[ES] El síndrome de Dravet es una epilepsia severa rara causada por mutaciones en el gen SCN1A, el cual codifica para la proteína Nav1.1, subunidad α de los canales de sodio regulados por voltaje. En esta tesis se ha generado mediante recombinación homóloga, una nueva mutación en el gen para que hemos denominado paraKO, el cual cumple la misma función en Drosophila melanogaster. Estas moscas han mostrado un fenotipo epiléptico inducido por altas temperaturas, y muerte súbita en el caso de las crisis de larga duración. También se han observado alteraciones musculares en ensayos de geotaxis negativa, vuelo y locomoción. Del mismo modo, han presentado problemas cognitivos como la ansiedad y dificultades en el aprendizaje. El uso de imanes como terapia contra el fenotipo epiléptico ha tenido buenos resultados retrasando la aparición de las crisis y disminuyendo su duración y la cantidad de moscas que las padecen. El perfil metabolómico de las cabezas de estas moscas mostró un incremento en la concentración de aminoácidos, succinato y lactato, alteraciones que se pueden relacionar con la epilepsia y la disfunción mitocondrial. El neurotransmisor GABA, principal implicado en el síndrome de Dravet, mostró niveles superiores en el modelo generado. El análisis electrofisiológico de las corrientes de sodio de las motoneuronas aCC en estadío de larva señaló aumentos en las corrientes persistentes de sodio y su ratio con las transitorias, lo cual podría justificar las crisis epilépticas. Además, la excitabilidad y el tamaño de estas células fueron menores. Todos estos cambios presentes en los mutantes KO generados hacen de estas moscas un buen modelo para estudio de la epilepsia en general, y del síndrome de Dravet en particular. Este modelo ofrece nuevas herramientas para entender la patofisiología de la enfermedad y la búsqueda de biomarcadores y tratamientos. Finalmente la búsqueda de modificadores genéticos a través de ensayos de supervivencia, tiempo de recuperación a crisis y vuelo empleando el modelo parabss1 obtuvo buenos resultados con los genes nAchRα4 y KCNQ. El gen toy por el contrario resultó ser intensificador. La variabilidad en los resultados obtenidos en este apartado cuestiona la manera de llevar a cabo este tipo de estudios en modelos animales y pacientes del síndrome de Dravet. / [CA] La síndrome de Dravet és una epilèpsia severa rara causada por mutacions en el gen SCN1A, el qual codifica para la proteïna Nav1.1, subunitat α dels canals de sodi regulats por voltatge. En aquesta tesis s'ha generat, mitjançant recombinació homòloga, una nova mutació en el gen para, anomenada paraKO, el qual té la mateixa funció en Drosophila melanogaster. Aquestes mosques han mostrat un fenotip epilèptic induït por altes temperatures, y mort súbdita en el cas de les crisis de llarga duració. També s'han observat alteracions musculars en assajos de geotaxis negativa, vol y locomoció. De la mateixa manera, han presentat problemes cognitius como l'ansietat i dificultats en l'aprenentatge. L'ús d'imants com teràpia contra el fenotip epilèptic ha tingut bons resultats endarrerint l'aparició de les crisis i disminuint la seua durada i la quantitat de mosques que les pateixen. El perfil metabolòmic dels caps d'aquestes mosques mostrà increments en la concentració d'aminoàcids, succinat i lactat, alteracions les quals es poden relacionar amb l'epilèpsia y la disfunció mitocondrial. El neurotransmissor GABA, principal implicat en la síndrome de Dravet, mostrà nivells superiores en el model generat. L'anàlisi electrofisiològic de las corrents de sodi de les motoneurones aCC en estadi de larva assenyalà augments en les corrents persistents de sodi y el seu ràtio amb las transitòries, lo qual podria justificar las crisis epilèptiques. A més a més, l'excitabilitat y el tamany d'aquestes cèl·lules va ser menor. Todos aquests canvis presents en els mutants KO generats fan d'aquestes mosques un model per a l'estudi de l'epilèpsia en general, i de la síndrome de Dravet en particular. Aquest model ofereix noves ferramentes per a entendre la patofisiología de la malaltia i la recerca de biomarcadors y tractaments. Finalment la recerca de modificadors genètics a través d'assajos de supervivència, temps de recuperació a crisis y vol mitjançant el model parabss1 va obtindre bons resultats amb els gens nAchRα4 y KCNQ. El gen toy pel contrari resultà ser intensificador. La variabilitat en els resultats obtinguts en aquest apartat qüestiona la manera de fer aquest tipus d'estudis en models animals i pacients de la síndrome de Dravet. / [EN] Dravet syndrome is a severe rare epileptic disease caused by mutations in the SCN1A gene coding for the Nav1.1 protein, a voltage-gated sodium channel alpha subunit. In this thesis we have made a new mutation in a gene called paraKO through homologous recombination, the single Drosophila melanogaster gene encoding this type of protein. These flies showed a heat-induced seizing phenotype, and sudden death in long term seizures. In addition to seizures, neuromuscular alterations were observed in climbing, flight and locomotion