La esperanza de vida y la prevalencia de enfermedades neurodegenerativas asociadas a la edad continua in crescendo, por lo que el deterioro cognitivo asociado al envejecimiento y la perdida de memoria son problemas acuciantes en el ámbito de la salud. La memantina, antagonista de los receptores NMDA de glutamato, es un fármaco de elección en la enfermedad de Alzheimer. Los objetivos de esta tesis son, pues: i) investigar el efecto de la edad y la privación de sueño en un modelo animal de O. degus, mediante la evaluación del aprendizaje, la memoria espacial y la memoria de trabajo; ii) explorar el efecto de la memantina sobre el deterioro cognitivo inducido por privación de sueño; iii) explorar si existe una posible relación entre la edad y los niveles de corticosterona y el grado de ejecución conductual en los distintos paradigmas de memoria y aprendizaje; y iv) explorar la contribución de diferentes neurotransmisores implicados en los procesos de memoria, aprendizaje y regulación del sueño, en el contexto del envejecimiento y el deterioro cognitivo asociado a la edad en un potencial modelo roedor para la EA. La metodología utilizada para llevar a cabo los objetivos consiste en i) gente-handling para la inducción de privación de sueño; ii) paradigmas conductuales para la evaluación del aprendizaje y la memoria, en concreto la Radial Arm Maze, el Barnes Maze y la tarea de Novel Object Recognition; iii) la técnica de ensayo por inmunoabsorción ligado a enzimas (ELISA) para determinar los niveles de corticosterona en plasma sanguíneo; y iv) cromatografía líquida de alta eficacia (HPLC) para la detección y cuantificación de neurotransmisores. Los resultados obtenidos en esta tesis demuestran que la privación de sueño es un paradigma válido para inducir deterioro cognitivo transitorio en los estudios de memoria que se sirvan del O. degus como modelo experimental. Asimismo, se muestra que la edad es un factor de sensibilización para el efecto de la privación de sueño, ya que el deterioro producido por este procedimiento es significativamente mayor en los animales de mayor edad. Además, en esta tesis se demuestra que la privación de sueño incrementa los niveles de corticosterona plasmática de forma significativa respecto a los niveles obtenidos tras un periodo de sueño normal. Este incremento aumenta significativamente con la edad. Asimismo, que los niveles de Glut, ACh y 5HT en la corteza frontal y el hipocampo del O. degus, se ven alterados con la edad: la ACh y la 5-HT disminuyen en la corteza y el hipocampo, respectivamente, mientras que el Glut aumenta en ambas estructuras. También se demuestra en esta tesis que la memantina administrada previamente a la privación de sueño tiene un efecto protector significativo sobre el deterioro cognitivo que se mantiene en los individuos añosos. Asimismo, los resultados obtenidos aquí muestran que la relación entre el Glut, la ACh, la 5-HT y los niveles de corticosterona alterados por la privación de sueño indican deterioro cognitivo. Por último, que la mejoría en la ejecución de las tareas tras la administración de memantina revela un papel crítico de este neurotransmisor en los procesos de memoria de referencia y memoria de trabajo evaluados mediante los paradigmas de RAM, BM y NOR, y confirmaría la prescripción de este fármaco en el deterioro de los procesos mnésicos asociados a la edad. / Cognitive impairment induced by sleep deprivaton: effect of age and memantine treatment Abstract Given the increase in both the life expectancy and the prevalence of different age-related neurodegenerative diseases, age-related cognitive impairment is a worth focusing issue as regards health. Among the symptoms of such impairment, memory decline is the most striking. Therefore, several drugs are being developed to improve cognitive symptomatology in age-related diseases like Alzheimer’s disease. One of these drugs is memantine. Thus, this thesis aims to i) investigate the effect of age and sleep deprivation in a model of O. degus, throughout the evaluation of learning and spatial and working memories; ii) to explore the effect of memantine on the cognitive impairment induced by sleep deprivation; iii) to explore the relationship between corticosterone plasma levels and the cognitive performance assessed with the different behavioural paradigms; and