificadas como indutoras de um estado do tipo deprimido em genitoras. Sessenta ratas Wistar prenhes foram divididas em 3 grupos: controle, separação por 10 minutos e separação por 3 horas. As intervenções neonatais foram realizadas nos dias 1-10 pós parto. Após o desmame as genitoras foram submetidas ao teste do nado forçado, ao teste do labirinto em cruz elevado e ao teste do odor de predador. Também foi avaliado o comportamento alimentar e os padrões de reatividade a um sabor doce e a um sabor amargo. Foi medido os níveis de ocitocina no líquido cefaloraquidiano, corticosterona plasmática e atividade hipocampal Na+, K+-ATPase, assim como a atividade das enzimas antioxidantes catalase, glutationa peroxidase, superoxido dismutase, produção de radicais livres, e a produção de óxido nítrico, além dos níveis dos receptores A2A de adenosina e D2 de dopamina no estriado dorsoventral e no hipocampo. Foi observado que somente a separação por 3 h induziu um aumento significativo no tempo de imobilidade no teste do nado forçado, o que é consistente com estudos prévios. A atividade hipocampal da Na+, K+-ATPase se mostrou diminuída no grupo separado por 10 minutos e mais significativamente diminuída nas genitoras submetidas a separação por 3 horas de seus filhotes. Adicionalmente, os níveis de ocitocina no líquido cefaloraquidiano se encontravam aumentados no grupo separado por 10 minutos, o que pode estar relacionado a um aumento no cuidado materno, induzido por esta manipulação dos filhotes, por parte das genitoras, como reportado na literatura. Uma redução nos níveis de óxido nítrico no hipocampo das genitoras separadas por 3 horas foi observado Nessas genitoras também foi verificado um aumento no comportamento de risco, uma diminuição no sentimento prazeroso frente a uma solução doce e aumento na sensibilidade a uma solução aversiva, o que é congruente a um perfil de estado do tipo deprimido. Além disso, nós verificamos uma diminuição na quantidade do receptor de dopamina D2 no estriado das mães submetidas a separação por 3 horas dos filhotes, o que poderia ser relacionado com uma diminuição no prazer (anedonia) que acontece na depressão. Conclui-se que a retirada dos filhotes das mães por longos períodos tornam essas mães mais susceptíveis ao desenvolvimento de características depressivas. / This study was carried out to ascertain whether exposure to repeated separations (different times) of mothers from their pups in the neonatal period could be classified as an induction of a depressive-like state in dams. Sixty Wistar rats were divided into 3 groups: control, brief separation and long-term separation. The neonatal interventions were done on postpartum days 1-10. After weaning, the dams were subjected to the forced swimming test, elevated plus maze and predator odor test. It was also evaluated the feeding behavior and the taste reactivity patterns to a sweet and to a bitter solution. It was mesaured cerebral spinal fluid oxytocin, plasma corticosterone, and hippocampal Na+, K+-ATPase activity, as well as the activity of the antioxidant enzymes catalase, glutathione peroxidase, superoxide dismutase, free radicals production, and the production of nitric oxide and the levels of adenosine A2A and dopamine D2 receptors in the dorsoventral striatum and hippocampus. It was observed that only the 3 h separation induced a significant increase in the immobility time of rats in the forced swimming test, which is consistent with previous studies. Hippocampal Na+, K+-ATPase activity was decreased in the brief separated group and more significantly decreased in dams subjected to 3h separation from their pups. Additionally, cerebral spinal fluid oxytocin was increased in dams of the brief separated group, which may be related to the increased handled-induced maternal care, as reported in the literature. A reduction in nitric oxide levels in the hippocampus in dams of the long separated group was also observed. It was also verify an increase in the risk-taking behavior by the 3h separated mothers. The 3h separated mother also demonstrated a diminished feeling of pleasure with a sucrose solution and a increased sensibility to a aversive solution, wich is congruent with a depressive like state profile. Furthermore, we shown a decrease in the dopamine D2 receptor quantity in the striatum of the 3 h separated mothers, wich could be related to a decrease in pleasure feeling (anhedonia) experienced in depression. It is concluded that the withdrawal of pups from their mothers for long periods make the mothers more susceptible to the development of depressive features.

