Esta tese refere-se a pesquisa cujo o principal objetivo foi estudar os efeitos da sinalização elétrica sobre parâmetros fisiológicos de trocas gasosas e fluorescência da clorofila, bem como caracterizar e identificar rotas de propagação de sinais elétricos desencadeados por estímulos de queima em plantas de girassol. Os resultados obtidos a partir deste estudo demonstram que os sinais elétricos desencadeados por estímulo de queima podem ser classificados como potenciais de variação (PV). Estes sinais apresentaram maior facilidade de propagação no eixo vertical da planta atingindo folhas intactas que provavelmente possuem conexão vascular com a folha de estímulo. Apresentaram maior número de eventos de propagação na direção acrópeta da planta e foram incapazes de propagar-se lateralmente não atingindo folhas opostas à de estímulo. Nas folhas opostas onde não houve propagação de PVs foi registrada a ocorrência de hiperpolarização de membranas característica de potencial sistêmico (PS). Quanto aos efeitos fisiológicos do PV, observou-se que este promoveu redução na assimilação líquida de CO2 (A) que provavelmente está relacionada a inativação da fase não fotoquímica da fotossíntese, uma vez que, esteve acompanhada de queda da dissipação fotoquímica dos fotossistemas (qP) e da taxa de transporte de elétrons (ETR). Embora tenha sido registrada alterações na condutância estomática (gs), na concentração intercelular de CO2 (Ci), elevação da dissipação não fotoquímica (qN) e queda na eficiência quântica efetiva do fotossistema II (ΦFSII), estes não foram responsáveis pela queda de A, uma vez que, foram registrados posteriormente a sua redução. / This thesis mainly aimed to study the effects of electrical signaling on physiological parameters of gas exchange and chlorophyll fluorescence, and to characterize and identify route propagation of electrical signals triggered by burning stimuli in sunflower plants. The results from this study demonstrate that the electrical signals triggered by burning stimulus can be classified as variation potentials (VP). These signals showed greater ease of propagation in the vertical axis of the plant, reaching intact leaves that are likely to have vascular connection with the stimulus leaf. They presented greater ease of propagation in acropetal direction of the plant and are unable to spread laterally, not reaching leaves opposed to the stimulus. On opposed leaves, where there was no VPs propagation, it was recorded the occurrence of membrane hyperpolarization of systemic potential (PS). Concerning the physiological effects of PV, it was observed that this promoted a reduction in the liquid CO2 assimilation (A) which is probably related to the inactivation of non-photochemical phase of the photosynthesis, since it was accompanied by the decrease of the photochemical dissipation of the photosystems (qP) and the electron transport rate (ETR). Although changes were recorded in stomatal conductance (gs), CO2 intercellular concentration (Ci), increase of nonphotochemical dissipation (qN) and a decrease in the effective quantum efficiency of the photosystem II (Φ FSII) were not responsible for the A fall, since its reduction was subsequently reported.

Uma propriedade fundamental dos seres vivos é a condução de sinais elétricos através de seus tecidos. Mas esse fato pouco é lembrado quando se trata de organismos vegetais. Outro item fundamental é a geração de sinais que possam transmitir informações entre os tecidos e órgãos para um ajuste fino do metabolismo. Nas plantas esses sinais podem ser de natureza química, hidráulica e elétrica. Nesse último caso são conhecidos potenciais de ação (PA), de variação (PV), de ferimentos (WP) e sistêmicos (SP), cada um com sua particularidade quanto à amplitude, velocidade e rotas de propagação, bem como seu papel no metabolismo. Os sinais elétricos podem afetar a respiração, fotossíntese, absorção de água, ativação de genes e fechamento de folhas de plantas insetívoras. PAs podem se propagar com velocidade relativamente constante e sem decréscimo. Eles seguem a lei do tudo-ou-nada, ou seja, todo estímulo que desencadeia um PA deve atingir um limiar de excitação para desencadear o sinal. Assim que o limiar é atingido o sinal se autoperpetua ao passo que estímulos supra limiares desencadeiam PAs de amplitude constante. A via de propagação do PA é o vaso do floema. O objetivo do presente trabalho foi avaliar a sinalização elétrica em resposta à irrigação em plantas de girassol sob déficit hídrico e caracterizar esse sinal quanto à amplitude, duração, velocidade e direção de propagação. Para tanto 37 plantas foram avaliadas por meio de eletrodos extracelulares. Elas foram monitoras eletrofisiologicamente durante um período em que eram irrigadas e em um período sob déficit hídrico. Desse montante, onze responderam à irrigação pela geração de potenciais de ação (PA), ou seja, 30% delas. Oito delas geraram PAs em direção ao ápice (propagação acrópeta) enquanto duas geraram na direção basípeta. Uma delas gerou nos dois sentidos. O PA foi gerado também pós-irrigação mesmo com a planta não tendo passado por déficit hídrico, porém só aconteceu em uma das onze plantas. Os sinais se propagaram no caule, pecíolo e nervura central das folhas. O potencial de ação é gerado após irrigação em plantas de girassol com maior frequência quando elas passam por período de déficit hídrico e se propagam por toda a planta. Isso evidencia o papel do PA na sinalização de longa distância nos vegetais. / A fundamental property in the leaving beings is the conduction of electrical signals through their tissues. However, this fact is not always remembered when it comes to plant organisms. Another key process is the generation of signals that can transmit information among tissues and organs to a fine-tuning of the metabolism. In plants, these signals can be chemical, hydraulic and electrical. Concerning the last one, action potentials (AP), variation potentials (VP), wound potentials (WP) and system potentials (SP) are known; each one with its particularity regarding amplitude, velocity and propagation routes as well as its role in metabolism. The electrical signals may affect respiration, photosynthesis, water uptake, activation of genes and leaf closure in insectivorous plants. APs can spread with relatively constant speed and no decrement. They follow the all-or-nothing law, in another words, every stimulus that triggers an AP must reach a threshold to trigger the signal. Once the threshold is reached, the signal is self-perpetuating while stimuli above threshold trigger APs with constant amplitude. The propagation path of the AP is the phloem vessel. The aim of this work was to evaluate the electrical signaling in response to irrigation in sunflower plants under water deficit and characterize the AP regarding its amplitude, duration, velocity and propagation direction. Thirty seven plants were analyzed using extracellular electrodes. They were electrophysiologically monitored during a period when irrigated and in a period under drought. Eleven plants generated AP after irrigation, i.e. 30%. Eight of them generated AP that propagated acropetally while two generated in basipetal direction. One generated in both directions. The action potential was also generated in a plant that was not under drought stress, however it just happened in one of the eleven plants. The signals propagated in the stem, petiole and midrib of the leaves. The action potential is generated after irrigation in sunflower plants more frequently when they go through a period of water deficit and propagate throughout the plant. This highlights the role of AP in long-distance signaling in plants.