tests. Moreover, they also manifested some cognitive alterations such as anxiety and difficulties in learning. Using magnets as a therapy for epileptic phenotype, seizures start was delayed, and its duration and the quantity of flies affected was lower. Metabolomic profile of these flies' brains showed an increase in the amount of aminoacids, succinate and lactate, alterations that could be related with epilepsy and mitochondrial dysfunction. GABA, the main neurotransmitter involved in Dravet syndrome, was higher in the paraKO model. Electrophysiological sodium current analysis from aCC motoneurons in larvae stage revealed an increase in persistent currents and their ratio with transients, which is a symptom for epileptic seizures. Cell size and excitability were lower in these cells too. All these changes in the paralytic knock-out flies indicate that this is a good model for epilepsy and specifically for Dravet syndrome. This model could be a new tool to understand the pathophysiology of the disease and to find biomarkers, genetic modifiers and new treatments. Finally, a search for genetic modifiers through survival, recuperation time and flight using parabss1 flies obtained good results with nAchR¿4 y KCNQ. Otherwise, toy gene was an enhancer. However, variability observed in these type of assays dispute how modifiers search is made with model animals and Dravet syndrome patients. / Tapia González, A. (2022). Generación de nuevos modelos y búsqueda de modificadores para el Síndrome de Dravet en Drosophila Melanogaster [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/186189 / TESIS

Tesis por compendio / [ES] Los bosques de Pinus halepensis, están sometidos a periodos con condiciones meteorológicas extremas de altas temperaturas y estrés hídrico. Estas condiciones, junto al actual contexto de emergencia climática genera condiciones ideales para los grandes incendios forestales de proporciones catastróficas con graves consecuencias en la salud y el bienestar de las personas. En este contexto, una de las disciplinas de conocimiento científico que apenas se han investigado hasta la fecha en relación con el riesgo de incendios forestales es la electrofisiología vegetal. Por ello, en la presente tesis se expone la evaluación experimental de las señales eléctricas vegetales como posibles variables equivalentes del estado fenológico en los modelos de gestión, como base para el futuro desarrollo de sistemas de redes de sensores inalámbricos, todo ello a través del análisis de las características estáticas y dinámicas de las señales electrofisiológicas de la principal especie arbórea de la cuenca mediterránea occidental, el Pinus halepensis. La tesis se ha estructurado en tres capítulos, siguiendo cada uno de ellos el método científico. En el primer capítulo se analiza la evaluación de algunos de los factores estáticos más significativos que influyen en el patrón de distribución de las señales electrofisiológicas del Pinus halepensis. Tras un diseño muestral adecuado, los resultados demuestran que la madurez del árbol influye directamente en la tensión eléctrica determinada por la tensión medida, siendo los árboles jóvenes los que presentan una mayor amplitud en la señal eléctrica, la cual se muestra uniforme en el árbol, siendo independiente de la colocación de los electrodos en altura y en orientación cardinal. En el segundo capítulo se analiza la evolución temporal de la señal eléctrica registrada, tanto diaria como anual. Los resultados obtenidos demuestran que las señales electrofisiológicas presentan valores significativamente más altos y de mayor amplitud durante los periodos más húmedos con temperaturas moderadas, mientras que las señales son representativamente mucho más bajas, durante los períodos con mayor estrés vegetativo del año. La metodología aplicada y los resultados obtenidos en este capítulo de la tesis demuestran que las señales electrofisiológicas pueden ser consideradas un indicador del estado fisiológico de los árboles en situaciones de estrés vegetativo. Finalmente, en el tercer capítulo de la tesis se analiza la evaluación de las señales electrofisiológicas como variables a incluir en los modelos de gestión del riesgo de incendio forestal. Los resultados obtenidos nos han permitido demostrar que el LFMC del Pinus halepensis no muestra variaciones estacionales significativas bajo la influencia de factores extremos de riesgo de incendio, mientras que las diferencias registradas en las señales electrofisiológicas muestran oscilaciones con variaciones significativas, que están fuertemente correlacionadas con los periodos de condiciones meteorológicas extremadamente favorables para los incendios forestales. Finalmente, también se ha podido demostrar una muy alta correlación entre las tensiones medidas y el principal índice de riesgo de incendio utilizados por las agencias de emergencias Con todos los resultados obtenidos, podemos concluir finalmente que las variaciones en las señales electrofisiológicas están estrechamente relacionadas con el estado fenológico de los Pinus halepensis y con el riesgo de incendio forestal. Lo que