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Does the active membrane transporter, Na+,K+-ATPase dimerize? If it does, whatis the functional benefit? Does it increase or decrease the turnover rate? Theseare still unanswered questions and current research topics. Previous studies havedemonstrated dimerizations in closely related proteins of the P-type ATPase family.For the Na+, K+-ATPase a first indication of dimerization has been shown viaFluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) or Fluorescence resonance energytransfer - Fluorescence correlation spectroscopy (FRET-FCS) experiments. Theprecise dimer structure, dimerization process, and its ultimate functional effecthowever, remain to be found. This master thesis approaches those questions froma co-evolutionary standpoint. It predicts a possible dimer structure by starting with amultiple sequence alignment, direct coupling analysis, and structural contact filteringalgorithm. This model would strengthen the dimerization model of a decreasedturnover rate due to a competitive behavior of two Na+, K+-ATPases for its energysource ATP. / Dimeriserar den aktiva membrantransporten Na+,K+-ATPas? Om den gör det,vad är den funktionella nyttan? Ökar eller minskar det omsättningshastigheten?Dessa är obesvarade frågor och rådande forskningsämnen. Tidigare studier hardemonstrerat dimeriseringar i nära relaterade proteiner av P-typ ATPas-familjen.För Na+, K+-ATPas har en första indikation av dimerisering visats via ”Flourescencelifetime imaging microscopy (FLIM)” eller ”Flourescence resonance energy transfer- Flourescence correlation spectroscopy (FRET-FCS)”. Den precisa dimerstrukturen,dimeriseringsprocessen och dess slutgiltiga funktionella effekt emellertid, återståratt ses. Detta examensarbete på masternivå närmar sig dessa frågor från ettsamevolutionärt perspektiv. Det förutser en möjlig dimerstruktur genom att utgåfrån en flersekvenslinjering, direkt kopplingsanalys och en strukturell kontaktfiltreringsalgoritm. Denna modell skulle stärka dimeriseringsmodellen av minskadomsättningshastighet till följd av tävlingsbeteende mellan två Na+,K+-ATPaser fördess energikälla ATP.

Natrium-kaliumpumpen spelar en väsentlig roll i en rad fysiologiska funktioner då den upprätthåller den elektrokemiska gradienten över cellmembranet. Ytterligare så är störningar i dess funktion associerade med flera neurologiska sjukdomar. Proteinet är en heterodimer av α– och β–subenheter, ibland även associerat med en tredje γ (FXYD) subenhet, vilket gör det problematiskt att studera dess högre ordningens organisation i cellmembranet med hjälp av konventionella, relativt storskaliga inmärkiningsprober såsom antikroppar. Inkorporering av icke-kanoniska aminosyror är ett nyutvecklat och växande område som erbjuder en lösning. Genom CuAAC– och SPIEDAC–klickkonjugationsreaktioner kan organiska färgämnen (fluoroforer) snabbt och specifikt fästas i sidokedjor med motsvarande reaktiva grupper på jonpumpen, vilket skapar en liten och icke-invasiv inmärkningsprob för fluorescensmikroskopi. För att specifikt studera alla tre subenheter samtidigt krävs inmärkning med tre olika fluoroforer). Syftet med detta projekt var att lyckas med trefärgsinmärkning genom inkorporering av icke-kanoniska aminosyror, och därigenom underlätta studerandet av hur natrium-kaliumpumpens subenheter ordnar sig i cellmembranet. Transient transfekterade HEK293T-celler med membraninmärkta jonpumpar studerades med hjälp av fluorescensmikroskopi, vilket kompletterades med gelfluorescensavbildning och immunoblotting. Samtidigt gjordes proteinuttryck och tvåfärgsinmärkning av alla nonsenskodonmuterade subenheter i kombination med varandra och var synlig i proteingel, där endast α och β tidigare hade samuttryckts. α/γ parinmärkning visade sig framgångsrik när de samtransfekterades med β av vildtyp. En autofluorescenseffekt i en av färgkanalerna påverkade resultaten för mikroskopin. Trefärgsinmärkning observerades inte i gelen, och uttrycket av subenheterna (varav α var ersatt för detta experiment) var i stort sett obefintligt. Otydlighet består därmed huruvida trefärgsinmärkning eller trippelsamuttryck är möjligt med de bioortogonala translationssystemen som användes i detta projekt på jonpumpen. / Na+/K+-ATPase is an essential ion pump protein in a host of physiological functions as it maintains the electrochemical gradient across cell membranes. Additionally, its dysfunction is implicated in several neurological