Entender como o cérebro processa informação é um dos problemas mais fascinantes da ciência de nossos dias. Para resolvê-lo, é fundamental estudarmos os mecanismos de representação e transmissão de informação de um único neurônio, a unidade fundamental de processamento do cérebro. Grande parte dos neurônios representa a informação por seqüências de pulsos elétricos, ou potenciais de ação. Nós usamos a mosca como modelo para estudar como a arborização dendrítica do neurônio influencia a quantidade de informação transmitida pela estrutura temporal da seqüência de pulsos. O mapeamento retinotópico da informação no sistema visual da mosca permite que as arborizações dendríticas de certos neurônios sejam estimuladas localmente através da região que corresponde a essa localização no campo visual. Nós apresentamos imagens em movimento em várias regiões do campo visual da mosca e medimos a resposta do neurônio H1, sensível a movimentos horizontais. Usando a teoria da informação, calculamos a quantidade de informação transmitida para cada uma dessas regiões do campo visual e a relacionamos com outras propriedades do neurônio, como por exemplo a sensibilidade espacial e eficiência. Nossos resultados sugerem que a arborização dendrítica influencia a codificação temporal de maneira significativa, indicando que o neurônio pode usar a estrutura temporal da sequência de pulsos para codificar outros parâmetros do estímulo, ou para aumentar a confiabilidade da codificação dependendo da região excitada / Understanding how the brain processes information about the outside world is one of the most fascinating problems of modern science. This involves the analysis of information representation and transmission in the fundamental processing element of the brain - the neuron. In the cortex neurons represent information by sequences of electrical pulses, or spikes. We use the fly as a model to study how the amount of information transmitted by the temporal structure of the spike trains depends on the neuron\'s dendritic arborization. The retinotopic mapping of information in the fly\'s visual system allows the stimulation of specific regions of the neuron\'s dendritic tree through the visual stimulation of the respective region in the visual field of the fly. We show an image moving in the preferred direction of the motion-sensitive neuron H1 in specific regions of the fly\'s visual field and measure the electrical response of the neuron. Using information theory, we calculate the amount of information transmitted for each of these regions and compare it with other properties of the neuron, for example, the spatial sensitivity. Our results suggest that the dendritic arborization influentes the temporal coding in a significant way, indicating that the neuron could use the temporal structure of the spike train to codify other parameters of the stimulus, or to increase the reliability of the code depending on the excited region

Os animais utilizam, entre outras coisas, a informação visual que chega na forma de padrões do fluxo óptico para se locomover, desviar de obstáculos, localizar um predador ou uma presa. Esta informação permite ao animal estimar seu próprio movimento e o movimento de outros objetos no campo visual. Nós usamos a mosca como modelo para estudar como um de seus neurônios, o H1 ? que é sensível a movimentos horizontais ?, codifica e diferencia o movimento da mosca ou seja, como ele diferencia os movimentos de rotação e translação. Assim como a grande parte dos neurônios, o H1 representa a informação por seqüências de pulsos elétricos, ou potenciais de ação. Queremos estudar principalmente a interação deste neurônio com o H1 contralateral e com as células CH e HS. Para isso pintamos o olho direito da mosca e acrescentamos um anteparo entre os monitores para isolarmos o H1 esquerdo e comparamos a resposta obtida desta forma com a obtida quando os dois H1 recebiam o fluxo óptico. Apresentamos imagens em movimento em dois monitores na região mais sensível do campo visual da mosca, sincronizadas de forma a simular movimentos de rotação e translação medindo sempre a resposta do neurônio H1 esquerdo. Acrescentamos também várias defasagens entre os estímulos apresentados e repetimos os experimentos para estímulos com tempos de correlação diferentes. Usando a teoria da informação, calculamos a quantidade de informação transmitida para cada um destes casos e analisamos como cada uma destas situações influencia não só a quantidade de informação transmitida pelo trem de pulsos mas a própria estrutura deste trem de pulsos. Nossos resultados sugerem que a interação entre os dois H1 diminui a quantidade de informação transmitida pela estrutura temporal da seqüência dos pulsos e que apesar de a defasagem não alterar a quantidade de informação total do trem de pulsos, ela altera a quantidade de informação transmitida pela estrutura de determinados eventos. / Animals use, among others things, the visual information arriving in the form of optic flow patterns to move itself, to deviate from obstacles, to locate a predator or a prey. This information allows the animal to estimate its own movement and the movement of other objects in the visual field. We use the fly as model to study how one of its neurons, the H1 - that is sensitive to horizontal movements -, codifies and differentiates the movement of the fly, i.e., how it distinguishes the movements of rotation and translation. The H1 represents the information as sequences of electric pulses, or action potentials. We want to study the interaction of this neuron with the contralateral H1 and with CH and HS cells. To do that we paint the right eye of the fly and add a screen between the monitors to isolate the left H1 and we compare the response obtained with the response, when both H1 received the optic flow. We show images moving in the most sensitive region of the fly\'s visual field synchronized so as to simulate rotational and translational movements and measure the left H1 response. We also add delays between the stimuli presented to each eye and repeat the experiments for stimuli with different correlation times. Using information theory, we calculate the amount of information transmitted for each one of these situations and analyze how they influence the amount of information transmitted by the spike train, as well as the structure of this spike train. Our results suggest that the interaction between both H1 reduces the amount of information transmitted by the time structure of the sequence of spikes and that, although the delay does not modify the amount of total information of the spike train, it modifies the amount of information transmitted by the structure of particular events.