iv) to explore the role of several neurotransmitters involved in learning, memory and sleep regulation in a context of aging and age-related cognitive impairment in a putative rodent model of AD. The methodological procedures used to achieve these objectives were i) gentle-handling to induce sleep deprivation; ii) behavioural paradigms for the assessment of learning and memory, more specifically the Radial Arm Maze, Barnes Maze and Novel Object Recognition task; iii) the Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay technique for the determination of plasmatic corticosterone levels; and iv) High Performance Liquid Chromatography for neurotransmitters determination and quantification. The results obtained in this thesis show that sleep deprivation is an effective procedure to induce a transitory cognitive impairment in the O. degus. Also, it is shown that age is a sensitization factor for the effect of sleep deprivation, given that the impairment achieved is significantly higher in aged animals. Moreover, the results in this thesis demonstrate that plasma corticosterone levels are increased by sleep deprivation in comparison with the corticosterone levels found after a normal sleep period, and that this difference significantly increases with age. Together with this, the results show that both cortical and hippocampal levels of Glut, Ach, and 5HT are altered with age: on the one hand, ACh and 5HT are reduced in cortex and hippocampus, respectively. On the other hand, Glut is increased in both structures. The results presented in this thesis also demonstrate that memantine, administered prior to sleep deprivation, shows a protective effect over the cognitive impairment induced by this procedure, and that this effect is also present in aged animals. Furthermore, the relationship between Glut, Ach, and 5HT levels, together with the increased corticosterone found after sleep deprivation indicate cognitive impairment. Lastly, it is demonstrated that the improvement in cognitive performance after memantine administration reveals a determinant role for this system in both reference and working memory processes assessed by RAM, BM and NOR, and further supports the use of this drug for the treatment of age-related memory alterations.

La pèrdua de contactes sinàptics és un fenomen que té lloc en tot el sistema nerviós durant la histogènesis dels circuits neuronals. La superproducció sinàptica inicial ve seguida d'una pèrdua de sinapsis anomenada eliminació sinàptica durant el desenvolupament, en l'envelliment i en algunes malalties. Les neurotrofines, són proteïnes essencials per la supervivència de les motoneurones i també participen en altres processos biològics. Amb el model neuromuscular de rosegadors hem investigat la localització de les neurotrofines (BDNF, NT-3 i NT-4) i els seus receptors (TrkB, TrkC i p75NTR) i la implicació en el procés de desconnexió i eliminació sinàptiques en el període postnatal i en el control local de la neurotransmissió colinèrgica de les sinapsis neuromusculars neonatals i adultes.Els principals resultats demostren que les neurotrofines i els seus receptors es localitzen en els components cel·lulars de la sinapsi neuromuscular i que exerceixen diferents efectes en l'alliberament de l'ACh i en el procés de l'eliminació sinàptica. / The loss of synaptic contacts is a phenomenon that it takes place in all the nervous system during the histogenesis of neural circuits. The initial synaptic superproduction comes followed by a synaptic contacts loss called synaptic elimination, given in the development period and also in the aging and in some illnesses. Neurotrophins are essential proteins for the survival of the motorneuron and also can participate in other biological processes.With the neuromuscular model of rodents we investigate the neurotrophins location (BDNF, NT-3 and NT-4) and its receptors (TrkB, TrkC and p75NTR) and its involvement in the disconnection process and synaptic elimination in the postnatal period and in the local control of the cholinergic neurotransmission in the neonatal and adult neuromuscular junctions.The main results demonstrate that neurotrophins and its receptors are found in the cellular components of the neuromuscular junction and exert different effects in the ACh release and in the process of synaptic elimination.