Esta tese refere-se a pesquisa cujo o principal objetivo foi estudar os efeitos da sinalização elétrica sobre parâmetros fisiológicos de trocas gasosas e fluorescência da clorofila, bem como caracterizar e identificar rotas de propagação de sinais elétricos desencadeados por estímulos de queima em plantas de girassol. Os resultados obtidos a partir deste estudo demonstram que os sinais elétricos desencadeados por estímulo de queima podem ser classificados como potenciais de variação (PV). Estes sinais apresentaram maior facilidade de propagação no eixo vertical da planta atingindo folhas intactas que provavelmente possuem conexão vascular com a folha de estímulo. Apresentaram maior número de eventos de propagação na direção acrópeta da planta e foram incapazes de propagar-se lateralmente não atingindo folhas opostas à de estímulo. Nas folhas opostas onde não houve propagação de PVs foi registrada a ocorrência de hiperpolarização de membranas característica de potencial sistêmico (PS). Quanto aos efeitos fisiológicos do PV, observou-se que este promoveu redução na assimilação líquida de CO2 (A) que provavelmente está relacionada a inativação da fase não fotoquímica da fotossíntese, uma vez que, esteve acompanhada de queda da dissipação fotoquímica dos fotossistemas (qP) e da taxa de transporte de elétrons (ETR). Embora tenha sido registrada alterações na condutância estomática (gs), na concentração intercelular de CO2 (Ci), elevação da dissipação não fotoquímica (qN) e queda na eficiência quântica efetiva do fotossistema II (ΦFSII), estes não foram responsáveis pela queda de A, uma vez que, foram registrados posteriormente a sua redução. / This thesis mainly aimed to study the effects of electrical signaling on physiological parameters of gas exchange and chlorophyll fluorescence, and to characterize and identify route propagation of electrical signals triggered by burning stimuli in sunflower plants. The results from this study demonstrate that the electrical signals triggered by burning stimulus can be classified as variation potentials (VP). These signals showed greater ease of propagation in the vertical axis of the plant, reaching intact leaves that are likely to have vascular connection with the stimulus leaf. They presented greater ease of propagation in acropetal direction of the plant and are unable to spread laterally, not reaching leaves opposed to the stimulus. On opposed leaves, where there was no VPs propagation, it was recorded the occurrence of membrane hyperpolarization of systemic potential (PS). Concerning the physiological effects of PV, it was observed that this promoted a reduction in the liquid CO2 assimilation (A) which is probably related to the inactivation of non-photochemical phase of the photosynthesis, since it was accompanied by the decrease of the photochemical dissipation of the photosystems (qP) and the electron transport rate (ETR). Although changes were recorded in stomatal conductance (gs), CO2 intercellular concentration (Ci), increase of nonphotochemical dissipation (qN) and a decrease in the effective quantum efficiency of the photosystem II (Φ FSII) were not responsible for the A fall, since its reduction was subsequently reported.

Uma propriedade fundamental dos seres vivos é a condução de sinais elétricos através de seus tecidos. Mas esse fato pouco é lembrado quando se trata de organismos vegetais. Outro item fundamental é a geração de sinais que possam transmitir informações entre os tecidos e órgãos para um ajuste fino do metabolismo. Nas plantas esses sinais podem ser de natureza química, hidráulica e elétrica. Nesse último caso são conhecidos potenciais de ação (PA), de variação (PV), de ferimentos (WP) e sistêmicos (SP), cada um com sua particularidade quanto à amplitude, velocidade e rotas de propagação, bem como seu papel no metabolismo. Os sinais elétricos podem afetar a respiração, fotossíntese, absorção de água, ativação de genes e fechamento de folhas de plantas insetívoras. PAs podem se propagar com velocidade relativamente constante e sem decréscimo. Eles seguem a lei do tudo-ou-nada, ou seja, todo estímulo que desencadeia um PA deve atingir um limiar de excitação para desencadear o sinal. Assim que o limiar é atingido o sinal se autoperpetua ao passo que estímulos supra limiares desencadeiam PAs de amplitude constante. A via de propagação do PA é o vaso do floema. O objetivo do presente trabalho foi avaliar a sinalização elétrica em resposta à irrigação em plantas de girassol sob déficit hídrico e caracterizar esse sinal quanto à amplitude, duração, velocidade e direção de propagação. Para tanto 37 plantas foram avaliadas por meio de eletrodos extracelulares. Elas foram monitoras eletrofisiologicamente durante um período em que eram irrigadas e em um período sob déficit hídrico. Desse montante, onze responderam à irrigação pela geração de potenciais de ação (PA), ou seja, 30% delas. Oito delas geraram PAs em direção ao ápice (propagação acrópeta) enquanto duas geraram na direção basípeta. Uma delas gerou nos dois sentidos. O PA foi gerado também pós-irrigação mesmo com a planta não tendo passado por déficit hídrico, porém só aconteceu em uma das onze plantas. Os sinais se propagaram no caule, pecíolo e nervura central das folhas. O potencial de ação é gerado após irrigação em plantas de girassol com maior frequência quando elas passam por período de déficit hídrico e se propagam por toda a planta. Isso evidencia o papel do PA na sinalização de longa distância nos vegetais. / A fundamental property in the leaving beings is the conduction of electrical signals through their tissues. However, this fact is not always remembered when it comes to plant organisms. Another key process is the generation of signals that can transmit information among tissues and organs to a fine-tuning of the metabolism. In plants, these signals can be chemical, hydraulic and electrical. Concerning the last one, action potentials (AP), variation potentials (VP), wound potentials (WP) and system potentials (SP) are known; each one with its particularity regarding amplitude, velocity and propagation routes as well as its role in metabolism. The electrical signals may affect respiration, photosynthesis, water uptake, activation of genes and leaf closure in insectivorous plants. APs can spread with relatively constant speed and no decrement. They follow the all-or-nothing law, in another words, every stimulus that triggers an AP must reach a threshold to trigger the signal. Once the threshold is reached, the signal is self-perpetuating while stimuli above threshold trigger APs with constant amplitude. The propagation path of the AP is the phloem vessel. The aim of this work was to evaluate the electrical signaling in response to irrigation in sunflower plants under water deficit and characterize the AP regarding its amplitude, duration, velocity and propagation direction. Thirty seven plants were analyzed using extracellular electrodes. They were electrophysiologically monitored during a period when irrigated and in a period under drought. Eleven plants generated AP after irrigation, i.e. 30%. Eight of them generated AP that propagated acropetally while two generated in basipetal direction. One generated in both directions. The action potential was also generated in a plant that was not under drought stress, however it just happened in one of the eleven plants. The signals propagated in the stem, petiole and midrib of the leaves. The action potential is generated after irrigation in sunflower plants more frequently when they go through a period of water deficit and propagate throughout the plant. This highlights the role of AP in long-distance signaling in plants.