abre la posibilidad de una monitorización in situ de las masas forestales en las que domina esta especie, lo que sería fácilmente integrable en los sistemas de modelización y gestión preventiva de los incendios forestales en los ecosistemas mediterráneos. / [CA] Els boscos de Pinus halepensis, estan sotmesos a períodes amb condicions meteorològiques extremes d'altes temperatures i estrés hídric. Aquestes condicions, al costat de l'actual context d'emergència climàtica genera condicions ideals per als grans incendis forestals de proporcions catastròfiques amb greus conseqüències en la salut i el benestar de les persones. En aquest context, una de les disciplines de coneixement científic que a penes s'han investigat fins hui en relació amb el risc d'incendis forestals és l'electrofisiologia vegetal. Per això, en la present tesi s'exposa l'avaluació experimental dels senyals elèctrics vegetals com a possibles variables equivalents de l'estat fenològic en els models de gestió, com a base per al futur desenvolupament de sistemes de xarxes de sensors sense fils, tot això a través de l'anàlisi de les característiques estàtiques i dinàmiques dels senyals electrofisiològics de la principal espècie arbòria de la conca mediterrània occidental, el Pinus halepensis. La tesi s'ha estructurat en tres capítols, seguint cadascun d'ells el mètode científic. En el primer capítol s'analitza l'avaluació d'alguns dels factors estàtics més significatius que influeixen en el patró de distribució dels senyals electrofisiològics del Pinus halepensis. Després d'un disseny mostral adequat, els resultats demostren que la maduresa de l'arbre influeix directament en la tensió elèctrica determinada per la tensió mesurada, sent els arbres joves els que presenten una major amplitud en el senyal elèctric, la qual es mostra uniforme en l'arbre, sent independent de la col·locació dels elèctrodes en altura i en orientació cardinal. En el segon capítol s'analitza l'evolució temporal del senyal elèctric registrat, tant diària com anual. Els resultats obtinguts demostren que els senyals electrofisiològics presenten valors significativament més alts i de major amplitud durant els períodes més humits amb temperatures moderades, mentre que els senyals són representativament molt més baixes, durant els períodes amb major estrés vegetatiu de l'any. La metodologia aplicada i els resultats aconseguits en aquest capítol de la tesi demostren que els senyals electrofisiològics poden ser considerades un indicador de l'estat fisiològic dels arbres en situacions d'estrés vegetatiu. Finalment, en el tercer capítol de la tesi s'analitza l'avaluació dels senyals electrofisiològics com a variables a incloure en els models de gestió del risc d'incendi forestal. Els resultats aconseguits ens han permés demostrar que el LFMC del Pinus halepensis no mostra variacions estacionals significatives sota la influència de factors extrems de risc d'incendi, mentre que les diferències registrades en els senyals electrofisiològics mostren oscil·lacions amb variacions significatives, que estan fortament correlacionades amb els períodes de condicions meteorològiques extremadament favorables per als incendis forestals. Finalment, també s'ha pogut demostrar una molt alta correlació entre les tensions mesurades i el principal índex de risc d'incendi utilitzats per les agències d'emergències Amb tots els resultats aconseguits, podem concloure finalment que les variacions en els senyals electrofisiològics estan estretament relacionades amb l'estat fenològic dels Pinus halepensis i amb el risc d'incendi forestal. El que obri la possibilitat d'un monitoratge in situ de les masses forestals en les quals domina aquesta espècie, la qual cosa seria fàcilment integrable en els sistemes de modelització i gestió preventiva dels incendis forestals en els ecosistemes mediterranis. / [EN] Pinus halepensis forests are subjected to periods of extreme weather conditions of high temperatures and water stress. These conditions, together with the current context of climatic emergency, generate ideal conditions for large forest fires of catastrophic proportions with serious consequences on the health and welfare of people. In this context, one of the disciplines of scientific knowledge that has hardly been investigated to date in relation to the risk of forest fires is plant electrophysiology. Therefore, this thesis presents the experimental evaluation of plant electrical signals as possible equivalent variables of the phenological state in management models, as a basis for the future development of wireless sensor network systems, all through the analysis of the static and dynamic characteristics of the electrophysiological signals of the main tree species of the western Mediterranean basin, Pinus halepensis. The thesis has been structured in three chapters, each of them following the scientific method. In the first chapter, the evaluation of some of the most significant static factors that influence the distribution pattern of electrophysiological signals in Pinus halepensis is analyzed. After an adequate sample design, the results