Disponer de marcadores biológicos que puedan asociarse al pronóstico de la adicción supondría un avance en el tratamiento. La cuantificación de los bostezos inducidos tras la administración de apomorfina permite evaluar, indirectamente, la sensibilización del sistema dopaminérgico, en lo que se conoce como Test de Apomorfina (TA). Se realiza un ensayo clínico aleatorizado doble ciego en 39 pacientes con un Trastorno por dependencia de cocaína, según criterios DSM-IV-TR reclutados en la unidad de adicciones del Hospital Vall Hebron. Los TA se realizan en la Unidad Hospitalaria de Desintoxicación y constan de dos partes: la administración subcutánea de 0´005 mg/kg de apomorfina y la observación durante 45 minutos y una segunda administración subcutánea de placebo y la observación durante 45 minutos o viceversa. Se realizan dos TA el día 1 y el día 11/12. El paciente es seguido durante 21 semanas y se comparan los bostezos de pacientes que recaen precozmente (durante las primeras 4 semanas tras realizar la desintoxicación) o no precozmente. Los pacientes con recaída precoz presentan mayor número de bostezos en la suma del TA realizado el día 1 y el realizado el 11/12 de la desintoxicación, en comparación con los que recaen tardíamente. Por lo tanto la suma de los dos TA es un predictor de recaídas. Los pacientes que bostezan más en el TA completo (suma de los bostezos inducidos por apomorfina y por placebo) del día 1 recaen precozmente, siendo un predictor de recaídas. Se puede establecer un modelo con un punto de corte de 7 bostezos en el primer TA completo que tiene una sensibilidad del 61´9% y una especificidad del 70´6%. El TA es un instrumento fácilmente aplicable en la práctica clínica diaria y puede ser un marcador de riesgo de recaídas precoces. / Having biological markers that may be associated with the prognosis of addiction would be a breakthrough in the treatment. Quantification of yawning induced after apomorphine administration evaluates indirectly raising the dopaminergic system, in what is known as Apomorphine Test (AT). A clinical double-blind clinical trial was performed in 39 cocaine-dependent patients according to DSM-IV-TR, they were recruited addictions unit of the Hospital Vall Hebron. The TA is done in the Hospital Detoxification Unit and consist of two parts: the subcutaneous administration of 0.005 mg / kg of apomorphine and observation for 45 minutes and a second subcutaneous administration of placebo and observation for 45 minutes or vice versa. Two AT on day 1 and day 11/12 are performed. A 21 weeks follow-up were performed 21 weeks and patients who relapse early (during the first 4 weeks after performing detoxification) or non early are compared. Patients with early relapse have as many yawns in the sum of TA performed on Day 1 and completed the detoxification 11/12, compared with late levied. Therefore the sum of the two TA is a predictor of relapse. Yawning more patients in complete AT (sum of apomorphine-induced yawning and placebo) from Day 1 fall precociously, being a predictor of relapse. We proposed a model with a cutoff of 7 yawns in the first full AT which has a 61'9% sensitivity and specificity of 70'6%. The TA is an easily applicable tool in daily clinical practice and may be a marker for risk of early relapse.

Objective: To assess the safety of intraspinal infusion of autologous bone marrow mononuclear cells (BMNC) and, ultimately, to look for histopathological signs of cellular neurotrophism in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) patients. Methods: We conducted an open single arm phase I trial. After six months observation, autologous BMNC were infused into the posterior spinal cord funiculus. Safety was the primary endpoint and was defined as the absence of serious transplant-related adverse events. In addition, forced vital capacity (FVC) and ALS-FRS, MRC and Norris scales were assessed six and three months prior to the transplant and quarterly afterwards for one year. Pathological studies were performed in case of death. Results: Eleven patients were included. We did not observe any severe transplant-related adverse event but there were 43 non-severe events. Twenty-two (51%) resolved in ≤2 weeks and only four were still present at the end of follow-up. All were CTCAE grade ≤2. No acceleration in the rate of decline of FVC, ALS-FRS, Norris or MRC scales was observed. Four patients died on days 359, 378, 808 and 1058 postransplant for reasons unrelated to the procedure. Spinal cord pathological analysis showed a greater number of motoneurons in the treated compared to the untreated segments (4.2+/-0.8 mns/section and 0.9+/-0.3 mns/section, respectively). In the treated segments, motoneurons were surrounded by CD90+ cells and did not show degenerative ubiquitin deposits. Interpretation: This clinical trial confirms not only the safety of intraspinal infusion of autologous BMNC in ALS patients but also provides evidence strongly suggesting their neurotrophic activity. / Nuestro objetivo fue comprobar la seguridad de la infusión intraespinal de células mononucleadas de médula ósea autóloga (BMNCs) y buscar signos de neurotrofismo celular en pacientes con esclerosis lateral amiotrófica (ELA). Realizamos un ensayo fase I, infundiendo BMNCs en el cordón posterior medular. La seguridad se definió como la ausencia de eventos adversos severos relacionados con el tratamiento. Incluimos once pacientes. No hubo eventos adversos severos relacionados con el tratamiento. Tampoco hubo aceleración del deterioro de la capacidad vital forzada ni de las escalas ALS-FRS, Norris o MRC. Cuatro pacientes fallecieron por razones no relacionadas con el tratamiento. Se observó un mayor número de motoneuronas/sección en los segmentos tratados que en los no tratados (4.2±0.8 y 0.9±0.3 respectivamente). Estas motoneuronas estaban rodeadas por células CD90+ y no presentaban depósitos degenerativos. Este estudio confirma la seguridad de la infusión intraespinal de BMNCs en ELA y proporciona evidencias de su actividad neurotrófica.