Submitted by Leonardo Cavalcante (leo.ocavalcante@gmail.com) on 2018-07-17T18:53:07Z No. of bitstreams: 1 Arquivototal.pdf: 3232624 bytes, checksum: 559aa25bbe9205467b3fdd737354219e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-17T18:53:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Arquivototal.pdf: 3232624 bytes, checksum: 559aa25bbe9205467b3fdd737354219e (MD5) Previous issue date: 2016-02-29 / The high incidence of pain in the general population has encouraged research about this theme. Products derived from plant species have been widely used in the pharmacological treatment of pain relief. Recent studies have reported the important role of monoterpenes, active compounds found in the essential oils of aromatic plants, having relevant analgesic and anti-inflammatory potential. The geraniol (GER) is a monoterpenic alcohol, found in >160 essential oil of plant species, especially Cymbopogon gender. In the literature consulted, several biochemical and pharmacological properties are shown of GER: antitumor, antimicrobial, antiinflammatory, antioxidant, gastric and intestinal protector, neuroprotective and antiarrhythmic. In this study was evaluated the antinociceptive activity of GER, not yet reported, by animal behavioral and electrophysiological in vitro models. Male and female adult Swiss mice were used. Initially the acute toxicity of GER was investigated by calculating the lethal dose 50 (LD50) by intraperitoneal (i.p.) (= 199.9 mg/kg) and oral (p.o.) (> 1 g/kg). In psychopharmacological screening, after the administration of single doses of GER (i.p. and p.o.), behavioral changes were observed indicating a depressant profile on the central nervous system (CNS) and/or peripheral nervous system (SNP), and relevant antinociceptive effect of geraniol. Therefore, more specific antinociceptive property evaluation tests were performed. The GER (12.5, 25 or 50 mg/kg i.p. and 50 or 200 mg/kg p.o.) decreased (p<0.001) the number of abdominal contractions induced by i.p. injection of acetic acid, when compared with the control. The opioid antagonist naloxone (5 mg/kg) administered subcutaneously (s.c.) in mice, subsequently treated with GER (25 mg/kg i.p.), did not reverse its antinociceptive activity. The GER (12.5, 25 and 50 mg/kg i.p.) reduced (p<0.001) paw licking time in the second phase (15-30 min, inflammatory phase) of the formalin test. Also, in the glutamate test was reduced (p<0.01) paw licking time when GER 50 mg/kg i.p. administered. In a subsequent step, it was investigated the effect of GER on the excitability of peripheral nerve fibers through extracellular recording in the sciatic nerve in mice. The GER presented depressant effect of the compound action potential (CAP), which was reversed after washing and recovery period. The GER blocked components of the CAP concentration-dependent manner and exposure time to the drug: 1 mM after 120 min for the first component (Aγ and Aβ fibers) and 0.6 mM after 90 min for the second (Aγ and Aδ fibers). The concentration, which induces 50% inhibition of the peak-to-peak amplitude of the PAC (IC50) for the GER was calculated, being equal to 0.48±0.04 mM. The conduction velocity was also reduced by exposure to GER from the 0.3 mM concentration, for the 1st component [46.18±2.60 m/s to 36.04±1.60 m/s; p<0.05 (n=7)] and the 2nd component [18.37±1.31 m/s to 12.71±0.56 m/s; p<0.001 (n=7)]. In conclusion, the results obtained show that GER has antinociceptive activity, mainly in pain related to inflammation. Participation of the opioid pathway in its mechanism of action is unlikely, but the modulation of glutamatergic neurotransmission in a dose-dependent manner is a possible mechanism. Its antinociceptive activity is also related to the reduction in peripheral neuronal excitability, firstly in thinner fibers Aδ, which are directly connected to the conduction pain. / A elevada incidência da dor na população em geral tem incentivado as pesquisas entorno desse tema. Produtos oriundos de espécies vegetais têm sido amplamente utilizados no tratamento farmacológico de alívio da dor. Estudos recentes têm relatado o importante papel dos monoterpenos, princípios ativos encontrados nos óleos essenciais de plantas aromáticas, tendo relevante potencial analgésico e anti-inflamatório. O geraniol (GER) é um álcool monoterpênico, encontrado no óleo essencial de >160 espécies vegetais, especialmente do gênero Cymbopogon. Na literatura consultada, pesquisas apontam várias propriedades bioquímicas e farmacológicas para o GER: antitumoral, antimicrobiana, anti-inflamatória, antioxidante, de proteção gástrica e intestinal, neuroprotetora e antiarrítmica. Neste estudo foi avaliada a atividade antinociceptiva do GER, ainda não relatada, mediante modelos animais comportamentais e eletrofisiológicos in vitro. Foram utilizados camundongos machos e fêmeas Swiss adultos. Inicialmente, foi investigada a toxicidade aguda do GER mediante cálculo da dose letal 50 (DL50) pela via intraperitoneal (i.p.) (=199,9 mg/kg) e oral (v.o.) (>1 g/kg). Na triagem psicofarmacológica, após a subministração de doses únicas de GER (i.p. e v.o.) foram observadas alterações comportamentais que indicaram perfil depressor do sistema nervoso central (SNC) e/ou periférico (SNP), e relevante efeito antinociceptivo do geraniol. Portanto, foram realizados testes comportamentais de avaliação de propriedade antinociceptiva mais específicos. O GER (12,5; 25 e 50 mg/kg i.p. e 50 ou 200 mg/kg v.o.) reduziu (p<0,001) o número de contorções abdominais induzidas por injeção i.p. de ácido acético, quando comparado com o controle. O antagonista opióide naloxona (5 mg/kg) administrado pela via subcutânea (s.c.) em camundongos, subsequentemente tratados com GER (25 mg/kg i.p.), não reverteu sua atividade antinociceptiva. O GER (12,5; 25 e 50 mg/kg i.p.) reduziu (p<0,001) o tempo de lambida da pata na segunda fase (15-30 min, fase inflamatória) do teste da formalina. Também, no teste do glutamato houve redução (p<0,01) do tempo de lambida da pata quando administrado GER 50 mg/kg i.p. Em uma etapa subsequente, investigou-se o efeito do GER sobre a excitabilidade de fibras nervosas periféricas, mediante registro extracelular em nervo ciático de camundongo. O GER apresentou efeito depressor do potencial de ação composto (PAC), o qual foi parcialmente revertido após lavagem durante o período de recuperação. O GER bloqueou as componentes do PAC, de maneira dependente da concentração e do tempo de exposição à droga: 1 mM aos 120 min para a primeira componente (fibras Aγ e Aβ) e 0,6 mM aos 90 min para a segunda (fibras Aγ e Aδ). Foi calculada para o GER, a concentração que induz 50% de inibição da amplitude pico-a-pico do PAC (CI50), sendo igual a 0,48±0,04 mM. A velocidade de condução também, foi reduzida pela exposição ao GER, a partir da concentração de 0,3 mM para a 1ª componente [46,18±2,60 m/s para 36,04±1,60 m/s; p<0,05 (n=7)] e para a 2ª componente [18,37±1,31 m/s para 12,71±0,56 m/s; p<0,001 (n=7)]. Em conclusão, os resultados obtidos mostram que o GER tem atividade antinociceptiva, principalmente na dor relacionada à inflamação. A participação da via opióide no seu mecanismo de ação é pouco provável, mas a modulação da neurotransmissão glutamatérgica de maneira dependente da dose é um mecanismo possível. Sua atividade antinociceptiva tambèm, está relacionada à redução da excitabilidade neuronal periférica, primeiramente de fibras mais finas como Aδ, ligadas diretamente à condução da dor.