diseases. The protein is a heterodimer of α and β subunits, occasionally associated with a third γ (FXYD) subunit, which makes studying its higher order organization in the cell membrane difficult using conventional, relatively large scale labeling probes such as antibodies. Non-canonical amino acid incorporation is an emerging field which offers a solution. Via CuAAC and SPIEDAC click conjugation reactions, organic fluorophores can be specifically attached to the side chains of residues of the ion pump with corresponding reactive moieties, creating a small and noninvasive probe for fluorescence microscopy imaging. In order to specifically image all three subunits concurrently, three color labeling is required. The objective of this project was to achieve three color labeling via non-canonical amino acid incorporation to aid in the study of the cell membrane localization of the subunits of Na+/K+-ATPase. Fluorescence microscopy of transiently transfected and live cell labeled HEK293T cells was complemented by in gel fluorescence imaging and immunoblotting. Coexpression and two color labeling of all nonsense codon subunit mutants in combination was shown in gel, of which only α and β had previously been coexpressed. α/γ dual labeling proved successful when cotransfected with wild type β. An autofluorescent effect in one of the color channels compromised the microscopy results. Three color labeling was not observed in gel, and expression of the subunits (including a substitute for α) was middling to absent. It remains unclear whether three color labeling or triple coexpression is a possibility with the bioorthogonal translation systems used in this project.

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Neuronen sind bei der Informationsübertragung des zentralen Nervensystems von entscheidender Bedeutung. Ihre Aktivität liegt der Signalverarbeitung und höheren kognitiven Prozessen zugrunde. Neuronen sind in den extrazellulären Raum eingebettet, der mehrere Teilchen, darunter auch Ionen, enthält. Ionenkonzentrationen sind nicht statisch. Intensive neuronale Aktivität kann intrazelluläre und extrazelluläre Ionenkonzentrationen verändern. In dieser Arbeit untersuche ich das Wechselspiel zwischen neuronaler Aktivität und der Dynamik der Ionenkonzentrationen. Dabei konzentriere ich mich hauptsächlich auf extrazelluläre Kalium- und intrazelluläre Natriumkonzentrationen. Mit Hilfe der Theorie dynamischer Systeme zeige ich, wie moderate Änderungen dieser Ionenkonzentrationen die neuronale Aktivität qualitativ verändern können, wodurch sich möglicherweise die Signalverarbeitung verändert. Dann modelliere ich ein leitfähigkeitsbasiertes neuronales Netzwerk mit Spikes. Das Modell sagt voraus, dass eine moderate Änderung der Konzentrationen, die einen Mikroschaltkreis von Neuronen umgeben, die Leistungsspektraldichte der Populationsaktivität verändern könnte. Insgesamt unterstreicht diese Arbeit die Bedeutung der Dynamik der Ionenkonzentrationen für das Verständnis neuronaler Aktivität auf langen Zeitskalen und liefert technische Erkenntnisse darüber, wie das Zusammenspiel zwischen ihnen modelliert und analysiert werden kann. / Neurons are essential in the information transfer mechanisms of the central nervous system. Their activity underlies both basic signal processing, and higher cognitive processes. Neurons are embedded in the extracellular space, which contains multiple particles, including ions which are vital to their functioning. Ionic concentrations are not static, intense neuronal activity alters the intracellular and extracellular ionic concentrations which in turn affect neuronal functioning. In this thesis, I study the interplay between neuronal activity and ionic concentration dynamics. I focus specifically on the extracellular potassium and intracellular sodium concentrations. Using dynamical systems theory, I illustrate how moderate changes in these ionic concentrations can qualitatively change neuronal activity, potentially altering signal processing. I then model a conductance-based spiking neural network. The model predicts that a moderate change in the concentrations surrounding a microcircuit of neurons could modify the power spectral density of the population activity. Altogether, this work highlights the need to consider ionic concentration dynamics to understand neuronal activity on long time scales and provides technical insights on how to model and analyze the interplay between them.