Esclerose lateral amiotrófica (ELA) é uma doença neurológica progressiva e fatal, caracterizada por perda dos neurônios motores, levando à fraqueza muscular global. As funções sensitivas e mentais são preservadas durante todo o curso da doença. A esclerose lateral amiotrófica tem uma prevalência de 6 por 100.000 pessoas e o início da doença é geralmente entre os 40 a 60 anos de idade. O prognóstico é reservado e em média os pacientes vivem de 3 a 5 anos após o diagnóstico médico. Com a progressão da doença outros sintomas surgem como fraqueza dos membros, comprometimento da fala, aumento da salivação, dificuldades de deglutição, dificuldades para deambular e fadiga muscular. As alterações dos músculos respiratórios levam à falência respiratória, que é a maior causa de óbito nos pacientes com esclerose lateral amiotrófica. Fadiga é definida como a queda da máxima contração isométrica voluntária e falta de tolerância do músculo sob esforço. A máxima contração isométrica voluntária depende de uma cadeia de eventos que se inicia no córtex motor - condutor excitatório dos neurônios motores superior e inferior, e se continua na transmissão pela junção neuromuscular, no acoplamento excitação-contração e na contração da fibra muscular que depende de um suprimento energético metabólico. A fadiga muscular ocorre em pacientes com esclerose lateral amiotrófica prejudicando a função e a qualidade de vida dos pacientes. O objetivo deste trabalho foi: 1) Quantificar a freqüência da fadiga na esclerose lateral amiotrófica; 2) Analisar a evolução da fadiga nos pacientes; 3) Correlacionar a presença da fadiga com fatores como a funcionalidade, a qualidade de vida, a depressão, a dispnéia, e a sonolência, idade e duração da doença em meses. O grupo controle compôs-se de 60 indivíduos (familiares de funcionários do hospital e da equipe multidisciplinar) que não apresentavam história de doenças pregressas. O grupo teste constitui-se de 60 pacientes com diagnóstico de esclerose lateral amiotrófica. O diagnóstico foi realizado por dois neurologistas independentes e baseou-se na presença de história clínica, exame neurológico e estudos neurofisiológicos compatíveis com esclerose lateral amiotrófica, segundo os critérios de El Escorial da Federação Mundial de Neurologia; além disso, houve a investigação complementar por meio de testes hematológicos, bioquímicos, sorológicos, genéticos e radiológicos para excluir outras patologias. Os pacientes dos grupos controle e teste foram entrevistados pela pesquisadora para aplicação de questionários com escalas para verificação da presença de funcionalidade, de qualidade de vida, de depressão, de dispnéia, de sonolência e de fadiga; e os pacientes do grupo teste foram submetidos à avaliação fisioterapêutica no início do estudo e a cada 3 meses, totalizando 12 meses de coletas. O grupo teste apresentou fadiga significantemente maior em relação ao grupo controle, bem como alterações nos questionários de funcionalidade, de qualidade de vida, de depressão, de dispnéia e de sonolência. Percebeu-se que a fadiga foi evolutiva durante os meses de acompanhamento da pesquisa. A fadiga correlacionou-se com a idade, mostrando que os pacientes mais jovens apresentaram maior grau de fadiga que os pacientes mais idosos. Os resultados desta pesquisa sugerem que a fadiga é um dos problemas que afetam os pacientes com ELA; o fato de não ter correlação com outros problemas estudados sugere que a fadiga deve merecer pesquisa e tratamento individualizados no paciente com ELA, principalmente pelo fato de que os resultados sugeriram piora da fadiga no decorrer da evolução da ELA / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a progressive and fatal neurological disease, characterized by loss of the motor neurons, taking to the global muscular weakness. The sensitive and mental functions are preserved during whole the course of the disease. The ALS has a prevalence of 6 for 100.000 people and the beginning of the disease is usually among the 40 to 60 years of age. The prognostic is reserved and on average the patients live from 3 to 5 years after the medical diagnosis. With the progression of the disease other symptoms they appear as weakness of the members, compromising of the speech, increase of the salivation, deglutition difficulties, difficulties to stroll and it fatigues muscular. The alterations of the breathing muscles take to the breathing bankruptcy, that is the largest death cause in the patients with ALS. Fatigue is defined as the fall of the maxim voluntary isometric contraction and lack of tolerance of the muscle under effort. The maxim voluntary isometric contraction depends on a chain of events that begins in the motor cortex - driver excitatory of the neurons motor superior and inferior, and it is continued in the transmission by the junction neuromuscular, in the joining excitement-contraction and in the contraction of the muscular fiber that depends on a metabolic energy supply. The muscular fatigue happens in patients with ALS harming the function and the quality of the patients\' life. The objective of this work was: 1) to quantify the frequency of the fatigue in the ALS; 2) to analyze the evolution of the fatigue in the patients; 3) to correlate the presence of the fatigue with factors as the functionality, the life quality, the depression, the dispnéa, and the sleepiness, age and duration of the disease in months. The group control was composed of 60 individuals (family of employees of the hospital and of the team multidisciplinar) that didn\'t present history of past diseases. The group test is constituted of 60 patients with diagnosis of ALS. The diagnosis was accomplished by two independent neurologists and he/she based on the presence of clinical history, neurological exam and studies compatible neurophisiologycs with ALS, according to the criteria of El Escorial of the World Federation of Neurology; besides, there was the complement investigation through tests and exams to exclude other pathologies. The patients of the groups control and test were interviewed by the researcher for application of questionnaires with scales for verification of the functionality presence, of life quality, of depression, of dispnéa, of sleepiness and of fatigue; and the patients of the group test they were submitted to the evaluation physiotherapy in the beginning of the study and every 3 months, totaling 12 months of collections. The group test presented fatigue larger significantly in relation to the group it controls, as well as alterations in the functionality questionnaires, of life quality, of depression, of dispnéa and of sleepiness. It was noticed that the fatigue was evolutionary during the months of accompaniment of the research. The fatigue was correlated with the age, showing that the youngest patients presented larger degree of fatigue than the most senior patients. The results of this research suggest that the fatigue is one of the problems that affect the patients with ALS; the fact of not having correlation with other studied problems suggests that the fatigue should deserve research and treatment individualized in the patient with ALS, mainly for the fact that the results suggested worsening of the fatigue in elapsing of the evolution of the ALS

