Made available in DSpace on 2014-07-29T15:08:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao fabio b rodrigues.pdf: 2707992 bytes, checksum: 8e5e7c8d4e6f975bb6e22b0b760695a6 (MD5) Previous issue date: 2010-04-23 / From motoneurons models (MN) of complex geometry and structure, able to reproduce the characteristics of a real motoneuron, the aim of this work is to verify the functional differences between proximal and distal synapses, investigating the nonlinearities in passive equivalent dendrites of motoneuron models and to study the influence of persistent calcium channels type L (Cav1.3), present in the dendrites, in the synaptic amplification. The original models developed by Vieira and Kohn (2007), implemented in C++, were expanded. This allowed to accomplish tests in order to verify the functional differences of synapses that occur near the soma and along of the dendrites. Persistent channels of calcium (CaV1.3) were modeled in dendrites and the influence of these channels in the amplification of the synaptic currents along the dendrites was verified. Finally, the nonlinearities of responses degree in the dendritic tree for different synaptic activation was evaluated. In order to verify the functional differences between proximal and distal synapses pure sinusoids were injected in different dendritic compartments of the models. The results showed attenuation at higher frequencies and the cutoff frequency is smaller as we move along the dendrites far from the soma. The influence of persistent calcium channels was verified comparing the functional differences between proximal and distal synapses along of the soma, with and without them. The initial results showed a notable amplification of synaptic activation. Nonlinear interactions were evaluated using sinusoids synaptic inputs with different frequencies in two or more equivalent dendrites in different compartments. The frequency spectrum of the current between the initial segment and the soma was analyzed by comparing the peak amplitude of harmonics and spurious bands with the peak amplitude of the fundamental frequency of smaller amplitude: the smaller these differences were, greater was degree of nonlinearity between synaptic activation in different dendritic segments. The results showed a high degree of nonlinearity between the dendrites. The cases where the synaptic conductance was varied showed greater degree of nonlinearity in relation to the cases in which the synaptic current was varied. / A partir de modelos de motoneurônios (MN) de geometria e estrutura complexa e capacidade de reproduzir as características de um motoneurônio real, este trabalho tem como objetivos verificar as diferenças funcionais entre sinapses proximais e distais, investigar as interações não lineares de ativações sinápticas e estudar a influência dos canais persistentes de Ca2+ tipo L existentes nos dendritos na amplificação sináptica. Para isso, os modelos originais desenvolvidos por Vieira e Kohn (2007), implementados em C++, foram expandidos. Isso possibilitou a realização de testes que verificaram as diferenças funcionais de sinapses que ocorrem em segmentos dendríticos distintos. Foram modelados canais de cálcio tipo L (CaV1.3) nos dendritos, verificando a influência destes na amplificação das correntes sinápticas e avaliando o grau de não linearidade da arborização dendrítica para diferentes ativações sinápticas. A verificação das diferenças funcionais entre as sinapses proximais e distais foi realizada, pela injeção de senoides puras em diferentes compartimentos dendríticos do modelo. Os resultados mostraram atenuações mais intensas nas altas frequências e frequência de corte mais baixa em compartimentos dendríticos mais distantes do soma. A influência dos canais persistentes de cálcio foi verificada comparando as diferenças funcionais entre sinapses proximais e distais ao soma com e sem os canais de cálcio persistentes. Os resultados apontam amplificação da ativação sináptica. As interações não lineares foram avaliadas aplicando potenciais senoidais pós-sinápticos com frequências primas entre si, em dois ou mais dendritos equivalentes simultaneamente e em compartimentos dendríticos diferentes. O espectro de frequência da corrente efetiva foi analisado, comparando a amplitude do pico das harmônicas e das raias espúrias com a amplitude do pico da frequência fundamental de menor amplitude: quanto menores estas diferenças maior o grau de não linearidade entre as ativações sinápticas em segmentos dendríticos distintos. Os resultados sugerem um alto grau de não linearidade entre os dendritos. Notou-se que, nas situações, quando variou-se a condutância sináptica, maior foi o grau de não linearidade em relação aos casos em que variou-se a corrente sináptica, sugerindo influência do potencial de membrana que introduz não linearidades na somação de correntes sinápticas.

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The dendritic branch was simulated in an active manner, simulating the presence of calcium –L channels in dendrites. A hyperpolarizing current has been identified as the responsible for the decrease of temporal summation in hyppocampal’s neurons, therefore, we also simulated these channels in order to detect their influence on temporal summation. Temporal summation was evaluated applying synaptic currents of 20 Hz, and also applying excitatory post-synaptic currents–shaped (EPSC-shaped) inputs in the dendrite of the model with a pseudo-random distance between each peak. Results indicated that the presence of a hyperpolarizing current, which turns off during membrane depolarization, can counteract the temporal summation effects introduced by the calcium-L channels, minimizing the location-dependent variability for high input values. Minimizing the effects of variability is interesting because similar input pattern applied in a proximal or distal dendrite will cause the same output in soma, standardizing the input/output relationship of the motorneuron. The hyperpolarizing current, however, greatly reduces the excitability of the cell so that it can lead to variability in the output if the distal or proximal input applied is very low, since the distal one will be unable to trigger an action potential. There may be an interaction between the calcium –L channels, the hyperpolarizing current channels and the monoamine levels which will modulate the input/output relationship of the motoneuron. / Modelos matemáticos de motoneurônios são utilizados para auxiliar a compreensão dos fenômenos do sistema neuromuscular. Este estudo tem como objetivo analisar as correntes envolvidas no processo de somação temporal e no fenômeno de variabilidade dependente da localização da entrada sináptica (Location-Dependent Variability - LDV), utilizando para isso modelos de motoneurônios do tipo S e do tipo FF. A somação temporal foi definida como o aumento percentual da despolarização do soma para um trem de entradas sinápticas. A LDV é a variabilidade dos padrões de disparos no soma para mesmos padrões de entrada aplicados em dendritos distais ou proximais. Os modelos construídos foram parametrizados para motoneurônios de gatos e validados de acordo com protocolos descritos na literatura. A arborização dendrítica foi simulada de maneira ativa, com a presença de canais de cálcio do tipo -L nos dendritos. Uma corrente hiperpolarizante tem sido apontada como a responsável pela diminuição da somação temporal em neurônios do hipocampo, de maneira que essa corrente também foi incluída de maneira a detectar sua influência na somação temporal. A somação temporal foi avaliada por meio da aplicação de correntes sinápticas de 20 Hz e também pela aplicação de correntes na forma de correntes excitatórias pós-sinápticas (EPSC – Excitatory Post-Synaptic Currents) nos dendritos dos modelos com espaçamento entre picos pseudo-aleatórios. Os resultados indicaram que a presença de uma corrente hiperpolarizante, que se desativa durante a despolarização da membrana, pode contrabalancear os efeitos da somação temporal introduzida pela corrente de cálcio do tipo -L, minimizando a variabilidade dependente de localização de entrada para valores de corrente de entrada altos. A minimização dos efeitos da variabilidade possibilita que padrões semelhantes de entrada aplicados em um dendrito proximal ou distal produzam uma mesma saída no soma, padronizando a relação entrada/saída do motoneurônio. A corrente hiperpolarizante, no entanto, diminui bastante a excitabilidade da célula, de maneira que pode levar a uma variabilidade entre a entrada distal e a proximal para valores de corrente de entrada muito baixos, já que a entrada distal pode não conseguir levar ao disparo. É possível que haja uma interação entre os canais de cálcio –L, os canais de corrente hiperpolarizante e os níveis de monoaminas que irá modular a relação de entrada/saída do motoneurônio.