Como a informação sobre o ambiente natural é codificada na atividade neural do cérebro? Existe de fato um código neural que impera ao longo de todo processamento neural? Essas são algumas das grandes perguntas da Neurociência da atualidade. Assumindo que estratégias bem sucedidas são preservadas e reaproveitadas através da Evolução, buscamos explorar essas questões ao analisar a resposta extracelular do neurônio H1 do sistema visual da mosca a estímulos visuais com distribuições estatísticas de velocidades horizontais bem definidas. Utilizando uma abordagem de Sistemas Complexos, a análise de multifractalidade do código neural do H1 lança algumas luzes sobre uma estratégia de codificação fascinante, sustentando a idéia de que esse neurônio é capaz de falar diferentes linguagens, se ajustando de forma extremamente dinâmica e flexível à complexidade do estímulo visual (1), visando uma transmissão ótima de informação (2). / How is information about the natural environment coded in the brain neural activity? Is there really a neural code that reigns throughout the neural processing? These are some of the greatest questions of todays Neuroscience. Assuming that well succeeded strategies are preserved and reused through Evolution, we seek to explore these questions by analyzing the extracellular response of the blowfly visual system H1 neuron to certain visual stimuli with well known statistical distributions of horizontal velocities. Using a Complex Systems approach, the multifractality analysis of H1s neural code casts highlights in its fascinating coding strategy, supporting the idea that this neuron is capable of speaking different languages by adjusting itself to the complexity in visual stimuli in a very dynamical and flexible way (1), aiming at a optimal information transmission (2).

Como a informação sobre o ambiente natural é codificada na atividade neural do cérebro? Existe de fato um código neural que impera ao longo de todo processamento neural? Essas são algumas das grandes perguntas da Neurociência da atualidade. Assumindo que estratégias bem sucedidas são preservadas e reaproveitadas através da Evolução, buscamos explorar essas questões ao analisar a resposta extracelular do neurônio H1 do sistema visual da mosca a estímulos visuais com distribuições estatísticas de velocidades horizontais bem definidas. Utilizando uma abordagem de Sistemas Complexos, a análise de multifractalidade do código neural do H1 lança algumas luzes sobre uma estratégia de codificação fascinante, sustentando a idéia de que esse neurônio é capaz de falar diferentes linguagens, se ajustando de forma extremamente dinâmica e flexível à complexidade do estímulo visual (1), visando uma transmissão ótima de informação (2). / How is information about the natural environment coded in the brain neural activity? Is there really a neural code that reigns throughout the neural processing? These are some of the greatest questions of todays Neuroscience. Assuming that well succeeded strategies are preserved and reused through Evolution, we seek to explore these questions by analyzing the extracellular response of the blowfly visual system H1 neuron to certain visual stimuli with well known statistical distributions of horizontal velocities. Using a Complex Systems approach, the multifractality analysis of H1s neural code casts highlights in its fascinating coding strategy, supporting the idea that this neuron is capable of speaking different languages by adjusting itself to the complexity in visual stimuli in a very dynamical and flexible way (1), aiming at a optimal information transmission (2).