Este trabalho apresenta a modelagem matemática e a simulação de potenciais de ação de unidades motoras de músculos de vertebrados visando a posterior simulação do eletromiograma. Para conseguir isso, inicialmente se fez uma compilação de dados existentes para a distribuição das fibras musculares (FBs) nas unidades motoras (MUs) de vários músculos, e as modelagens matemáticas descritos na literatura para o potencial de ação de uma FB (SFAP) e de uma MU (MUAP). Com base nos dados fisiológicos, primeiro se localizou as FBs em um músculo, por meio de uma aproximação de que as FBs estão rodeadas de outras seis no músculo. Para conseguir isto se construiram hexágonos concêntricos por MU, e posteriormente se localizou as FBs nas MUs, cobrindo uma faixa entre 75 e 2000 FBs, o que corresponde a músculos distais de mamíferos. Depois se fez uma aproximação para a distribuição de 170000 FBs nas 272 MUs da cabeça medial do músculo gastrocnêmio (MG) do gato, conseguindo numa primeira simulação localizar cerca de 70% das FBs para cada MU. Com esta localização das FBs no músculo baseados nos dados da literatura se aproximaram os retardos axonais por uma distribuição gaussiana, com média de 2 ms (gato) ou 10 ms (homem) e com desvio padrão de menos de 0,5 ms, desprezando o atraso axonal nas ramificações axonais, que foi estimado no máximo 29 vezes menor. Para a geração do SFAP trabalhou-se com dois modelos, um analítico, o qual resulta em simulações numéricas demoradas, e, outro numérico baseado na convolução da corrente com uma função peso. Para o modelo numérico dobrou-se imaginariamente o comprimento das FBs, para levar em conta o erro computacional de fim de fibra. O modelo numérico resultou em um tempo de simulação 30 vezes menor que o analítico. Adicionalmente, para simular a captação externa (i.e. na pele), fez-se uma aproximação para a função que modela os eletrodos de superfície de secção circular localizados a uma distância maior que 1,79 mm das FBs, mostrando um espectro similar ao reportado na literatura. Finalmente, os MUAPs obtidos resultavam com formas de onda e espectros similares ao descrito na literatura. Além disto, em certos casos, obtiveram-se MUAPs com indentações, seja localizando as junções neuromusculares em bandas da ordem de 1 mm de espessura, seja quando o tempo de atraso axonal foi considerado junto com a velocidade de condução da FB em função da raiz quadrada do diâmetro da FB. Foram feitas simulações para os MG e bíceps braquial do homem. Neste último caso, foram obtidos MUAPs similares aos captados para pessoas saludáveis, e foi observada a freqüência de disparos dos potenciais de ação do motoneurônio no espectro do MUAP. Quanto às formas dos agrupamentos das FBs em uma MU, não se obtiveram diferenças significativas para as FBs posicionadas homogênea e aleatoriamente, exceto uma ligeira variação nas amplitudes. No entanto, ocurreu uma mudança na faixa espectral, quando as FBs estavam concentradas. / This work presents the mathematical model and simulation of motor unit action potentials of vertebrate muscles aiming at after simulation of the electromyogram. To obtain this, initially, it was made a compilation of several data about the distribution of muscle fibers (FBs) in motor units (MUs) of many muscles, and the mathematical models of the action potential of a single FB (SFAP) and MU (MUAP), reported in previous works. On the basis of this physiological data, first, the FB was located in a muscle, using an approximation in which the FBs are encircled with other six FBs in the muscle. To reach this, concentric hexagons were constructed to build the surface of the MU, and later the FBs were situated in the MU, covering a range between 75 and 2000 FBs, corresponding to mammals extremity muscles. Later, a new approximation were was madein order to distribute the 170000 FBs in the 272 MUs of the medial head of muscle medialis gastrocnemius (MG) of the cat, reaching, in a first simulation, the localization of almost 70% of the FBs at each MU. With the FBs lalready allocated in the muscle, and based in data of previous works, their axonal delay were approximated by a gaussian distribution, with mean of 2 ms (cat) or 10 ms (man) and standard deviation of less than 0,5 ms, discarding the axonal delay in the axonal branching, that were estimated to affectup to 29 times less. To SFAP generation, two models were used, the first analytical, resulting in delayed numerical simulations, and the other based on convolution of the second derivate of the current with a weight function, where the length of the FBs was imaginarily duplicated, in order to consider the end fiber effect. Using this, a simulation time 30 times lesser than the analytical one was obtained. Additionally, so as to simulate the external recording (i.e. in the skin), it was made an approximation to the function that models the circular shape surface electrodes located at distances greater than 1,79 mm of the FBs, showing a similar spectrum reported. Finally, the waves and spectrum of the simulated MUAPs resulted similar to the ones reported in the literature. Beyond this, in certain cases, MUAPs were simulated with some tuned, either locating the neuromuscular junctions with thickness bands of 1 mm, or, when the axonal delay and the FB muscle fiber conduction velocity were considered as a function of the square root fiber diameter. This was simulated for MUAPs of MG and biceps brachii muscles of human beings, in the last case it has reached the waveforms and tuned found in heath subjects, and it was visualized the mean frequency of firing rate at the spectrum. In order to know how much affects grouping for the FBs to waves a MU, they were not found significant differences with FBs located homogeneously and randomly, except a little variation in the amplitude of the MUAP. However, they presented a change in the spectral bandwidth when the FBs are more concentrated.

