京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第23563号 / 理博第4757号 / 新制||理||1682(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科生物科学専攻 / (主査)准教授 森 哲, 教授 中川 尚史, 教授 中務 真人 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

O estudo dos efeitos de neurotransmissores e neuromoduladores em circuitos nervosos tradicionalmente consiste em observar o comportamento de um sistema, ou parte dele, quando exposto a concentrações constantes da droga, ignorando flutuações ou padrões temporais de liberação. Neste trabalho implementamos um protocolo dinâmico e dependente da atividade do próprio sistema nervoso, que permitiu estudar experimentalmente a influência da dinâmica de liberação nos efeitos que glutamato (Glu, 1 mM) e serotonina (5-HT, 10 mM) produzem no padrão emergente de um centro gerador de padrões (CPG). Os experimentos foram realizados no sistema nervoso estomatogástrico de Callinectes sapidus e Callinectes danae (CPG pilórico) durante sua operação normal in vitro, que pode ser caracterizada por sua frequência de burst, número de spikes/burst dos neurônios, duty cycle dos neurônios, etc. A partir da atividade de um dos neurônios do CPG, medida extracelularmente, um algoritmo baseado no protocolo dynamic clamp (interação em tempo real entre tecido nervoso vivo e simulação computacional) identifica em tempo real um padrão de atividade pré-escolhido e dispara um injetor de picolitros semelhante a um picospritzer®, aspergindo uma pequena quantidade de solução com a droga nas vizinhanças dos neurônios e sinapses que compõe o CPG, de onde é retirada por perfusão contínua de solução fisiológica. Assim, podemos comparar o comportamento emergente do CPG quando este é estimulado de maneira síncrona com sua atividade ou de maneira assíncrona, mas de forma que a mesma quantidade média de droga seja aspergida nos dois casos. Nossos resultados demonstram que um mesmo estímulo apresentado de duas maneiras diferentes, para um mesmo circuito nervoso, pode produzir respostas diferentes na mesma célula. O protocolo se mostrou mais eficiente em mostrar diferenças quando a atividade da droga ocorre em uma escala de tempo menor que aquela do comportamento do CPG. Novos estudos devem ser realizados com outros neutrotransmissores e moduladores tanto de ação ionotrópica quanto metabotrópica, para se adequar o protocolo aos diferentes tipos de substâncias. / Studying the effect of neurotransmitters and neuromodulators usually consists in observing the behavior of a system, or part of it, when exposed to stationary concentrations of the drugs that completely lack any time dependency. Here we describe a protocol that we developed to study the changes of the emerging rhythmic pattern of a Central Pattern Generator (CPG) due to the effects of the aplications dynamics of tiny puffs of glutamate (Glu, 1mM) or serotonin (5-HT, 10 mM) to the neurons and their neuropil. We experimented on the stomatogastric nervous system of Callinectes sapidus and Callinectes danae (pyloric CPG) during normal operation in vitro, that was characterized using bursting frequency, neurons number of spikes/burst, their duty cycle, etc. From the extracelular activity of one of the CPG neurons, a dynamic clamp based protocol (real time interaction between living nervous tissue and computer simulation) detected in real time a given pattern of activity present in a burst and triggered a picospritzer to puff a small amount of solution with the drug in the neighborhood of the neurons and synapses of the CPG, from where it was washed through constant perfusion of normal saline. Such arrangement allowed us to address what are the differences on the emerging CPG behavior when the stimuli was activity synchronous or asynchronous, but with the same mean amount of drug delivered in both cases. In general, our results showed that the same stimulus presented in different ways to the same nervous circuit may generate different responses even in a cell level. Finally, the protocol proved to be more efficient when the drug activity time scale is smaller than the time scale of the CPG bursting behavior. In the future we should work with other neuromodulators and neurotransmiters to improve the protocol.

O estudo dos efeitos de neurotransmissores e neuromoduladores em circuitos nervosos tradicionalmente consiste em observar o comportamento de um sistema, ou parte dele, quando exposto a concentrações constantes da droga, ignorando flutuações ou padrões temporais de liberação. Neste trabalho implementamos um protocolo dinâmico e dependente da atividade do próprio sistema nervoso, que permitiu estudar experimentalmente a influência da dinâmica de liberação nos efeitos que glutamato (Glu, 1 mM) e serotonina (5-HT, 10 mM) produzem no padrão emergente de um centro gerador de padrões (CPG). Os experimentos foram realizados no sistema nervoso estomatogástrico de Callinectes sapidus e Callinectes danae (CPG pilórico) durante sua operação normal in vitro, que pode ser caracterizada por sua frequência de burst, número de spikes/burst dos neurônios, duty cycle dos neurônios, etc. A partir da atividade de um dos neurônios do CPG, medida extracelularmente, um algoritmo baseado no protocolo dynamic clamp (interação em tempo real entre tecido nervoso vivo e simulação computacional) identifica em tempo real um padrão de atividade pré-escolhido e dispara um injetor de picolitros semelhante a um picospritzer®, aspergindo uma pequena quantidade de solução com a droga nas vizinhanças dos neurônios e sinapses que compõe o CPG, de onde é retirada por perfusão contínua de solução fisiológica. Assim, podemos comparar o comportamento emergente do CPG quando este é estimulado de maneira síncrona com sua atividade ou de maneira assíncrona, mas de forma que a mesma quantidade média de droga seja aspergida nos dois casos. Nossos resultados demonstram que um mesmo estímulo apresentado de duas maneiras diferentes, para um mesmo circuito nervoso, pode produzir respostas diferentes na mesma célula. O protocolo se mostrou mais eficiente em mostrar diferenças quando a atividade da droga ocorre em uma escala de tempo menor que aquela do comportamento do CPG. Novos estudos devem ser realizados com outros neutrotransmissores e moduladores tanto de ação ionotrópica quanto metabotrópica, para se adequar o protocolo aos diferentes tipos de substâncias. / Studying the effect of neurotransmitters and neuromodulators usually consists in observing the behavior of a system, or part of it, when exposed to stationary concentrations of the drugs that completely lack any time dependency. Here we describe a protocol that we developed to study the changes of the emerging rhythmic pattern of a Central Pattern Generator (CPG) due to the effects of the aplications dynamics of tiny puffs of glutamate (Glu, 1mM) or serotonin (5-HT, 10 mM) to the neurons and their neuropil. We experimented on the stomatogastric nervous system of Callinectes sapidus and Callinectes danae (pyloric CPG) during normal operation in vitro, that was characterized using bursting frequency, neurons number of spikes/burst, their duty cycle, etc. From the extracelular activity of one of the CPG neurons, a dynamic clamp based protocol (real time interaction between living nervous tissue and computer simulation) detected in real time a given pattern of activity present in a burst and triggered a picospritzer to puff a small amount of solution with the drug in the neighborhood of the neurons and synapses of the CPG, from where it was washed through constant perfusion of normal saline. Such arrangement allowed us to address what are the differences on the emerging CPG behavior when the stimuli was activity synchronous or asynchronous, but with the same mean amount of drug delivered in both cases. In general, our results showed that the same stimulus presented in different ways to the same nervous circuit may generate different responses even in a cell level. Finally, the protocol proved to be more efficient when the drug activity time scale is smaller than the time scale of the CPG bursting behavior. In the future we should work with other neuromodulators and neurotransmiters to improve the protocol.