Esclerose lateral amiotrófica (ELA) é uma doença neurológica progressiva e fatal, caracterizada por perda dos neurônios motores, levando à fraqueza muscular global. As funções sensitivas e mentais são preservadas durante todo o curso da doença. A esclerose lateral amiotrófica tem uma prevalência de 6 por 100.000 pessoas e o início da doença é geralmente entre os 40 a 60 anos de idade. O prognóstico é reservado e em média os pacientes vivem de 3 a 5 anos após o diagnóstico médico. Com a progressão da doença outros sintomas surgem como fraqueza dos membros, comprometimento da fala, aumento da salivação, dificuldades de deglutição, dificuldades para deambular e fadiga muscular. As alterações dos músculos respiratórios levam à falência respiratória, que é a maior causa de óbito nos pacientes com esclerose lateral amiotrófica. Fadiga é definida como a queda da máxima contração isométrica voluntária e falta de tolerância do músculo sob esforço. A máxima contração isométrica voluntária depende de uma cadeia de eventos que se inicia no córtex motor - condutor excitatório dos neurônios motores superior e inferior, e se continua na transmissão pela junção neuromuscular, no acoplamento excitação-contração e na contração da fibra muscular que depende de um suprimento energético metabólico. A fadiga muscular ocorre em pacientes com esclerose lateral amiotrófica prejudicando a função e a qualidade de vida dos pacientes. O objetivo deste trabalho foi: 1) Quantificar a freqüência da fadiga na esclerose lateral amiotrófica; 2) Analisar a evolução da fadiga nos pacientes; 3) Correlacionar a presença da fadiga com fatores como a funcionalidade, a qualidade de vida, a depressão, a dispnéia, e a sonolência, idade e duração da doença em meses. O grupo controle compôs-se de 60 indivíduos (familiares de funcionários do hospital e da equipe multidisciplinar) que não apresentavam história de doenças pregressas. O grupo teste constitui-se de 60 pacientes com diagnóstico de esclerose lateral amiotrófica. O diagnóstico foi realizado por dois neurologistas independentes e baseou-se na presença de história clínica, exame neurológico e estudos neurofisiológicos compatíveis com esclerose lateral amiotrófica, segundo os critérios de El Escorial da Federação Mundial de Neurologia; além disso, houve a investigação complementar por meio de testes hematológicos, bioquímicos, sorológicos, genéticos e radiológicos para excluir outras patologias. Os pacientes dos grupos controle e teste foram entrevistados pela pesquisadora para aplicação de questionários com escalas para verificação da presença de funcionalidade, de qualidade de vida, de depressão, de dispnéia, de sonolência e de fadiga; e os pacientes do grupo teste foram submetidos à avaliação fisioterapêutica no início do estudo e a cada 3 meses, totalizando 12 meses de coletas. O grupo teste apresentou fadiga significantemente maior em relação ao grupo controle, bem como alterações nos questionários de funcionalidade, de qualidade de vida, de depressão, de dispnéia e de sonolência. Percebeu-se que a fadiga foi evolutiva durante os meses de acompanhamento da pesquisa. A fadiga correlacionou-se com a idade, mostrando que os pacientes mais jovens apresentaram maior grau de fadiga que os pacientes mais idosos. Os resultados desta pesquisa sugerem que a fadiga é um dos problemas que afetam os pacientes com ELA; o fato de não ter correlação com outros problemas estudados sugere que a fadiga deve merecer pesquisa e tratamento individualizados no paciente com ELA, principalmente pelo fato de que os resultados sugeriram piora da fadiga no decorrer da evolução da ELA / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a progressive and fatal neurological disease, characterized by loss of the motor neurons, taking to the global muscular weakness. The sensitive and mental functions are preserved during whole the course of the disease. The ALS has a prevalence of 6 for 100.000 people and the beginning of the disease is usually among the 40 to 60 years of age. The prognostic is reserved and on average the patients live from 3 to 5 years after the medical diagnosis. With the progression of the disease other symptoms they appear as weakness of the members, compromising of the speech, increase of the salivation, deglutition difficulties, difficulties to stroll and it fatigues muscular. The alterations of the breathing muscles take to the breathing bankruptcy, that is the largest death cause in the patients with ALS. Fatigue is defined as the fall of the maxim voluntary isometric contraction and lack of tolerance of the muscle under effort. The maxim voluntary isometric contraction depends on a chain of events that begins in the motor cortex - driver excitatory of the neurons motor superior and inferior, and it is continued in the transmission by the junction neuromuscular, in the joining excitement-contraction and in the contraction of the muscular fiber that depends on a metabolic energy supply. The muscular fatigue happens in patients with ALS harming the function and the quality of the patients\' life. The objective of this work was: 1) to quantify the frequency of the fatigue in the ALS; 2) to analyze the evolution of the fatigue in the patients; 3) to correlate the presence of the fatigue with factors as the functionality, the life quality, the depression, the dispnéa, and the sleepiness, age and duration of the disease in months. The group control was composed of 60 individuals (family of employees of the hospital and of the team multidisciplinar) that didn\'t present history of past diseases. The group test is constituted of 60 patients with diagnosis of ALS. The diagnosis was accomplished by two independent neurologists and he/she based