Este trabalho apresenta a modelagem matemática e a simulação de potenciais de ação de unidades motoras de músculos de vertebrados visando a posterior simulação do eletromiograma. Para conseguir isso, inicialmente se fez uma compilação de dados existentes para a distribuição das fibras musculares (FBs) nas unidades motoras (MUs) de vários músculos, e as modelagens matemáticas descritos na literatura para o potencial de ação de uma FB (SFAP) e de uma MU (MUAP). Com base nos dados fisiológicos, primeiro se localizou as FBs em um músculo, por meio de uma aproximação de que as FBs estão rodeadas de outras seis no músculo. Para conseguir isto se construiram hexágonos concêntricos por MU, e posteriormente se localizou as FBs nas MUs, cobrindo uma faixa entre 75 e 2000 FBs, o que corresponde a músculos distais de mamíferos. Depois se fez uma aproximação para a distribuição de 170000 FBs nas 272 MUs da cabeça medial do músculo gastrocnêmio (MG) do gato, conseguindo numa primeira simulação localizar cerca de 70% das FBs para cada MU. Com esta localização das FBs no músculo baseados nos dados da literatura se aproximaram os retardos axonais por uma distribuição gaussiana, com média de 2 ms (gato) ou 10 ms (homem) e com desvio padrão de menos de 0,5 ms, desprezando o atraso axonal nas ramificações axonais, que foi estimado no máximo 29 vezes menor. Para a geração do SFAP trabalhou-se com dois modelos, um analítico, o qual resulta em simulações numéricas demoradas, e, outro numérico baseado na convolução da corrente com uma função peso. Para o modelo numérico dobrou-se imaginariamente o comprimento das FBs, para levar em conta o erro computacional de fim de fibra. O modelo numérico resultou em um tempo de simulação 30 vezes menor que o analítico. Adicionalmente, para simular a captação externa (i.e. na pele), fez-se uma aproximação para a função que modela os eletrodos de superfície de secção circular localizados a uma distância maior que 1,79 mm das FBs, mostrando um espectro similar ao reportado na literatura. Finalmente, os MUAPs obtidos resultavam com formas de onda e espectros similares ao descrito na literatura. Além disto, em certos casos, obtiveram-se MUAPs com indentações, seja localizando as junções neuromusculares em bandas da ordem de 1 mm de espessura, seja quando o tempo de atraso axonal foi considerado junto com a velocidade de condução da FB em função da raiz quadrada do diâmetro da FB. Foram feitas simulações para os MG e bíceps braquial do homem. Neste último caso, foram obtidos MUAPs similares aos captados para pessoas saludáveis, e foi observada a freqüência de disparos dos potenciais de ação do motoneurônio no espectro do MUAP. Quanto às formas dos agrupamentos das FBs em uma MU, não se obtiveram diferenças significativas para as FBs posicionadas homogênea e aleatoriamente, exceto uma ligeira variação nas amplitudes. No entanto, ocurreu uma mudança na faixa espectral, quando as FBs estavam concentradas. / This work presents the mathematical model and simulation of motor unit action potentials of vertebrate muscles aiming at after simulation of the electromyogram. To obtain this, initially, it was made a compilation of several data about the distribution of muscle fibers (FBs) in motor units (MUs) of many muscles, and the mathematical models of the action potential of a single FB (SFAP) and MU (MUAP), reported in previous works. On the basis of this physiological data, first, the FB was located in a muscle, using an approximation in which the FBs are encircled with other six FBs in the muscle. To reach this, concentric hexagons were constructed to build the surface of the MU, and later the FBs were situated in the MU, covering a range between 75 and 2000 FBs, corresponding to mammals extremity muscles. Later, a new approximation were was madein order to distribute the 170000 FBs in the 272 MUs of the medial head of muscle medialis gastrocnemius (MG) of the cat, reaching, in a first simulation, the localization of almost 70% of the FBs at each MU. With the FBs lalready allocated in the muscle, and based in data of previous works, their axonal delay were approximated by a gaussian distribution, with mean of 2 ms (cat) or 10 ms (man) and standard deviation of less than 0,5 ms, discarding the axonal delay in the axonal branching, that were estimated to affectup to 29 times less. To SFAP generation, two models were used, the first analytical, resulting in delayed numerical simulations, and the other based on convolution of the second derivate of the current with a weight function, where the length of the FBs was imaginarily duplicated, in order to consider the end fiber effect. Using this, a simulation time 30 times lesser than the analytical one was obtained. Additionally, so as to simulate the external recording (i.e. in the skin), it was made an approximation to the function that models the circular shape surface electrodes located at distances greater than 1,79 mm of the FBs, showing a similar spectrum reported. Finally, the waves and spectrum of the simulated MUAPs resulted similar to the ones reported in the literature. Beyond this, in certain cases, MUAPs were simulated with some tuned, either locating the neuromuscular junctions with thickness bands of 1 mm, or, when the axonal delay and the FB muscle fiber conduction velocity were considered as a function of the square root fiber diameter. This was simulated for MUAPs of MG and biceps brachii muscles of human beings, in the last case it has reached the waveforms and tuned found in heath subjects, and it was visualized the mean frequency of firing rate at the spectrum. In order to know how much affects grouping for the FBs to waves a MU, they were not found significant differences with FBs located homogeneously and randomly, except a little variation in the amplitude of the MUAP. However, they presented a change in the spectral bandwidth when the FBs are more concentrated.