show that the maturity of the tree directly influences the electrical voltage determined by the measured voltage, being the young trees those that present a greater amplitude in the electrical signal, which is uniform in the tree, being independent of the placement of the electrodes in height and in cardinal orientation. In the second chapter, the temporal evolution of the electrical signal recorded, both daily and annual, is analyzed. The results obtained show that the electrophysiological signals present significantly higher values and greater amplitude during the wettest periods with moderate temperatures, while the signals are representatively much lower during the periods with greater vegetative stress of the year. The methodology applied and the results obtained in this chapter of the thesis demonstrate that electrophysiological signals can be considered an indicator of the physiological state of trees in situations of vegetative stress. Finally, the third chapter of the thesis analyzes the evaluation of electrophysiological signals as variables to be included in wildfire risk management models. The results obtained have allowed us to demonstrate that the LFMC of Pinus halepensis does not show significant seasonal variations under the influence of extreme fire risk factors, while the differences recorded in the electrophysiological signals show oscillations with significant variations, which are strongly correlated with periods of extremely favorable meteorological conditions for forest fires. Finally, it has also been possible to demonstrate a very high correlation between the measured voltages and the main fire risk index used by emergency agencies. With all the results obtained, we can finally conclude that variations in electrophysiological signals are closely related to the phenological state of Pinus halepensis and to the risk of forest fire. This opens up the possibility of in situ monitoring of forest stands dominated by this species, which could be easily integrated into systems for modeling and preventive management of forest fires in Mediterranean ecosystems. / Zapata Zapata, R. (2023). Análisis de las señales electrofisiológicas en Pinus halepensis Mill como base a su aplicación en sensores inalámbricos para la prevención de incendios forestales [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/197905 / Compendio

[ES] Las arritmias cardíacas son un problema importante para los sistemas de salud en el mundo desarrollado debido a su alta incidencia y prevalencia a medida que la población envejece. La fibrilación auricular (FA) y la fibrilación ventricular (FV) se encuentran entre las arritmias más complejas observadas en la práctica clínica. Las consecuencias clínicas de tales alteraciones arrítmicas incluyen el desarrollo de eventos cardioembólicos complejos en la FA, y repercusiones dramáticas debido a procesos fibrilatorios sostenidos que amenazan la vida infringiendo daño neurológico tras paro cardíaco por FV, y que pueden provocar la muerte súbita cardíaca (MSC). Sin embargo, a pesar de los avances tecnológicos de las últimas décadas, sus mecanismos intrínsecos se comprenden de forma incompleta y, hasta la fecha, las estrategias terapéuticas carecen de una base mecanicista suficiente y poseen bajas tasas de éxito. Entre los mecanismos implicados en la inducción y perpetuación de arritmias cardíacas, como la FA, se cree que las dinámicas de las fuentes focales y reentrantes de alta frecuencia, en sus diferentes modalidades, son las fuentes primarias que mantienen la arritmia. Sin embargo, se sabe poco sobre los atractores, así como, de la dinámica espacio-temporal de tales fuentes fibrilatorias primarias, específicamente, las fuentes focales o rotacionales dominantes que mantienen la arritmia. Por ello, se ha desarrollado una plataforma computacional, para comprender los factores (activos, pasivos y estructurales) determinantes, y moduladores de dicha dinámica. Esto ha permitido establecer un marco para comprender la compleja dinámica de los rotores con énfasis en sus propiedades deterministas para desarrollar herramientas basadas en los mecanismos para ayuda diagnóstica y terapéutica. Comprender los procesos fibrilatorios es clave para desarrollar marcadores y herramientas fisiológica- y clínicamente relevantes para la ayuda de diagnóstico temprano. Específicamente, las propiedades espectrales y de tiempo-frecuencia de los procesos fibrilatorios han demostrado resaltar el comportamiento determinista principal de los mecanismos intrínsecos subyacentes a las arritmias y el impacto de tales eventos arrítmicos. Esto es especialmente relevante para determinar el pronóstico temprano de los supervivientes comatosos después de un paro cardíaco debido a fibrilación ventricular (FV). Las técnicas de mapeo electrofisiológico, el mapeo eléctrico y óptico cardíaco, han demostrado ser recursos muy valiosos para dar forma a nuevas hipótesis y desarrollar nuevos enfoques mecanicistas y estrategias terapéuticas mejoradas. Esta tecnología permite además el trabajo multidisciplinar entre clínicos y bioingenieros, para el desarrollo