on the presence of clinical history, neurological exam and studies compatible neurophisiologycs with ALS, according to the criteria of El Escorial of the World Federation of Neurology; besides, there was the complement investigation through tests and exams to exclude other pathologies. The patients of the groups control and test were interviewed by the researcher for application of questionnaires with scales for verification of the functionality presence, of life quality, of depression, of dispnéa, of sleepiness and of fatigue; and the patients of the group test they were submitted to the evaluation physiotherapy in the beginning of the study and every 3 months, totaling 12 months of collections. The group test presented fatigue larger significantly in relation to the group it controls, as well as alterations in the functionality questionnaires, of life quality, of depression, of dispnéa and of sleepiness. It was noticed that the fatigue was evolutionary during the months of accompaniment of the research. The fatigue was correlated with the age, showing that the youngest patients presented larger degree of fatigue than the most senior patients. The results of this research suggest that the fatigue is one of the problems that affect the patients with ALS; the fact of not having correlation with other studied problems suggests that the fatigue should deserve research and treatment individualized in the patient with ALS, mainly for the fact that the results suggested worsening of the fatigue in elapsing of the evolution of the ALS

A precisão de uma ação motora depende de vários fatores, como: 1) grau de variabilidade da força gerada por cada músculo envolvido, 2) velocidade de geração da força, 3) coordenação das ativações dos músculos. A geração e o controle da força muscular possuem mecanismos que ainda precisam ser mais bem estabelecidos, tanto para o aprimoramento das teorias de controle motor, quanto para o desenvolvimento de técnicas que permitam a prevenção ou a compensação de certas deficiências. A perda de desempenho motor pode ser decorrente de doenças que afetam o sistema neuromuscular ou de alterações associadas ao envelhecimento. Sabe-se, por exemplo, que idosos podem possuir maior variabilidade e menor velocidade de desenvolvimento da força, quando comparados com jovens. Uma das formas de se entender os mecanismos responsáveis pelos fenômenos observados em experimentos neurofisiológicos, em indivíduos saudáveis, em pacientes ou em idosos, é por meio de uma representação adequada de tais mecanismos em modelos matemáticos. Tais modelos podem, pela escolha de um conjunto de parâmetros e de sinais de entrada, ser simulados, explorando-se toda gama de cenários plausíveis para a geração de um determinado fenômeno, tendo como referência os dados obtidos experimentalmente. Resumidamente, o presente trabalho trata do estudo do sistema neuromuscular por modelagem matemática e simulação computacional, com particular interesse nos músculos do tríceps sural e no primeiro interósseo dorsal (um músculo intrínseco da mão), sendo estes músculos amplamente utilizados em estudos experimentais e de modelagem. Maior enfoque é dado em contrações isométricas (i.e., ângulo articular mantido fixo), avaliando-se a organização do núcleo motor, em termos anatômicos e fisiológicos, recebendo como entrada a atividade sináptica das vias pré-motoneuronais, e estudando como diferentes arranjos das propriedades neurais podem resultar em características encontradas experimentalmente para a força muscular. Inicialmente foi feita uma ampla expansão de um simulador existente (ReMoto), tanto em aspectos de modelagem quanto de interface. Em seguida, este modelo expandido foi empregado para um estudo da influência do grau de rigidez muscular nas respostas reflexas do tornozelo. Posteriormente, um novo modelo de pool de motoneurônios, com ampla representação de características biofísicas, foi desenvolvido e, por fim, este modelo foi utilizado, em conjunto com modelos de tratos descendentes e da geração de força muscular, para representar a geração de forças isométricas em jovens e idosos. / The precision of a motor action depends on several factors such as: 1) the level of force variability of each involved muscle, 2) the rate of force development, 3) the coordination of the activations of the muscles involved. Several mechanisms underlying the force generation in a muscle and its control by the nervous system remain to be fully comprehended. An appropriate description of these mechanisms would allow an improvement in motor control theories and could contribute to the development of techniques for the prevention or compensation of some disabilities. Losses in motor performance may be caused by diseases affecting the neuromuscular system or due to aging processes. For instance, old adults may exhibit higher force variability and lower velocity of force development than young adults. Proper representations of such mechanisms in mathematical models constitute a promising way to test hypotheses raised by neurophysiological experiments to explain an observed phenomenon. These models can be used to investigate aspects of health/disease or young/old subjects and, by varying their parameter sets, it is possible to explore a broad range of plausible scenarios under which the experimentally observed phenomena are replicated. This project deals with the study of the neuromuscular system by mathematical modeling and computer simulations, applied to the triceps surae and the first dorsal interosseus (two of the most experimentally and theoretically studied muscles). The principal focus is on isometric contractions (i.e., fixed joint angle) and the study of the organization of the motor nucleus (anatomical and physiological aspects) receiving inputs from premotoneuronal pathways. The study analyzes how different patterns of organization result in experimentally observed aspects of muscle force. Initially, an existing simulator of the neuromuscular system (ReMoto) was broadly extended to include new models and a friendly interface. The extended model was used to investigate the influence of muscle stiffness on the reflex responses in the ankle joint. Next, a new motoneuron pool mathematical model was developed based on known biophysics. Finally, this model was integrated with models of pre-motoneuronal neurons estabilishing synapses with motoneurons and of muscle force generation in order to represent isometric force generation in young and old adults.