Tesi per compendi de publicacions. La consulta íntegra de la tesi, inclosos els articles no comunicats públicament per drets d'autor, es pot realitzar prèvia petició a l'Arxiu de la UPC / Electroencephalogram (EEG) recordings provide insight into the changes in brain activity associated with various states of anesthesia, epilepsy, brain attentiveness, sleep disorders, brain disorders, etc. EEG's are complex signals whose statistical properties depend on both space and time. Their randomness and non-stationary characteristics make them impossible to be described in an accurate way with a simple technique, requiring analysis and characterization involves techniques that take into account their non-stationarity. For that, new advanced techniques in order to improve the efficiency of the EEG based methods used in the clinical practice have to be developed. The main objective of this thesis was to investigate and implement different methods based on nonlinear techniques in order to develop indexes able to characterize the frequency spectrum, the nonlinear dynamics and the complexity of the EEG signals recorded in different state of consciousness. Firstly, a new method for removing peak and spike in biological signal based on the signal envelope was successfully designed and applied to simulated and real EEG signals, obtaining performances significantly better than the traditional adaptive filters. Then, several studies were carried out in order to extract and evaluate EEG measures based on nonlinear techniques in different contexts such as the automatic detection of sleepiness and the characterization and prediction of the nociceptive stimuli and the assessment of the sedation level. Four novel indexes were defined by calculating entropy of the Choi-Williams distribution (CWD) with respect to time or frequency, by using the probability mass function at each time instant taken independently or by using the probability mass function of the entire CWD. The values of these indexes tend to decrease, with different proportion, when the behavior of the signals evolved from chaos or randomness to periodicity and present differences when comparing EEG recorded in eyes-open and eyes-closed states and in ictal and non-ictal states. Measures obtained with time-frequency representation, mutual information function and correntropy, were applied to EEG signals for the automatic sleepiness detection in patients suffering sleep disorders. The group of patients with excessive daytime sleepiness presented more power in ¿ band than the group without sleepiness, which presented higher spectral and cross-spectral entropy in the frontal zone in d band. More complexity in the occipital zone was found in the group of patients without sleepiness in ß band, while a stronger nonlinear coupling between the occipital and frontal regions was detected in patients with excessive daytime sleepiness, in ß band. Time-frequency representation and non-linear measures were also used in order to study how adaptation and fatigue affect the event-related brain potentials to stimuli of different modalities. Differences between the responses to infrequent and frequent stimulation in different recording periods were found in series of averaged EEG epochs recorded after thermal, electrical and auditory stimulation. Nonlinear measures calculated on EEG filtered in the traditional frequency bands and in higher frequency bands improved the assessment of the sedation level. These measures were obtained by applying all the developed techniques on signals recorded from patients sedated, in order to predict the responses to pain stimulation such as nail bad compression and endoscopy tube insertion. The proposed measures exhibit better performances than the bispectral index (BIS), a traditional indexes used for hypnosis assessment. In conclusion, nonlinear measures based on time-frequency representation, mutual information functions and correntropy provided additional information that helped to improve the automatic sleepiness detection, the characterization and prediction of the nociceptive responses and thus the assessment of the sedation level. / El registro de la señal Electroencefalografíca (EEG) proporciona información sobre los cambios en la actividad cerebral asociados con varios estados de la anestesia, la epilepsia, la atención cerebral, los trastornos del sueño, los trastornos cerebrales, etc. Los EEG son señales complejas cuyas propiedades estadísticas dependen del espacio y del tiempo. Sus características aleatorias y no estacionarias hacen imposible que el EEG se describa de forma precisa con una técnica sencilla requiriendo un análisis y una caracterización que implica técnicas que tengan