y validación de dispositivos y metodologías para identificar biomarcadores multi-dominio que permitan rastrear con precisión la dinámica de las arritmias identificando fuentes dominantes y atractores con alta precisión para ser dianas de estrategias terapeúticas innovadoras. Es por ello que uno de los objetivos fundamentales ha sido la implantación y validación de nuevos sistemas de mapeo en distintas configuraciones que sirvan de plataforma de desarrollo de nuevas estrategias terapeúticas. Aunque el mapeo panorámico es el método principal y más completo para rastrear simultáneamente biomarcadores electrofisiológicos, su adopción por la comunidad científica es limitada principalmente debido al coste elevado de la tecnología. Aprovechando los avances tecnológicos recientes, nos hemos enfocado en desarrollar, y validar, sistemas de mapeo óptico de alta resolución para registro panorámico cardíaco, utilizando modelos clínicamente relevantes para la investigación básica y la bioingeniería. / [CAT] Les arítmies cardíaques són un problema important per als sistemes de salut del món desenvolupat a causa de la seva alta incidència i prevalença a mesura que la població envelleix. La fibril·lació auricular (FA) i la fibril·lació ventricular (FV), es troben entre les arítmies més complexes observades a la pràctica clínica. Les conseqüències clíniques d'aquests trastorns arítmics inclouen el desenvolupament d'esdeveniments cardioembòlics complexos en FA i repercussions dramàtiques a causa de processos fibril·latoris sostinguts que posen en perill la vida amb danys neurològics posteriors a la FV, que condueixen a una aturada cardíaca i a la mort cardíaca sobtada (SCD). Tanmateix, malgrat els avanços tecnològics de les darreres dècades, els seus mecanismes intrínsecs s'entenen de forma incompleta i, fins a la data, les estratègies terapèutiques no tenen una base mecanicista suficient i tenen baixes taxes d'èxit. La majoria dels avenços en el desenvolupament de biomarcadors òptims i noves estratègies terapèutiques en aquest camp provenen de tècniques valuoses en la investigació de mecanismes d'arítmia. Entre els mecanismes implicats en la inducció i perpetuació de les arítmies cardíaques, es creu que les fonts primàries subjacents a l'arítmia són les fonts focals reingressants d'alta freqüència dinàmica i AF, en les seves diferents modalitats. Tot i això, se sap poc sobre els atractors i la dinàmica espaciotemporal d'aquestes fonts primàries fibril·ladores, específicament les fonts rotacionals o focals dominants que mantenen l'arítmia. Per tant, s'ha desenvolupat una plataforma computacional per entendre determinants actius, passius, estructurals i moduladors d'aquestes dinàmiques. Això va permetre establir un marc per entendre la complexa dinàmica multidomini dels rotors amb ènfasi en les seves propietats deterministes per desenvolupar enfocaments mecanicistes per a l'ajuda i la teràpia diagnòstiques. La comprensió dels processos fibril·latoris és clau per desenvolupar puntuacions i eines rellevants fisiològicament i clínicament per ajudar al diagnòstic precoç. Concretament, les propietats espectrals i de temps-freqüència dels processos fibril·latoris han demostrat destacar un comportament determinista important dels mecanismes intrínsecs subjacents a les arítmies i l'impacte d'aquests esdeveniments arítmics. Mitjançant coneixements previs, processament de senyals, tècniques d'aprenentatge automàtic i anàlisi de dades, es va desenvolupar una puntuació de risc mecanicista a la aturada cardíaca per FV. Les tècniques de cartografia òptica cardíaca i electrofisiològica han demostrat ser recursos inestimables per donar forma a noves hipòtesis i desenvolupar nous enfocaments mecanicistes i estratègies terapèutiques. Aquesta tecnologia ha permès durant molts anys provar noves estratègies terapèutiques farmacològiques o ablatives i desenvolupar mètodes multidominis per fer un seguiment precís de la dinàmica d'arrímies que identifica fonts i atractors dominants. Tot i que el mapatge panoràmic és el mètode principal per al seguiment simultani de paràmetres electrofisiològics, la seva adopció per part de la comunitat multidisciplinària d'investigació cardiovascular està limitada principalment pel cost de la tecnologia. Aprofitant els avenços tecnològics recents, ens centrem en el desenvolupament i la validació de sistemes de mapes òptics de baix cost per a imatges panoràmiques mitjançant models clínicament rellevants per a la investigació bàsica i la bioenginyeria. / [EN] Cardiac arrhythmias are a major problem for health systems in the developed world due to their high incidence and prevalence as the population ages. Atrial fibrillation (AF) and ventricular fibrillation (VF), are amongst the most complex arrhythmias seen in the clinical practice. Clinical consequences of such arrhythmic disturbances include developing complex cardio-embolic events in AF, and dramatic repercussions due to sustained life-threatening fibrillatory processes with subsequent neurological damage under VF, leading to cardiac arrest and sudden cardiac death (SCD). However, despite