A Esclerose Lateral Amiotrófica (ELA) é uma doença neurodegenerativa de caráter progressivo caracterizada pela morte seletiva de neurônios motores que leva rapidamente os pacientes à morte. O camundongo transgênico que expressa a superóxido dismutase 1 humana mutante é o modelo experimental mais aceito para o estudo da doença. Os mecanismos que levam a perda neuronal ainda são pouco conhecidos e não existe tratamento eficaz para prolongar a vida do indivíduo. Estudos recentes indicam que as células gliais aceleram o processo neurodegenerativo, entretanto os mecanismos moleculares ainda não estão estabelecidos. Os astrócitos merecem uma atenção particular, pois apresentam íntima interação com os neurônios, fornecendo suporte estrutural, metabólico e trófico. Além disso, participam ativamente da modulação excitatória neuronal e da neurotransmissão, controlando os níveis extracelulares de íons e neurotransmissores. O presente estudo propôs investigar in vitro os possíveis dos astrócitos extraídos da medula espinal do camundongo de idade neonatal (P1) e adulta pré-sintomática (P60) sobre a morte de neurônios motores na ELA. Para isso, o trofismo e sobrevida do neurônio motor espinal foram avaliados nas culturas de neurônios motores tratados com meio condicionado de astrócitos e também em sistemas de co-culturas neurônios motores/astrócitos, de origem SOD1G93A (transgênica) e selvagem (wild type) em diferentes combinações. Investigou-se ainda, a expressão gênica de genes nos astrócitos nas culturas P1 e P60 realizadas através do PCR quantitativo (qPCR) e a quantificação de moléculas secretadas pelos astrócitos por ELISA Sanduíche. Para o estudo do trofismo e degeneração neuronal, as células foram marcadas com marcadores específicos de morte neuronal e o trofismo dos neurônios também foi quantificado por contraste de fase. As células foram quantificadas por métodos estereológicos específicos e as análises mostraram que o tratamento com meio condicionado de astrócitos transgênicos P1 e P60 causaram respectivamente retrações nos prolongamentos e morte dos neurônios transgênicos. As análises da morte neuronal dos meios condicionados e co-cultura mostraram que os astrócitos transgênicos de ambas as idades causaram a morte de neurônios wild type e apenas os astrócitos transgênicos P60 levaram os maiores perfis de morte nos neurônios transgênicos, demonstrando a toxidade dessas células. Quanto à análise da expressão gênica, os genes NKRF, UBE2I e TGFA mostraram-se diferencialmente expressos nos astrócitos transgênicos P1 e os genes HIPK3, TGFA e NTF5 diferencialmente expressos nos astrócitos transgênicos P60. Nas análises das moléculas secretadas nos meios condicionados maior quantidade de NGF foi encontrada no meio dos astrócitos transgênicos P60 comparando-se aos astrócitos wild type. A quantidade de IGF-I diminuiu no meio condicionado da cultura de astrócitos transgênicos P60 comparando-se aos astrócitos wild type E ainda, há a diminuição autócrina de TNF-? e IL-6 nos astrócitos transgênicos P60. Os astrócitos transgênicos parecem promover a toxicidade ao neurônio motor na ELA e moléculas liberadas pelos astrócitos parecem estar envolvidas no processo de desenvolvimento da ELA / Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease characterized by selective motor neurons death that readly leads patients to death. Transgenic mice expressing human mutant superoxide dismutase 1 (hSOD1) is the most accepted experimental model for the disease studying. The mechanisms that lead to neuronal loss are still poorly understood and there is no effective treatment able to prolong the pacient\'s life. Recent studies indicate that glial cells accelerate the neurodegenerative process, but the molecular mechanisms are not yet established. Astrocytes deserve particular attention, since they have close interaction with neurons, providing structural, metabolic and trophic support. In addition, they also participate actively in the neuronal excitatory modulation and in neuronal transmission, controlling ions and neurotransmitters at extracellular levels. The present study aimed to investigate the possible in vitro effects in astrocytes on the motor neurons death in ALS from newborn (P1) and adult pre symptomatic (P60) spinal cord mice. Thus, we evaluated spinal motor neuron survival and trophism in cultures treated with astrocytes conditioned medium and also in co-culture neuron/astrocyte systems of SOD1G93A (transgenic) and wild type in different cells combinations. Still, we investigated genes expression related to P1 and P60 astrocytes cultures performed by quantitative PCR (qPCR) and the molecules secreted by astrocytes were quantified by Sandwich ELISA. For the neuronal degeneration and trophism study, cells were immunostained with specific markers and neurouns were also visualized by phase contrast. These cells were quantified by stereological method and their analysis showed that treatment with transgenic P1 and P60 astrocytes conditioned medium cause length retractions and death on transgenic motor neuron. But, the neuronal death on conditioned medium and co-cultures experiments showed that transgenic P1 and P60 astrocytes caused wild type neuronal death and only transgenic P60 astrocytes led transgenic neurons death, demonstrating major toxicity of transgenic astrocytes. For the gene expression analysis NKRF, UBE2I and TGFa genes showed differentially expressed in transgenic P1 astrocytes and HIPK3, TGFa and NTF5 genes showed differentially expressed in transgenic P60 astrocytes. The analizes of molecules secreted by conditioned media a larger amount of NGF was found in transgenic P60 astrocytes comparing to wild type astrocytes. The amount of IGF-I in the conditioned medium was reduced in astrocytes transgenic P60 cultures compared to the wild type astrocytes Also, there is a reduction autocrine of TNF-? and IL-6 on transgenic astrocytes P60. The transgenic astrocytes seem to promote motor neuron toxicity in ALS and molecules released by astrocytes appear to be involved in the ALS development