en cuenta su no estacionariedad. Todo esto aumenta la necesidad de desarrollar nuevas técnicas avanzadas con el fin de mejorar la eficiencia de los métodos utilizados en la práctica clínica que son basados en el análisis de EEG. En esta tesis se han investigado y aplicado diferentes métodos utilizando técnicas no lineales con el fin de desarrollar índices capaces de caracterizar el espectro de frecuencias, la dinámica no lineal y la complejidad de las señales EEG registradas en diferentes estados de conciencia. En primer lugar, se ha desarrollado un nuevo algoritmo basado en la envolvente de la señal para la eliminación de ruido de picos en las señales biológicas. Este algoritmo ha sido aplicado a señales simuladas y reales obteniendo resultados significativamente mejores comparados con los filtros adaptativos tradicionales. Seguidamente, se han llevado a cabo varios estudios con el fin de extraer y evaluar las medidas de EEG basadas en técnicas no lineales en diferentes contextos. Se han definido nuevos índices mediante el cálculo de la entropía de la distribución de Choi-Williams (DCW) con respecto al tiempo o la frecuencia. Se ha observado que los valores de estos índices tienden a disminuir, en diferentes proporciones, cuando el comportamiento de las señales evoluciona de caótico o aleatorio a periódico. Además, se han encontrado valores diferentes de estos índices aplicados a la señal EEG registrada en diferentes estados. Diferentes medidas basadas en la representación tiempo-frecuencia, la función de información mutua y la correntropia se han aplicado al EEG para la detección automática de la somnolencia en pacientes que sufren trastornos del sueño. Se ha observado en la zona frontal que la potencia en la banda θ es mayor en los pacientes con somnolencia diurna excesiva, mientras que la entropía espectral y la entropía espectral cruzada en la banda δ es mayor en los pacientes sin somnolencia. En el grupo sin somnolencia se ha encontrado más complejidad en la zona occipital, mientras que el acoplamiento no lineal entre las regiones occipital y frontal ha resultado más fuerte en pacientes con somnolencia diurna excesiva, en la banda β. La representación tiempo-frecuencia y las medidas no lineales se han utilizado para estudiar cómo la adaptación y la fatiga afectan a los potenciales cerebrales relacionados con estímulos térmicos, eléctricos y auditivos. Analizando el promedio de varias épocas de EEG grabadas después de la estimulación, se han encontrado diferencias entre las respuestas a la estimulación frecuente e infrecuente en diferentes períodos de registro. Todas las técnicas que se han desarrollado, se han aplicado a señales EEG registradas en pacientes sedados, con el fin de predecir las respuestas a la estimulación del dolor. Un conjunto de medidas calculadas en señales EEG filtradas en diferentes bandas de frecuencia ha permitido mejorar la evaluación del nivel de sedación. Las medidas propuestas han presentado un mejor rendimiento comparado con el índice bispectral, un indicador de hipnosis tradicional. En conclusión, las medidas no lineales basadas en la representación tiempofrecuencia, funciones de información mutua y correntropia han proporcionado informaciones adicionales que contribuyeron a mejorar la detección automática de la somnolencia, la caracterización y predicción de las respuestas nociceptivas y por lo tanto la evaluación del nivel de sedación.

Diversos resultats experimentals, tant en animals com en humans han assenyalat la rellevància dels ritmes corticals en el processament cognitiu cerebral. Aquests resultats mostren com l'activitat neuronal oscil.latòria representa un bon marc de treball per entendre com els grups neuronals coordinen la seva activitat per tal de respondre amb efectivitat davant situacions funcionals específiques. Tots ells suggereixen que l'activitat neuronal oscil.latòria pot representar un enllaç determinant d'unió entre el dinamisme cerebral amb els processos cognitius.En aquest sentit, un cos creixent d'evidències experimentals dóna suport a la perspectiva que les oscil.lacions de l'EEG són subjacents a la generació dels Potencials associats a un Esdeveniment (ERPs). Aquests resultats mostren com la naturalesa oscil.latòria de l'activitat neuronal resultant en una interacció amb l'esdeveniment entrant manifesta diversos patrons de resposta que poden ser estudiats mitjançant la modulació de l'espectre de potència i la realineació de la fase espectral. Aquest dos tipus de mesures ofereixen informació complementària de la dinàmica cortical evocada i, per tant, permeten aprofundir en l'estudi dels mecanismes neuronals subjacents a respostes cerebrals evocades en situacions experimentals específiques. Malgrat