the technological advances in the last decades, their intrinsic mechanisms are incompletely understood, and, to date, therapeutic strategies lack of sufficient mechanistic basis and have low success rates. Most of the progress for developing optimal biomarkers and novel therapeutic strategies in this field has come from valuable techniques in the research of arrhythmia mechanisms. Amongst the mechanisms involved in the induction and perpetuation of cardiac arrhythmias such AF, dynamic high-frequency re-entrant and focal sources, in its different modalities, are thought to be the primary sources underlying the arrhythmia. However, little is known about the attractors and spatiotemporal dynamics of such fibrillatory primary sources, specifically dominant rotational or focal sources maintaining the arrhythmia. Therefore, a computational platform for understanding active, passive and structural determinants, and modulators of such dynamics was developed. This allowed stablishing a framework for understanding the complex multidomain dynamics of rotors with enphasis in their deterministic properties to develop mechanistic approaches for diagnostic aid and therapy. Understanding fibrillatory processes is key to develop physiologically and clinically relevant scores and tools for early diagnostic aid. Specifically, spectral and time-frequency properties of fibrillatory processes have shown to highlight major deterministic behaviour of intrinsic mechanisms underlying the arrhythmias and the impact of such arrhythmic events. Using prior knowledge, signal processing, machine learning techniques and data analytics, we aimed at developing a reliable mechanistic risk-score for comatose survivors of cardiac arrest due to VF. Cardiac optical mapping and electrophysiological mapping techniques have shown to be unvaluable resources to shape new hypotheses and develop novel mechanistic approaches and therapeutic strategies. This technology has allowed for many years testing new pharmacological or ablative therapeutic strategies, and developing multidomain methods to accurately track arrhymia dynamics identigying dominant sources and attractors. Even though, panoramic mapping is the primary method for simultaneously tracking electrophysiological parameters, its adoption by the multidisciplinary cardiovascular research community is limited mainly due to the cost of the technology. Taking advantage of recent technological advances, we focus on developing and validating low-cost optical mapping systems for panoramic imaging using clinically relevant models for basic research and bioengineering. / Calvo Saiz, CJ. (2022). Novel Cardiac Mapping Approaches and Multimodal Techniques to Unravel Multidomain Dynamics of Complex Arrhythmias Towards a Framework for Translational Mechanistic-Based Therapeutic Strategies [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182329 / TESIS

[ES] La electrofisiología extracelular es una técnica ampliamente usada en investigación neurocientífica, la cual estudia el funcionamiento del cerebro mediante la medición de campos eléctricos generados por la actividad neuronal. Esto se realiza a través de electrodos implantados en el cerebro y conectados a dispositivos electrónicos para amplificación y digitalización de las señales. De los muchos modelos animales usados en experimentación, las ratas y los ratones se encuentran entre las especies más comúnmente utilizadas. Actualmente, la experimentación electrofisiológica busca condiciones cada vez más complejas, limitadas por la tecnología de los dispositivos de adquisición. Dos aspectos son de particular interés: Realimentación de lazo cerrado y comportamiento en condiciones naturales. En esta tesis se presentan desarrollos con el objetivo de mejorar diferentes facetas de estos dos problemas. La realimentación en lazo cerrado se refiere a todas las técnicas en las que los estímulos son producidos en respuesta a un evento generado por el animal. La latencia debe ajustarse a las escalas temporales bajo estudio. Los sistemas modernos de adquisición presentan latencias en el orden de los 10ms. Sin embargo, para responder a eventos rápidos, como pueden ser los potenciales de acción, se requieren latencias por debajo de 1ms. Además, los algoritmos para detectar los eventos o generar los estímulos pueden ser complejos, integrando varias entradas de datos en tiempo real. Integrar el desarrollo de dichos algoritmos en las herramientas de adquisición forma parte del diseño experimental. Para estudiar comportamientos naturales, los animales deben ser capaces de moverse libremente en entornos emulando condiciones naturales. Experimentos de este tipo se ven dificultados por la naturaleza cableada de los sistemas de adquisición. Otras restricciones físicas, como el peso de los implantes o limitaciones en el consumo de energía, pueden también afectar a la duración de los experimentos, limitándola. La experimentación puede verse enriquecida cuando los datos electrofisiológicos se ven complementados con múltiples fuentes distintas. Por ejemplo, seguimiento de los animales o miscroscopía. Herramientas