A precisão de uma ação motora depende de vários fatores, como: 1) grau de variabilidade da força gerada por cada músculo envolvido, 2) velocidade de geração da força, 3) coordenação das ativações dos músculos. A geração e o controle da força muscular possuem mecanismos que ainda precisam ser mais bem estabelecidos, tanto para o aprimoramento das teorias de controle motor, quanto para o desenvolvimento de técnicas que permitam a prevenção ou a compensação de certas deficiências. A perda de desempenho motor pode ser decorrente de doenças que afetam o sistema neuromuscular ou de alterações associadas ao envelhecimento. Sabe-se, por exemplo, que idosos podem possuir maior variabilidade e menor velocidade de desenvolvimento da força, quando comparados com jovens. Uma das formas de se entender os mecanismos responsáveis pelos fenômenos observados em experimentos neurofisiológicos, em indivíduos saudáveis, em pacientes ou em idosos, é por meio de uma representação adequada de tais mecanismos em modelos matemáticos. Tais modelos podem, pela escolha de um conjunto de parâmetros e de sinais de entrada, ser simulados, explorando-se toda gama de cenários plausíveis para a geração de um determinado fenômeno, tendo como referência os dados obtidos experimentalmente. Resumidamente, o presente trabalho trata do estudo do sistema neuromuscular por modelagem matemática e simulação computacional, com particular interesse nos músculos do tríceps sural e no primeiro interósseo dorsal (um músculo intrínseco da mão), sendo estes músculos amplamente utilizados em estudos experimentais e de modelagem. Maior enfoque é dado em contrações isométricas (i.e., ângulo articular mantido fixo), avaliando-se a organização do núcleo motor, em termos anatômicos e fisiológicos, recebendo como entrada a atividade sináptica das vias pré-motoneuronais, e estudando como diferentes arranjos das propriedades neurais podem resultar em características encontradas experimentalmente para a força muscular. Inicialmente foi feita uma ampla expansão de um simulador existente (ReMoto), tanto em aspectos de modelagem quanto de interface. Em seguida, este modelo expandido foi empregado para um estudo da influência do grau de rigidez muscular nas respostas reflexas do tornozelo. Posteriormente, um novo modelo de pool de motoneurônios, com ampla representação de características biofísicas, foi desenvolvido e, por fim, este modelo foi utilizado, em conjunto com modelos de tratos descendentes e da geração de força muscular, para representar a geração de forças isométricas em jovens e idosos. / The precision of a motor action depends on several factors such as: 1) the level of force variability of each involved muscle, 2) the rate of force development, 3) the coordination of the activations of the muscles involved. Several mechanisms underlying the force generation in a muscle and its control by the nervous system remain to be fully comprehended. An appropriate description of these mechanisms would allow an improvement in motor control theories and could contribute to the development of techniques for the prevention or compensation of some disabilities. Losses in motor performance may be caused by diseases affecting the neuromuscular system or due to aging processes. For instance, old adults may exhibit higher force variability and lower velocity of force development than young adults. Proper representations of such mechanisms in mathematical models constitute a promising way to test hypotheses raised by neurophysiological experiments to explain an observed phenomenon. These models can be used to investigate aspects of health/disease or young/old subjects and, by varying their parameter sets, it is possible to explore a broad range of plausible scenarios under which the experimentally observed phenomena are replicated. This project deals with the study of the neuromuscular system by mathematical modeling and computer simulations, applied to the triceps surae and the first dorsal interosseus (two of the most experimentally and theoretically studied muscles). The principal focus is on isometric contractions (i.e., fixed joint angle) and the study of the organization of the motor nucleus (anatomical and physiological aspects) receiving inputs from premotoneuronal pathways. The study analyzes how different patterns of organization result in experimentally observed aspects of muscle force. Initially, an existing simulator of the neuromuscular system (ReMoto) was broadly extended to include new models and a friendly interface. The extended model was used to investigate the influence of muscle stiffness on the reflex responses in the ankle joint. Next, a new motoneuron pool mathematical model was developed based on known biophysics. Finally, this model was integrated with models of pre-motoneuronal neurons estabilishing synapses with motoneurons and of muscle force generation in order to represent isometric force generation in young and old adults.

A Esclerose Lateral Amiotrófica (ELA) é uma doença progressiva caracterizada pela perda de neurônios motores levando rapidamente os pacientes à morte. Os mecanismos da morte neuronal são desconhecidos e estudos recentes indicam que a microglia pode participar deste processo. Para investigar o papel da microglia na ELA, camundongos transgênicos SOD1G93A foram utilizados na avaliação da morte e do trofismo neuronal em sistemas de co-culturas neurônio/microglia e do efeito do meio condicionado microglial sob os neurônios motores. Ambas as células foram extraídas da medula espinal de camundongos transgênicos (TG) e wild type (WT). A microglia foi obtida dos animais neonatos e adultos na fase pré-clínica da doença. Os neurônios extraídos de neonatos foram marcados com reagente específico para morte neuronal e seus prolongamentos foram quantificados em contraste de fase por métodos estereológicos específicos. A expressão gênica de moléculas candidatas à participação do processo neurodegenerativo relacionadas com a microglia foi quantificada pelo PCR em tempo real, assim como a quantidade de moléculas secretadas no meio condicionado das culturas microgliais dosada pelo ELISA sanduíche. O meio condicionado da microglia TG neonatal não foi capaz de acentuar a morte neuronal, entretanto a neurodegeneração foi potenciada nas análises das co-culturas. Interessantemente, o meio condicionado das microglias WT provenientes de animais adultos foram capazes de aumentar os prolongamentos neuronais feito não observado em relação às microglias TG. Quantidades aumentadas do fator de necrose tumoral ?, interleucina-6 e fator de crescimento derivado do nervo foram quantificadas no meio condicionado das microglias TG. A microglia TG neonatal apresentou dimuição na expressão gênica de AKAP13, HIPK3, UBE2I E NTF5. Esses achados precoces sugerem perda de migração microglial, perda de resistência à apoptose, desbalanço entre proliferação e morte celular e diminuição do suporte trófico neuronal. Em conjunto, os resultados evidenciam a participação da microglia nos mecanismos da ELA / Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a progressive degenerative disorder affecting motoneurons and leading the patient to death.The cause of motor neurons degeneration in ALS is uncertain and there is any treatment able to prolong the patient