Made available in DSpace on 2015-05-14T13:00:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 parte1.pdf: 4104748 bytes, checksum: 578975146349baff07079d6c3f9756b6 (MD5) Previous issue date: 2008-08-29 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Snake venoms contain a complex arsenal of protein bio-active components, many of these being neurotoxins (NTXs). These snakes have high neurotoxic activity venom, corresponding to the Elapidae family, which includes coral snakes (Micrurus) whose venom contains circa 90-95% of low molecular mass protein components. Among these, several are postsynaptic neurotoxins or α- NTXs (MM = 6-9 kDa). The Micrurus ibiboboca (Merren, 1820) is a snake of the Elapidae family witch is quite common in the Northeast of Brazil. In spite of the great diversity of species of Micrurus, scarce works involving the nervous system with isolated and pure toxins of those serpents has been developed in level biochemical, pharmacological and electrophysiological. The aim of this study was to purify the toxin Mic6c7NTX of the Micrurus ibiboboca venom, characterize to biochemically and electrophysiologically the toxin Mic6c7NTX in the peripheral nervous system (PNS) of rats, evaluating alterations in the record of the Compound Action Potential (CAP) of the isolate nerve and the toxin activity on the voltage-dependent sodium channels (Nav) in the neurons of the dorsal root ganglion (DRG). The venom was extracted from the Micrurus ibiboboca collected in Paraiba State (Brazil). Initially, electrophysiological tests (current clamp method) using the single sucrose gap technique were accomplished with crude venom (100μg/mL). It was observed that in this concentration the crude venom caused reduction in the CAP amplitude (25%). This neurotoxity led into an intriguing question: what components of the venom would promote to reduction in the excitability of the nerve? Based upon this question, I decided to purify the venom throughout the Liquid Chromatography of the High Performance (HPLC) of the Cation Exchange Chromatography (CIEX) and the Reverse Phase Chromatography (RPC). The molecular mass (MM) of the raw toxin was determined by mass-spectrometry (MALDI-QTOF/ MS) and N-terminal sequence by means of Edman s Degradation. The search for similarity with other toxins was accomplished against proteomic data bank. The CIEX profile showed 19 fractions and the highest peak fraction was used for the second dimension. The toxin Mic6c7NTX obtained by RPC showed elution in 26.7%of the acetonitrile (ACN) and MM 7.047.56Da. The obtained partial N-terminal sequence showed 31 aminoacid residues. The search for similarity of structure and function showed great similarity (65%) with other short chain α-NTXs Australian elapids snakes. The electrophysiological studies (single sucrose gap technique) showed that the toxin Mic6c7NTX (1 μM) reduced the excitability of the isolate nerve similarly to the reduction observed in the crude venom about 21%. Other CAP parameters such as despolarization speed (DSCAP), repolarization time (τCAP) and peak of time (PTCAP) did not show alterations. This suggests that the toxin may be affecting the Nav channels. For the confirmation of that hypothesis experiments were accomplished with whole cell patch-clamp technique in DRG neurons. This results showed that the toxin Mic6c7NTX (1 WM) abolished completely the current of Nav channels sensitive the tetrodotoxin (TTX-S). Also the Nav channels TTX resistant (TTX-R) were investigated in the presence of the Mic6c7NTX toxin previously using TTX (100 nM). This results showed that the toxin Mic6c7NTX (100 nM) abolished completely the current of Nav channels TTX-R and IC50 = 30nM. However, reversion of this blocking was not observed. The present study biochemically and electrophysiologically characterized an α-NTX of the Micrurus ibiboboca elapid snake. Furthermore, it showed a potent toxin with affinity Nav channels TTX-S and TTX-R of the PNS. This is the first α-NTX isolated and identified of the venom from the Micrurus ibiboboca (Merrem, 1820) snake. / As serpentes da família Elapidae possuem uma peçonha com alta atividade neurotóxica e capacidade de letalidade. Fazem parte dessa família as serpentes corais americanas (gênero Micrurus) com suas peçonhas contendo cerca de 90-95% de componentes protéicos, sendo na sua maior parte neurotoxinas com baixa massa molecular (6-8 kDa), podendo ser destacadas as neurotoxinas com ação pós-sinápticas ou α-Neurotoxinas (α-NTX). A Micrurus ibiboboca (Merrem, 1820) é uma serpente da família Elapidae, comum na região Nordeste. Apesar da grande diversidade de espécies do gênero Micrurus sp., escassos trabalhos envolvendo atividade de toxinas isoladas e puras destas peçonhas e sistema nervoso têm sido desenvolvidos em nível bioquímico, farmacológico ou eletrofisiológico. O objetivo desse estudo foi purificar a toxina Mic6c7NTX da peçonha de M. ibiboboca, caracterizar bioquímicamente e investigar com ferramentas eletrofisiológicas a ação da toxina no Sistema Nervoso Periférico (SNP) de ratos avaliando alterações no Potencial de Ação Composto (PAC) do nervo isquiático isolado e a atividade da toxina nos canais para sódio dependentes de voltagem (Nav) em neurônios do gânglio da raiz dorsal (DRG). A peçonha da M. ibiboboca foi extraída de serpentes coletadas no Estado da Paraíba (Brasil). Inicialmente, ensaios eletrofisiológicos com o método de current clamp utilizando a técnica de single sucrose gap foram realizados com a peçonha bruta (100 Wg/mL). Os resultados mostraram que a peçonha bruta nessa concentração promoveu redução na amplitude do PAC (25%). Esse efeito da toxina na excitabilidade do nervo levantou o questionamento: Que componentes da peçonha estariam causando essa diminuição da excitabilidade? A peçonha foi purificada por meio de Cromatografia Líquida de Alta Performance (HPLC), de troca catiônica (CIEX) e fase reversa (RPC). Na sequência, os picos da CIEX foram submetidos à RPC e posteriormente analisados por espectrometria de massas (MALDI-TOF/MS) que detectou a massa molecular da toxina Mic6c7NTX de 7.047,56 Da. Em seguida, foi determinado o seu N-terminal por Degradação de Edman que apresentou 31 resíduos de aminoácidos e serviu de estudo para a bioinformática na busca por similaridade em banco de dados proteômicos com outras toxinas protéicas, demonstrando