capaces de integrar datos independientemente de su origen abren la puerta a nuevas posibilidades. Los avances tecnológicos presentados abordan estas limitaciones. Se han diseñado dispositivos con latencias de lazo cerrado inferiores a 200us que permiten combinar cientos de canales electrofisiológicos con otras fuentes de datos, como vídeo o seguimiento. El software de control para estos dispositivos se ha diseñado manteniendo la flexibilidad como objetivo. Se han desarrollado interfaces y estándares de naturaleza abierta para incentivar el desarrollo de herramientas compatibles entre ellas. Para resolver los problemas de cableado se siguieron dos métodos distintos. Uno fue el desarrollo de headstages ligeros combinados con cables coaxiales ultra finos y conmutadores activos, gracias al seguimiento de animales. Este desarrollo permite reducir el esfuerzo impuesto a los animales, permitiendo espacios amplios y experimentos de larga duración, al tiempo que permite el uso de headstages con características avanzadas. Paralelamente se desarrolló un tipo diferente de headstage, con tecnología inalámbrica. Se creó un algoritmo de compresión digital especializado capaz de reducir el ancho de banda a menos del 65% de su tamaño original, ahorrando energía. Esta reducción permite baterías más ligeras y mayores tiempos de operación. El algoritmo fue diseñado para ser capaz de ser implementado en una gran variedad de dispositivos. Los desarrollos presentados abren la puerta a nuevas posibilidades experimentales para la neurociencia, combinando adquisición elextrofisiológica con estudios conductuales en condiciones naturales y estímulos complejos en tiempo real. / [CA] L'electrofisiologia extracel·lular és una tècnica àmpliament utilitzada en la investigació neurocientífica, la qual permet estudiar el funcionament del cervell mitjançant el mesurament de camps elèctrics generats per l'activitat neuronal. Això es realitza a través d'elèctrodes implantats al cervell, connectats a dispositius electrònics per a l'amplificació i digitalització dels senyals. Dels molts models animals utilitzats en experimentació electrofisiològica, les rates i els ratolins es troben entre les espècies més utilitzades. Actualment, l'experimentació electrofisiològica busca condicions cada vegada més complexes, limitades per la tecnologia dels dispositius d'adquisició. Dos aspectes són d'especial interès: La realimentació de sistemes de llaç tancat i el comportament en condicions naturals. En aquesta tesi es presenten desenvolupaments amb l'objectiu de millorar diferents aspectes d'aquestos dos problemes. La realimentació de sistemes de llaç tancat es refereix a totes aquestes tècniques on els estímuls es produeixen en resposta a un esdeveniment generat per l'animal. La latència ha d'ajustar-se a les escales temporals sota estudi. Els sistemes moderns d'adquisició presenten latències en l'ordre dels 10ms. No obstant això, per a respondre a esdeveniments ràpids, com poden ser els potencials d'acció, es requereixen latències per davall de 1ms. A més a més, els algoritmes per a detectar els esdeveniments o generar els estímuls poden ser complexos, integrant varies entrades de dades a temps real. Integrar el desenvolupament d'aquests algoritmes en les eines d'adquisició forma part del disseny dels experiments. Per a estudiar comportaments naturals, els animals han de ser capaços de moure's lliurement en ambients emulant condicions naturals. Aquestos experiments es veuen limitats per la natura cablejada dels sistemes d'adquisició. Altres restriccions físiques, com el pes dels implants o el consum d'energia, poden també limitar la duració dels experiments. L'experimentació es pot enriquir quan les dades electrofisiològiques es complementen amb dades de múltiples fonts. Per exemple, el seguiment d'animals o microscòpia. Eines capaces d'integrar dades independentment del seu origen obrin la porta a noves possibilitats. Els avanços tecnològics presentats tracten aquestes limitacions. S'han dissenyat dispositius amb latències de llaç tancat inferiors a 200us que permeten combinar centenars de canals electrofisiològics amb altres fonts de dades, com vídeo o seguiment. El software de control per a aquests dispositius s'ha dissenyat mantenint la flexibilitat com a objectiu. S'han desenvolupat interfícies i estàndards de naturalesa oberta per a incentivar el desenvolupament d'eines compatibles entre elles. Per a resoldre els problemes de cablejat es van seguir dos mètodes diferents. Un va ser el desenvolupament de headstages lleugers combinats amb cables coaxials ultra fins i commutadors actius, gràcies al seguiment d'animals. Aquest desenvolupament permet reduir al mínim l'esforç imposat als animals, permetent espais amplis i experiments de llarga durada, al mateix temps que permet l'ús de headstages amb característiques avançades. Paral·lelament es va desenvolupar un tipus diferent de headstage, amb tecnologia sense fil. Es va crear un algorisme de compressió digital especialitzat capaç de reduir l'amplada de banda a menys del 65% de la seua grandària original, estalviant energia. Aquesta