life. Recent studies show that microglia could participate of the process of ALS degeneration. Its activation is linked to the disbalance of neuroprotective and neurotoxic action. To investigate the microglia role in ALS, SOD1G93A transgenic mice that develop symptoms similar to the clinical disease were used. We evaluated the neuronal death and trophism in microglia/neuron co-cultures system and in microglial conditioned medium effect under the neurons. Neurons and microglia were extracted from transgenicor wild type mice spinal cord. Microglia was obtained from 1 day pos natal pups and adult onset of disease mice. Cells were stained with a specific marker to neuronal death. Neuronal extensions area and neuronal death was quantified by stereological method. The genic expression of candidate molecules related to degeneration in ALS was quantified by real time PCR and the release of some molecules were quantified by ELISA sandwich. Results showed that maybe transgenic neonatal microglia is not able to increase the neuronal death through releasing molecules in its conditionated medium, on the other hand when transgenic microglia was co-cultured with any kind of neuron, neuronal death was observed. Microglia from adult transgenic mice was not able to promote a neuroprotection compared to wild type in co-culture and conditionated medium experiments. In addition to this, was observed increased tumor necrosis factor alpha, interleukin 6 and nerve growth factor secretion by transgenic microglia. Neonatal transgenic microglia also exhibited reduced genic expression of AKAP13, HIPK3, UBE2I and NTF5. These findings at an early stage suggest a lost of migration potential, lost of apoptosis resistance, disbalance of proliferation and cell death and reduction of neuronal trophic support. So together, these data indicate the involvement of microglia in ALS mechanisms

Orientador: Francesco Langone / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-06T21:22:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rogerio_Fabio_D.pdf: 6070171 bytes, checksum: 09dbd001354ef5fc115682fa346982ee (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Morte neuronal pode ser induzida em ratos neonatos por axotomia periférica. A privação de fatores tróficos sintetizados por células alvo seria uma importante causa, pois favoreceria a ocorrência de estresse oxidativo. No presente estudo, ratos com dois dias de vida (P2) foram submetidos a secção unilateral do ciático, tratados diariamente com o antioxidante melatonina e sacrificados entre P2 e P7, período em que ocorre maior perda celular. Na intumescência lombar, foram avaliadas a expressão e distribuição tecidual das isoformas 1 e 2 da superóxido dismutase (SODI e 2), das isoformas neuronal (nNOS), endotelial (eNOS) e induzível (iNOS) da óxido nítrico sintase (NOS) e da Bax e Bcl-2 (indutora e supressora da morte celular, respectivamente). Também foram investigadas a atividade da NOS e fragmentação de DNA. Cinco dias depois da lesão, a axotomia determinou perda de 55% dos motoneurônios. Após o mesmo período, o tratamento com melatonina garantiu a sobrevivência de 75% dos neurônios acometidos. Um dia depois da axotomia, a expressão da SODI foi reduzida em 25% nos ratos lesados. Por outro lado, a administração de melatonina aumentou a síntese desta enzima em 25%. A axotomia elevou a atividade da nNOS e eNOS 1 e 6 horas após a lesão. A melatonina aumentou a atividade da nNOS e eNOS e diminuiu a da iNOS no terceiro dia. Os níveis de mRNA e de células positivas para Bax e a ocorrência de quebra de DNA aumentaram no primeiro dia. Esta última foi reduzida pelo tratamento com melatonina. A axotomia não alterou a expressão e imunomarcação para iNOS e para Bcl-2, nem aumentou a imunorreatividade para Bax em motoneurônios. O efeito neuroprotetor e antioxidante da melatonina no presente modelo experimental suporta sua investigação em alterações neurológicas associadas com estresse oxidativo / Abstract: Neuronal death may be induced in neonatal rats by peripheral axotomy. Deprivation of trophic factor produced by target cells would play a role, since it would favor oxidative stress. In the present study, rats at an age of two days postnatally (P2) were subjected to unilateral sciatic transection, daily treatment with the antioxidant melatonin and sacrificed at time points ranging from P2 to P7, when the majority of the axotomised cells is 10s1. Expression and immunohistochemical detection of superoxide dismutase isoforms 1 and 2 (SOD 1 and 2) were investigated in the lumbar enlargement. Neuronal (nNOS), endothelial (eNOS) and inducible (iNOS) isoforms of nitric oxide synthase (NOS) and Bax and Bcl-2 (cell death promoter and suppressor, respectively) were also evaluated. Finally, NOS activity and DNA fragmentation were assessed. Five days after lesion, 55% of the axotomised motoneurons died. Melatonin rescued 75% ofthe injured motoneurons. On the first day, SODl expression was reduced by 25% in axotomised rats, whereas melatonin administration yielded an increase of 25% in such expression. nNOS and eNOS activity rose at 1 and 6 hours after lesion. Melatonin increased nNOS and eNOS activity and reduced iNOS catalytic rate on the third day. Bax mRNA levels, number of Bax-positive cells and DNA fragmentation augmented on the first day. The latter was decreased by melatonin. Axotomy did not alter immunostaining for and expression of iNOS and Bcl-2. In addition, the injury did not induce Bax expression in motoneurons. The neuroprotective and antioxidant effect of melatonin in the present experimental model support the investigation of this neurohormone in neurological diseases associated with oxidative stress / Doutorado / Fisiologia / Doutor em Biologia Funcional e Molecular