que a toxina Mic6c7NTX apresentou similaridade (65%) com α-NTXs de cadeia curta de serpentes elapídicas australianas. Posteriormente, foi investigado o efeito da toxina isolada no SNP. Os estudos eletrofisiológicos em single sucrose gap demonstraram que a toxina Mic6c7NTX (1 WM) reduziu a excitabilidade do nervo isolado de forma similar à observada pela peçonha bruta. Não foram observadas alterações significantes em outros parâmetros do PAC, como velocidade de despolarização (VDPAC), tempo de repolarização (τPAC) e tempo de pico (PTPAC), sugerindo que a toxina atuasse num sítio de ligação específico dos [Escreva uma citação do documento ou o 11 canais Nav no SNP. Para a confirmação dessa hipótese foram realizados experimentos de voltage clamp com a técnica de whole cell patch-clamp em cultura primária de neurônios DRG da medula espinhal de ratos. Os resultados mostraram que a toxina Mic6c7NTX (1 WM) aboliu completamente as correntes dos canais Nav sensíveis à tetrodotoxina (TTX-S). Também foi investigado o efeito da toxina sobre a população de canais Nav resistentes à TTX (TTX-R), utilizando previamente TTX (100 nM) para bloquear os canais Nav TTX-S. Os registros com a toxina Mic6c7NTX (100 nM) demonstraram um bloqueio total da corrente nos canais Nav TTX-R dos DRGs e uma IC50 da toxina em torno de 30 nM. Também foi observado que essa toxina se liga aos canais Nav de forma lenta e irreversível. O presente estudo caracterizou bioquímica e eletrofisiologicamente uma α-NTX da serpente elapídica Micrurus ibiboboca. Farmacologicamente, trata-se de uma potente toxina com afinidade aos canais Nav TTX-S e TTX-R do SNP. Essa é a primeira α-NTX isolada e caracterizada da peçonha da serpente Micrurus ibiboboca (Merrem, 1820).

Informações sobre as características funcionais e estruturais da unidade motora (UM) são altamente relevantes em investigações fisiológicas e nos estudos clínicos das disfunções neuromusculares. A eletromiografia (EMG) é um método adequado para obtenção dessas informações. Entretanto, devido à dificuldade na separação da atividade individual de uma unidade motora das outras que estão simultaneamente ativas, seu uso em clínica prática se dá comumente através de métodos invasivos, empregando eletrodos de agulha ou fios implantados. Apesar da EMG de superfície ser não-invasiva e, portanto mais apropriada para aplicações clínicas, não é usada em clínica porque não há até o presente um método satisfatório para decomposição do sinal EMG de superfície. Um EMG de superfície é muito mais difícil de decompor devido a significante superposição dos Potenciais de Ação das UMs (MUAPs) e a relação sinal-ruído relativamente baixa, se comparada aos métodos invasivos. Defendemos que a separação da atividade individual das UMs pode ser feita de modo não-invasivo aliando-se técnicas de aquisição altamente especializadas com técnicas usadas em reconhecimento de padrões. Desenvolvemos um método para decomposição de EMGs de superfície, a partir do qual foi possível extrair características relevantes das UMs, que permitem seu uso em avaliação e diagnóstico de desordens neuromusculares. Em nossa abordagem, o sinal EMG é inicialmente captado sob contração isométrica fraca usando eletrodos desuperfície. O sinal EMG bruto passa em seguida por um filtro Diferencial Passa-Baixas Ponderado (DPBP) em série com um detector de picos, que detecta os picos de MUAPs e extrai suas formas de onda. Na sequência, o conjunto de MUAPs extraído é classificado por uma rede neural SOM, e os MUAPs agrupados pela similaridade de suas formas de onda. No próximo passo a informação temporal dos disparos é checada, eliminando possíveis erros de classificação, e finalmente os Trens de MUAPs (MUAPTs) das UMs individuais são reconstituídos do EMG original. As estatísticas de disparos (IPI) bem como as formas de ondas dos MUAPs das respectivas UMs são então extraídas e armazenadas para estudos posteriores. Resultados preliminares obtidos com EMGs normais e patológicos, extraídos de membros superiores sob contração fraca, indicam que, o método mostrou-se apto a decompor EMGs de superfícies, além de potencial para aplicações em estudos clínicos não-invasivos de disfunções neuromusculares.Informações sobre as características funcionais e estruturais da unidade motora (UM) são altamente relevantes em investigações fisiológicas e nos estudos clínicos das disfunções neuromusculares. A eletromiografia (EMG) é um método adequado para obtenção dessas informações. Entretanto, devido à dificuldade na separação da atividade individual de uma unidade motora das outras que estão simultaneamente ativas, seu uso em clínica prática se dá comumente através de métodos invasivos, empregando eletrodos de agulha ou fios implantados. Apesar da EMG de superfície ser não-invasiva e, portanto mais apropriada para aplicações clínicas, não é usada em clínica porque não há até o presente um método satisfatório para decomposição do sinal EMG de superfície. Um EMG de superfície é muito mais difícil de decompor devido a significante superposição dos Potenciais de Ação das UMs (MUAPs) e a relação sinal-ruído relativamente baixa, se comparada aos métodos invasivos. Defendemos que a separação da atividade individual das UMs pode ser feita de modo não-invasivo aliando-se técnicas de aquisição altamente especializadas com técnicas usadas em reconhecimento de padrões. Desenvolvemos um método para decomposição de EMGs de superfície, a partir do qual foi possível extrair características relevantes das UMs, que permitem seu uso em avaliação e diagnóstico de desordens neuromusculares. Em nossa abordagem, o sinal EMG é inicialmente captado sob contração isométrica fraca usando eletrodos desuperfície. O sinal EMG bruto passa em seguida por um filtro Diferencial Passa-Baixas Ponderado (DPBP) em série com um detector de picos, que detecta os picos de MUAPs e extrai suas formas de onda. Na sequência, o conjunto de MUAPs extraído é classificado por uma rede neural SOM, e os MUAPs agrupados pela similaridade de suas formas de onda. No próximo passo a informação temporal dos disparos é checada, eliminando possíveis erros de classificação, e finalmente os Trens de MUAPs (MUAPTs) das UMs individuais são reconstituídos do EMG original. As estatísticas de disparos (IPI) bem como as formas de ondas dos MUAPs das respectivas UMs são então extraídas e armazenadas para