reducció permet bateries més lleugeres i majors temps d'operació. L'algorisme va ser dissenyat per a ser capaç de ser implementat a una gran varietat de dispositius. Els desenvolupaments presentats obrin la porta a noves possibilitats experimentals per a la neurociència, combinant l'adquisició electrofisiològica amb estudis conductuals en condicions naturals i estímuls complexos en temps real. / [EN] Extracellular electrophysiology is a technique widely used in neuroscience research. It can offer insights on how the brain works by measuring the electrical fields generated by neural activity. This is done through electrodes implanted in the brain and connected to amplification and digitization electronic circuitry. Of the many animal models used in electrophysiology experimentation, rodents such as rats and mice are among the most popular species. Modern electrophysiology experiments seek increasingly complex conditions that are limited by acquisition hardware technology. Two particular aspects are of special interest: Closed-loop feedback and naturalistic behavior. In this thesis, we present developments aiming to improve on different facets of these two problems. Closed-loop feedback encompasses all techniques in which stimuli is produced in response of an event generated by the animal. Latency, the time between trigger event and stimuli generation, must adjust to the biological timescale being studied. While modern acquisition systems feature latencies in the order of 10ms, response to fast events such as high-frequency electrical transients created by neuronal activity require latencies under $1ms$. In addition, algorithms for triggering or generating closed-loop stimuli can be complex, integrating multiple inputs in real-time. Integration of algorithm development into acquisition tools becomes an important part of experiment design. For electrophysiology experiments featuring naturalistic behavior, animals must be able to move freely in ecologically meaningful environments, mimicking natural conditions. Experiments featuring elements such as large arenaa, environmental objects or the presence of another animals are, however, hindered by the wired nature of acquisition systems. Other physical constraints, such as implant weight or power restrictions can also affect experiment time, limiting their duration. Beyond the technical limits, complex experiments are enriched when electrophysiology data is integrated with multiple sources, for example animal tracking or brain microscopy. Tools allowing mixing data independently of the source open new experimental possibilities. The technological advances presented on this thesis addresses these topics. We have designed devices with closed-loop latencies under 200us while featuring high-bandwidth interfaces. These allow the simultaneous acquisition of hundreds of electrophysiological channels combined with other heterogeneous data sources, such as video or tracking. The control software for these devices was designed with flexibility in mind, allowing easy implementation of closed-loop algorithms. Open interface standards were created to encourage the development of interoperable tools for experimental data integration. To solve wiring issues in behavioral experiments, we followed two different approaches. One was the design of light headstages, coupled with ultra-thin coaxial cables and active commutator technology, making use of animal tracking. This allowed to reduce animal strain to a minimum allowing large arenas and prolonged experiments with advanced headstages. A different, wireless headstage was also developed. We created a digital compression algorithm specialized for neural electrophysiological signals able to reduce data bandwidth to less than 65.5% its original size without introducing distortions. Bandwidth has a large effect on power requirements. Thus, this reduction allows for lighter batteries and extended operational time. The algorithm is designed to be able to be implemented in a wide variety of devices, requiring low hardware resources and adding negligible power requirements to a system. Combined, the developments we present open new possibilities for neuroscience experiments combining electrophysiology acquisition with natural behaviors and complex, real-time, stimuli. / The research described in this thesis was carried out at the Polytechnic University of Valencia (Universitat Politècnica de València), Valencia, Spain in an extremely close collaboration with the Neuroscience Institute - Spanish National Research Council - Miguel Hernández University (Instituto de Neurociencias - Consejo Superior de Investigaciones Cientí cas - Universidad Miguel Hernández), San Juan de Alicante, Spain. The projects described in chapters 3 and 4 were developed in collabo- ration with, and funded by, Open Ephys, Cambridge, MA, USA and OEPS - Eléctronica e produção, unipessoal lda, Algés, Portugal. / Cuevas López, A. (2021). Development of Advanced Closed-Loop Brain Electrophysiology Systems for Freely Behaving Rodents [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/179718 / TESIS