Orientador: Alexandre Leite Rodrigues de Oliveira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-07T06:59:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Emirandetti_Amanda_M.pdf: 4129268 bytes, checksum: 6b46598f867a92cb0663cb6e4cabb3ae (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Astrócitos são elementos fundamentais para o funcionamento normal do sistema nervoso central (SNC). Estas células exibem inúmeras funções, podendo modular a excitabilidade neural e a transmissão de impulsos nervosos através de seus processos lamelares finos que se localizam nas adjacências das sinapses. Todavia, astrócitos também podem desempenhar funções na integridade da fisiologia do sistema nervoso (SN) após uma lesão. A astrogliose após lesão nervosa é caracterizada pela hiperplasia e hipertrofia do corpo celular e dos processos astrocitários, os quais bloqueiam a regeneração axonal. No entanto, a reatividade astrocitária também possui aspectos positivos, como a produção de fatores neurotróficos. Apesar de a plasticidade sináptica após lesão seja um fenômeno conhecido, os mecanismos envolvidos em tal evento ainda permanecem desconhecidos. Nesse sentido, células gliais, especialmente astrócitos, podem exibir importantes papéis nos processos de mudança do SN, influenciando a retração dos terminais sinápticos tanto quanto promovendo um ambiente peri-sináptico propício, afetando o reestabelecimento dos botões que foram retraídos. Nesse trabalho, estudou-se a resposta astrocitária após a axotomia em camundongos das linhagens C57BL/6J, Balb/cJ e A/J, utilizando-se técnicas de imunofluorescência, microscopia eletrônica de transmissão e cultura celular. Nesse sentido, foram apresentadas evidências de que camundongos das linhagens isogênicas C57BL/6J, Balb/cJ e A/J exibem diferentes intensidades de reatividade astrocitária após lesão periférica in vivo, sendo estas diferenças significativas entre A/J (3,87 ± 0,07, média ± erro padrão, GFAP e 3,76 ± 0,16, ezrina) e C57BL/6J (2,35 ± 0,024, p<0,0001; GFAP e 2,69 ± 0,26, ezrina, p<0,001). Ainda, astrócitos derivados de córtices de camundongos cultivados in vitro exibiram diferença significativa na imunomarcação com anti-GFAP e anti-ezrina entre as linhagens A/J (22,60 ± 1,63, média ± erro padrão, GFAP e 18,47 ± 1,31, ezrina) e C57BL/6J (13.22 ± 1,80; p<0,001, GFAP, 13,95 ± 1,16, ezrina p<0,05). Adicionalmente, a astrogliose nas adjacências dos motoneurônios axotomizados foi menor em animais C57BL/6J quando comparado com A/J, sugerindo que a diferença da reatividade astrocitária possui influência direta na sinaptogênese in vitro. Ainda, a análise estrutural quantitativa indicou maior retração sináptica nas linhagens A/J e Balb/cJ em relação ao C57BL/6J, uma semana após a transecção do nervo isquiático. Nossos resultados demonstram que o aumento da astrogliose pode influenciar o grau de plasticidade sináptica na medula espinhal, que possivelmente influencia a regeneração axonal dos motoneurônios lesionados / Abstract: Astrocytes are of major importance for normal functioning of the central nervous system (CNS). These cells have been shown to play a large number of different functions in the brain. They can modulate the neural excitability and signal transmission by their thin lamellar process surrounding synapses. Moreover, astrocytes play a major role in preserving and restoring structural and physiological integrity following injury to the CNS. Astrogliosis is characterized by hyperplasia and hypertrophy of cell bodies and processes, which has been considered to block axonal regeneration, but reactiveness of glial cells at the lesion site has also positive aspects, such as the production of neurotrophic factors. Although synaptic plasticity is a widespread phenomenon, the underlying mechanisms leading to its occurrence are virtually unknown. In this sense, glial cells, especially astrocytes, may have a role in network changes of the nervous system, influencing the retraction of boutons as well as providing a proper perisynaptic environment, thereby affecting the replacement of inputs. In the present work, we have studied the astrocytic response after axotomy in C57BL/6J, Balb/cJ and A/J mice, using immunofluorescence, transmission electron microscopy and cell cultures techniques. In this sense, we present evidence that A/J, Balb/cJ and C57BL/6J isogenic mice display different astrocyte reactivity after a peripheral lesion in vivo (A/J; 3.87 ± 0.07- GFAP and 3.76 ± 0.16 ¿ezrin / C57BL/6J; 2.35 ± 0.024 - GFAP, p<0.0001 and 2.69 ± 0.26 - ezrin, p<0.001). Further, astrocytes from mice cortices were isolated and expanded in vitro, showing a significant difference in GFAP and ezrin labeling between AJ (22.60 ± 1.63 - GFAP and 18.47 ± 1.31 - ezrin) and C57BL/6J mice (13.22 ± 1.80 ¿ GFAP, p<0.001 and 13.95 ± 1.16 ¿ ezrin, p<0.05). Also, astrogliosis surrounding axotomized motoneurons C57BL/6J is lower than A/J mice and such a difference has a direct influence on in vitro synaptogenesis. Indeed, ultrastructural quantitative analysis showed more intense synaptic detachment in A/J and Balb/cJ strains after sciatic nerve transection than in C57BL/6J mice. Our findings demonstrate that an increased astrogliosis influences the degree of synaptic plasticity in the spinal cord, which may in turn contribute to the axonal regeneration of lesioned motoneurons / Mestrado / Anatomia / Mestre em Biologia Celular e Estrutural

Orientador: Claudio Antonio Barbosa de Toledo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-09T19:38:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santana_RenatoFigueiredode_M.pdf: 3137636 bytes, checksum: bfb0cb5b3693de7bf1e46cd7ce5de3db (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Glutamato, um dos principais neurotransmissores excitatórios do sistema nervoso central participa do tráfego de informação neural nos núcleos de base de aves e mamíferos através de receptores ionotrópicos do tipo AMPA. Investigamos a variação da expressão das subunidades que compõem esse receptor em áreas motoras telencefálicas do encéfalo de pombos (C. lívia) em diferentes idades: do nascimento até 10 dias de vida e na idade adulta. As aves foram perfundidas e seus cérebros foram processados por imunohistoquímica usando anticorpos contras as subunidades GluR1 e GluR4 e contra um epítopo comum às subunidades GluR2 e GluR3 (GluR2/3); além disso, anticorpos contra proteínas ligantes de cálcio foram utilizados como marcadores. O globo pálido (GP) apresentou marcação crescente de neurônios GluR1+ durante os primeiros dias de vida, atingindo pico em P3, decaindo em seguida e sendo novamente expresso na fase adulta. A expressão de GluR2/3 mostrou-se relativamente estável no GP durante os primeiros dias de vida, mas decaiu após P3. Células expressando GluR4 foram principalmente evidentes entre P3 e P7 no GP. Com relação ao corpo estriado, a neurópila estriatal foi intensamente marcada para GluR1 e GluR2/3, contrastando com a pobre marcação de neurópila apresentada pelo globo pálido. Nos diferentes estágios de desenvolvimento a neurópila estriatal foi pobre em GluR4. O número de células GluR1+ no corpo estriado mostrou pico máximo em P5 e o de GluR2/3+ foi crescente ao longo das idades. A região lateral do estriado lateral indicou marcação semelhante à região central em todas as idades, com padrão estável de crescimento para GluR2/3, um pico em P5 para GluR1 e escassa presença de marcação GluR4+ em todas as idades. O número de células PV+ decai durante o desenvolvimento e CB foi expressa nos gânglios da base somente na fase adulta. Nossos resultados indicam que