Entender como o cérebro processa informação é um dos problemas mais fascinantes da ciência de nossos dias. Para resolvê-lo, é fundamental estudarmos os mecanismos de representação e transmissão de informação de um único neurônio, a unidade fundamental de processamento do cérebro. Grande parte dos neurônios representa a informação por seqüências de pulsos elétricos, ou potenciais de ação. Nós usamos a mosca como modelo para estudar como a arborização dendrítica do neurônio influencia a quantidade de informação transmitida pela estrutura temporal da seqüência de pulsos. O mapeamento retinotópico da informação no sistema visual da mosca permite que as arborizações dendríticas de certos neurônios sejam estimuladas localmente através da região que corresponde a essa localização no campo visual. Nós apresentamos imagens em movimento em várias regiões do campo visual da mosca e medimos a resposta do neurônio H1, sensível a movimentos horizontais. Usando a teoria da informação, calculamos a quantidade de informação transmitida para cada uma dessas regiões do campo visual e a relacionamos com outras propriedades do neurônio, como por exemplo a sensibilidade espacial e eficiência. Nossos resultados sugerem que a arborização dendrítica influencia a codificação temporal de maneira significativa, indicando que o neurônio pode usar a estrutura temporal da sequência de pulsos para codificar outros parâmetros do estímulo, ou para aumentar a confiabilidade da codificação dependendo da região excitada / Understanding how the brain processes information about the outside world is one of the most fascinating problems of modern science. This involves the analysis of information representation and transmission in the fundamental processing element of the brain - the neuron. In the cortex neurons represent information by sequences of electrical pulses, or spikes. We use the fly as a model to study how the amount of information transmitted by the temporal structure of the spike trains depends on the neuron\'s dendritic arborization. The retinotopic mapping of information in the fly\'s visual system allows the stimulation of specific regions of the neuron\'s dendritic tree through the visual stimulation of the respective region in the visual field of the fly. We show an image moving in the preferred direction of the motion-sensitive neuron H1 in specific regions of the fly\'s visual field and measure the electrical response of the neuron. Using information theory, we calculate the amount of information transmitted for each of these regions and compare it with other properties of the neuron, for example, the spatial sensitivity. Our results suggest that the dendritic arborization influentes the temporal coding in a significant way, indicating that the neuron could use the temporal structure of the spike train to codify other parameters of the stimulus, or to increase the reliability of the code depending on the excited region

Os animais utilizam, entre outras coisas, a informação visual que chega na forma de padrões do fluxo óptico para se locomover, desviar de obstáculos, localizar um predador ou uma presa. Esta informação permite ao animal estimar seu próprio movimento e o movimento de outros objetos no campo visual. Nós usamos a mosca como modelo para estudar como um de seus neurônios, o H1 ? que é sensível a movimentos horizontais ?, codifica e diferencia o movimento da mosca ou seja, como ele diferencia os movimentos de rotação e translação. Assim como a grande parte dos neurônios, o H1 representa a informação por seqüências de pulsos elétricos, ou potenciais de ação. Queremos estudar principalmente a interação deste neurônio com o H1 contralateral e com as células CH e HS. Para isso pintamos o olho direito da mosca e acrescentamos um anteparo entre os monitores para isolarmos o H1 esquerdo e comparamos a resposta obtida desta forma com a obtida quando os dois H1 recebiam o fluxo óptico. Apresentamos imagens em movimento em dois monitores na região mais sensível do campo visual da mosca, sincronizadas de forma a simular movimentos de rotação e translação medindo sempre a resposta do neurônio H1 esquerdo. Acrescentamos também várias defasagens entre os estímulos apresentados e repetimos os experimentos para estímulos com tempos de correlação diferentes. Usando a teoria da informação, calculamos a quantidade de informação transmitida para cada um destes casos e analisamos como cada uma destas situações influencia não só a quantidade de informação transmitida pelo trem de pulsos mas a própria estrutura deste trem de pulsos. Nossos resultados sugerem que a interação entre os dois H1 diminui a quantidade de informação transmitida pela estrutura temporal da seqüência dos pulsos e que apesar de a defasagem não alterar a quantidade de informação total do trem de pulsos, ela altera a quantidade de informação transmitida pela estrutura de determinados eventos. / Animals use, among others things, the visual information arriving in the form of optic flow patterns to move itself, to deviate from obstacles, to locate a predator or a prey. This information allows the animal to estimate its own movement and the movement of other objects in the visual field. We use the fly as model to study how one of its neurons, the H1 - that is sensitive to horizontal movements -, codifies and differentiates the movement of the fly, i.e., how it distinguishes the movements of rotation and translation. The H1 represents the information as sequences of electric pulses, or action potentials. We want to study the interaction of this neuron with the contralateral H1 and with CH and HS cells. To do that we paint the right eye of the fly and add a screen between the monitors to isolate the left H1 and we compare the response obtained with the response, when both H1 received the optic flow. We show images moving in the most sensitive region of the fly\'s visual field synchronized so as to simulate rotational and translational movements and measure the left H1 response. We also add delays between the stimuli presented to each eye and repeat the experiments for stimuli with different correlation times. Using information theory, we calculate the amount of information transmitted for each one of these situations and analyze how they influence the amount of information transmitted by the spike train, as well as the structure of this spike train. Our results suggest that the interaction between both H1 reduces the amount of information transmitted by the time structure of the sequence of spikes and that, although the delay does not modify the amount of total information of the spike train, it modifies the amount of information transmitted by the structure of particular events.