estudos posteriores. Resultados preliminares obtidos com EMGs normais e patológicos, extraídos de membros superiores sob contração fraca, indicam que, o método mostrou-se apto a decompor EMGs de superfícies, além de potencial para aplicações em estudos clínicos não-invasivos de disfunções neuromusculares. / Information on the functional and structural characteristics of the motor unit (MU) they are highly important in physiologic investigations and in the clinical studies of the neuromuscular dysfunctions. The electromyography (EMG) it is an appropriate method for obtaining of that information. However, due to the difficulty in the separation of the individual activity of a motor unit of the another that are simultaneously active, your use in practical clinic happen commonly through methods invasive, employing needle electrodes or implanted threads. In spite of surface EMG to be non-invasive and, therefore more appropriate for clinical applications, it is not used at clinic because there is not until the present a satisfactory method for decomposition of the surface EMG sign. A surface EMG is much more difficult of decomposing due to significant overlap of the Motor Unit Action Potentials (MUAPs) and the relationship sign-noise relatively low, if compared to the invasive methods. We defended that the separation of the individual activity of MUs can be made in way non-invasive allying highly specialized acquisition techniques with techniques used in recognition of patterns. We developed a method for decomposition of surface EMGs, starting from which was possible to extract important characteristics of MUs, which allow your use in evaluation and diagnosis of neuromuscular disorders. In our approach, the sign EMG is captured initially under weak isometriccontraction using surface electrodes. The sign EMG raw raisin soon after for a Biased Low-Pass Differential filter (BLPD) in series with a detector of peaks, that detects the peaks of MUAPs and it extracts your wave forms. In the sequence, a SOM neural network classifies the set of extracted MUAPs, and MUAPs are clustered by the similarity in your wave shape. In the next step the temporal information of the discharges is checked, eliminating possible classification mistakes, and finally the MUAPs Trains (MUAPTs) of individual MUs they are reconstituted of original EMG. The statistics of discharges (IPI) as well as the forms of waves of MUAPs of respective MUs are then extracted and stored for subsequent studies. Results preliminaries obtained with normal and pathological EMGs, extracted of superior members under weak contraction, they indicate that, the method was shown capable to decompose surfaces EMGs, besides potential for applications in clinical studies non-invasive of neuromuscular dysfunctions.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2018-11-12T14:27:26Z No. of bitstreams: 1 raffaelbechararameh.pdf: 1503042 bytes, checksum: 87e66fa77937ca9a85aac3231b27ac84 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-11-23T13:13:22Z (GMT) No. of bitstreams: 1 raffaelbechararameh.pdf: 1503042 bytes, checksum: 87e66fa77937ca9a85aac3231b27ac84 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-11-23T13:13:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 raffaelbechararameh.pdf: 1503042 bytes, checksum: 87e66fa77937ca9a85aac3231b27ac84 (MD5) Previous issue date: 2018-08-31 / Para representar diferentes fenômenos e sistemas modelos matemáticos são largamente utilizados. Muitos deles são fundamentados em sistemas de equações diferenciais ordinárias (EDOs), isto é, baseiam-se em conjuntos de igualdades que envolvem variáveis dependentes, suas derivadas de primeira ordem e a variável independente. Neste trabalho, estudamos a modelagem da geração do potencial de ação em células excitáveis, como os neurônios. Existem dois modelos tradicionais e pioneiros que se destacam nessa área: Hodgkin-Huxley e FitzHugh-Nagumo. O objetivo desta dissertação é avaliar a possibilidade de modelar a geração do potencial de ação via uma única equação diferencial com atraso. Equações diferenciais com atraso são importantes por sua capacidade em reproduzir uma grande diversidade de fenômenos. Porém, seu uso na modelagem do potencial de ação de células excitáveis é ainda incipiente. Nesta dissertação, o método usado para alcançar este objetivo se baseou no desenvolvimento, inicialmente, de uma equação integro-diferencial que aproxima o sistema de EDOs. Em seguida, desenvolvemos uma aproximação para as integrais que usa termos tanto no instante atual quanto em instante anteriores, i.e., atrasados no tempo. Dessa forma, mostramos que é possível aproximar cada um dos sistemas de EDOS dos modelos de Hodgkin-Huxley e FitzHugh-Nagumo por uma única equação diferencial com atraso. Por fim, estes novos modelos são comparados com os originais, e são apontadas direções para a continuidade desta pesquisa. / To represent different phenomena and systems mathematical models are widely used. Many of them are based on systems of ordinary differential equations (ODEs), that is, they are based on sets of equalities involving dependent variables, their derivatives of first order and the independent variable. In this work, we study the modeling of action potential generation in excitable cells, such as neurons. There are two traditional and pioneering models that stand out in this area: Hodgkin-Huxley and FitzHugh-Nagumo. The objective of this dissertation is to evaluate the possibility of modeling the generation of the action potential via a single differential equation with delay. Differential equations with delay are important because of their capacity to reproduce a great diversity of phenomena. However, its use in modeling the action potential of excitable cells is still incipient. In this dissertation, the method used to achieve this goal was based on the development, initially, of an integral-differential equation that approximates the ODE system. Next, we develop an approximation for integrals that uses terms at both the current instant and the previous instant, i.e., time delayed. Thus, we show that it is possible to approximate each of the ODEs systems of the Hodgkin-Huxley and FitzHugh-Nagumo models by a single differential equation with delay. Finally, these new models are compared with the original ones, and directions are indicated for future works.