subunidades do receptor de glutamato do tipo AMPA são diferencialmente expressas durante o crescimento pós-natal. Estas alterações podem estar relacionadas com mudanças funcionais que conduzem à estruturação final da circuitaria sináptica envolvida nas respostas motoras desta espécie, cujo desenvolvimento até o estágio de auto-suficiência depende dessa habilidade / Abstract: AMPA-type glutamate receptors mediate the responses of neurons of the striatal part of the basal ganglia to excitatory cortical input in both birds and mammals. We have investigated the maturation of the expression of the four AMPA receptor subunits in 42 pigeons (C. livia) at different stages, from hatching (P0) to 1, 3, 5, 7, or 10 days posthatch (P1-10), to adulthood. Pigeons are altricial, become relatively mobile by 12 days, and independent by one month. The birds were perfused and their brains processed by standard immunolabeling using antibodies against the GluR1 or GluR4 subunits, or against an epitope common to both GluR2 and GluR3 (GluR2/3) subunits. Antibodies against calcium binding proteins parvalbumin (PV) and calbindin (CB) were used as neuronal marker. Globus pallidus at P0 showed labeling in neurons for GluR1 and GluR2/3, which reached its peak at P3. The GluR1 perikaryal labeling in globus pallidus decreased after P5, but was labeling another time at adulthood. GluR2/3 remained stable into early age, but decrease after P3. The perikarya of globus pallidus and their processes were also labeled for GluR4 at P0, and GluR4 cells GluR4+ was peak between P3 and P7. PV was decrease during the development. CB was expressed in basal ganglia only at adulthood. At P0, the striatal neuropil was intensely (though diffusely) labeled for GluR1 and GluR2/3, which contrasted distinctly with the poor neuropil labeling for both in globus pallidus. GluR1+ was peak at P5 and GluR2/3 increase during the time. At all stages, the striatal neuropil immunolabeling was poor for GluR4, although neurons were labeled for GluR4. GluR4 was peak at P7. PV was peak at adult age. The labeling of GluR2/3 in lateral region of lateral striatun was similar to central region, but GluR1+ was increase by ages. Our results indicate that AMPA receptor subunits was expressed differentially at the development post-hatching. This may support maturational changes that facilitate the motor development of this altricial species / Mestrado / Fisiologia / Mestre em Biologia Funcional e Molecular

A Esclerose Lateral Amiotrófica (ELA) é uma doença progressiva caracterizada pela perda de neurônios motores levando rapidamente os pacientes à morte. Os mecanismos da morte neuronal são desconhecidos e estudos recentes indicam que a microglia pode participar deste processo. Para investigar o papel da microglia na ELA, camundongos transgênicos SOD1G93A foram utilizados na avaliação da morte e do trofismo neuronal em sistemas de co-culturas neurônio/microglia e do efeito do meio condicionado microglial sob os neurônios motores. Ambas as células foram extraídas da medula espinal de camundongos transgênicos (TG) e wild type (WT). A microglia foi obtida dos animais neonatos e adultos na fase pré-clínica da doença. Os neurônios extraídos de neonatos foram marcados com reagente específico para morte neuronal e seus prolongamentos foram quantificados em contraste de fase por métodos estereológicos específicos. A expressão gênica de moléculas candidatas à participação do processo neurodegenerativo relacionadas com a microglia foi quantificada pelo PCR em tempo real, assim como a quantidade de moléculas secretadas no meio condicionado das culturas microgliais dosada pelo ELISA sanduíche. O meio condicionado da microglia TG neonatal não foi capaz de acentuar a morte neuronal, entretanto a neurodegeneração foi potenciada nas análises das co-culturas. Interessantemente, o meio condicionado das microglias WT provenientes de animais adultos foram capazes de aumentar os prolongamentos neuronais feito não observado em relação às microglias TG. Quantidades aumentadas do fator de necrose tumoral ?, interleucina-6 e fator de crescimento derivado do nervo foram quantificadas no meio condicionado das microglias TG. A microglia TG neonatal apresentou dimuição na expressão gênica de AKAP13, HIPK3, UBE2I E NTF5. Esses achados precoces sugerem perda de migração microglial, perda de resistência à apoptose, desbalanço entre proliferação e morte celular e diminuição do suporte trófico neuronal. Em conjunto, os resultados evidenciam a participação da microglia nos mecanismos da ELA / Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a progressive degenerative disorder affecting motoneurons and leading the patient to death.The cause of motor neurons degeneration in ALS is uncertain and there is any treatment able to prolong the patient life. Recent studies show that microglia could participate of the process of ALS degeneration. Its activation is linked to the disbalance of neuroprotective and neurotoxic action. To investigate the microglia role in ALS, SOD1G93A transgenic mice that develop symptoms similar to the clinical disease were used. We evaluated the neuronal death and trophism in microglia/neuron co-cultures system and in microglial conditioned medium effect under the neurons. Neurons and microglia were extracted from transgenicor wild type mice spinal cord. Microglia was obtained from 1 day pos natal pups and adult onset of disease mice. Cells were stained with a specific marker to neuronal death. Neuronal extensions area and neuronal death was quantified by stereological method. The genic expression of candidate molecules related to degeneration in ALS was quantified by real time PCR and the release of some molecules were quantified by ELISA sandwich. Results showed that maybe transgenic neonatal microglia is not able to increase the neuronal death through releasing molecules in its conditionated medium, on the other hand when transgenic microglia was co-cultured with any kind of neuron, neuronal death was observed. Microglia from adult transgenic mice was not able to promote a neuroprotection compared to wild type in co-culture and conditionated medium experiments. In addition to this, was observed increased tumor necrosis factor alpha, interleukin 6 and nerve growth factor secretion by transgenic microglia. Neonatal transgenic microglia also exhibited reduced genic expression of AKAP13, HIPK3, UBE2I and NTF5. These findings at an early stage suggest a lost of migration potential, lost of apoptosis resistance, disbalance of proliferation and cell death and reduction of neuronal trophic support. So together, these data indicate the involvement of microglia in ALS mechanisms