O presente trabalho descreve o desenvolvimento de geradores de estímulos visuais para serem utilizados em experimentos de neurociência com invertebrados, tais como moscas. O experimento consiste na visualização de uma imagem fixa que é movida horizontalmente de acordo com os dados de estímulo recebidos. O sistema é capaz de exibir 640x480 pixels com 256 níveis intensidade a 200 frames por segundo em monitores de varredura convencional. É baseado em hardware reconfigurável (FPGA), incluindo a lógica para gerar as temporizações do vídeo, dos sinais de sincronismo, assim como da memória de vídeo. Uma lógica de controle especial foi incluída para atualizar o deslocamento horizontal da imagem, de acordo com os estímulos desejados, a uma taxa de 200 quadros por segundo. Em um dos geradores desenvolvidos, a fim de duplicar a resolução de posicionamento horizontal, passos artificiais entre-pixels foram implementados usando dois frame buffers de vídeo, contendo respectivamente os pixels ímpares e pares da imagem original a ser exibida. Esta implementação gerou um efeito visual capaz de dobrar a capacidade de posicionamento horizontal deste gerador. / This thesis describes the development of many visual stimulus generators to be used in neuroscience experiments with invertebrates such as flies. The experiment consists in the visualization of a fixed image which is moved horizontally according to the received stimulus data. The system is capable to display 640x480 pixels with 256 intensity levels at 200 frames per second on conventional raster monitors. It´s based on reconfigurable hardware (FPGA), includes the logic to generate video timings and synchronization signals as well as the video memory. Special control logic was included to update the horizontal image offsets according to the desired stimulus data at 200 fps. In one of the developed generators, with the intent to double the horizontal positioning resolution, artificial interpixel steps are implemented using two video frame buffer containing respectively the odd and the even pixels of the original image to be displayed. This implementation generates a visual effect capable to double the horizontal positioning capabilities of the generator.

O presente trabalho descreve o desenvolvimento de geradores de estímulos visuais para serem utilizados em experimentos de neurociência com invertebrados, tais como moscas. O experimento consiste na visualização de uma imagem fixa que é movida horizontalmente de acordo com os dados de estímulo recebidos. O sistema é capaz de exibir 640x480 pixels com 256 níveis intensidade a 200 frames por segundo em monitores de varredura convencional. É baseado em hardware reconfigurável (FPGA), incluindo a lógica para gerar as temporizações do vídeo, dos sinais de sincronismo, assim como da memória de vídeo. Uma lógica de controle especial foi incluída para atualizar o deslocamento horizontal da imagem, de acordo com os estímulos desejados, a uma taxa de 200 quadros por segundo. Em um dos geradores desenvolvidos, a fim de duplicar a resolução de posicionamento horizontal, passos artificiais entre-pixels foram implementados usando dois frame buffers de vídeo, contendo respectivamente os pixels ímpares e pares da imagem original a ser exibida. Esta implementação gerou um efeito visual capaz de dobrar a capacidade de posicionamento horizontal deste gerador. / This thesis describes the development of many visual stimulus generators to be used in neuroscience experiments with invertebrates such as flies. The experiment consists in the visualization of a fixed image which is moved horizontally according to the received stimulus data. The system is capable to display 640x480 pixels with 256 intensity levels at 200 frames per second on conventional raster monitors. It´s based on reconfigurable hardware (FPGA), includes the logic to generate video timings and synchronization signals as well as the video memory. Special control logic was included to update the horizontal image offsets according to the desired stimulus data at 200 fps. In one of the developed generators, with the intent to double the horizontal positioning resolution, artificial interpixel steps are implemented using two video frame buffer containing respectively the odd and the even pixels of the original image to be displayed. This implementation generates a visual effect capable to double the horizontal positioning capabilities of the generator.