tot, actualment encara no és clara la implicació d'aquests processos neuronals oscil.latoris en els ERPs.El present treball aporta evidències experimentals que els patrons oscil.latoris associats a certs ERPs auditius poden ser diferenciats, mostrant com alguns ERPs comparteixen modulacions d'espectre de potència i realineació de fase concurrent, mentre que altres apareixen únicament per la concentració de fase de components freqüencials que es produeix com a conseqüència de l'entrada d'un esdeveniment. En relació a la hipòtesi de la participació de mecanismes neuronals oscil.latoris en l'aparició de certs ERPs, els resultats que aquí es mostren donen suport a que, efectivament, les oscil.lacions neuronals de certs components freqüencials hi tenen un paper determinant.En conclusió, aquest treball posa de relleu que l'anàlisi de la dinàmica témporo-freqüencial cerebral en respostes neuronals evocades (ERPs) estudiades assaig-assaig, permet posar de manifest fenòmens neuronals que queden encoberts amb els procediments clàssics d'estudi dels ERPs, i que poden ser de rellevància per tal d'establir les bases neurofisiològiques de l'activitat cerebral en relació a funcions neuronals específiques. Els resultats aquí presentats aporten evidències experimentals a la perspectiva d'acord amb la qual la dinàmica cerebral subjacent a certes funcions està fonamentada en activitat neuronal oscil.latòria, pel que permet estudiar els mecanismes d'interacció entre estats neuronals espontanis (EEG) i patrons de desposta neuronal evocada (ERPs).

La adaptación que ocurre en el sistema auditivo es un fenónemo que todos experimentamos cuando dejamos de oir sonidos irrelevantes, constantes o incluso molestos. La adaptación para sonidos conocidos aumenta también la sensibilidad y la percepción para estímulos nuevos o poco conocidos. Por tanto, la similaridad entre la historia previa de estimulación y la subsiguiente también puede influenciar la adaptación. La adaptación a la estimulación repetida es un fenómeno que se ha visto en diferentes modalidades sensoriales o especies de animales. El curso temporal de la adaptación en corteza auditiva primaria (A1) se ha estudiado principalmente en intervalos entre estímulos muy rápidos (<400ms) y diferentes mecanismos han sido sugeridos (inhibición sináptica, disbalance excitación-inhibición, inhibición lateral, disminución de la excitación, o inhibición aumentada), aunque los mecanismos intrínsecos neuronales casi no han sido considerados. Por otro lado, numerosos estudios han mostrado el efecto que tiene la anestesia sobre la excitabilidad cortical, pudiendo, por tanto, afectar al estudio de la adaptación. Por último, la adaptación podría estar influenciada por estructuras subcorticales (como el colículo inferior o el tálamo) aunque la influencia intracortical también se ha demostrado. El primer estudio presentado en este trabajo tiene como objetivo caracterizar, en la rata despierta en movimiento, el curso temporal de la adaptación auditiva en las neuronas únicas de A1 aisladas con tetrodos. Con este propósito, se estudió cómo el intervalo entre estímulos, la duración o la intensidad de la estimulación previa afectaba a la amplitud de respuesta y su latencia de respuesta. También se estudió el curso temporal durante la estimulación sostenida y el fenómeno de la postadaptación. La comprensión de cómo la actividad neuronal codifica la información sensorial sigue siendo una cuestión fundamental en el campo de la atención auditiva. Así, la codificación de la información temporal es un aspecto clave en A1. El análisis de la “información mutua” de la respuesta neuronal nos permite cuantificar el contenido de la información de la actividad neuronal. Por otro lado, la variabilidad de la respuesta neuronal podría ser un parámetro clave para la codificación de los estímulos relevantes durante una tarea. También, la respuesta neuronal sostenida se ha sugerido que podría aportar información adicional en el animal en comportamiento. Hasta el momento, se desconoce cómo las neuronas únicas de A1 codifican la categoría temporal de los estímulos auditivos. Con este objetivo se registró la actividad de neuronas únicas en A1, por medio de tetrodos, en el animal en comportamiento. Las ratas debían discriminar si dos sonidos idénticos estaban separados por 150 o 300 ms y se ha estudiado el contenido de la información, la variabilidad y las respuestas post-estímulo de la actividad neuronal en el estado atentivo y el pasivo del animal.

L'atròfia muscular espinal (AME) és una malaltia autosòmica recessiva que es caracteritza per la degeneració i pèrdua de les neurones motores de la banya anterior de la medul·la espinal, el que porta a una paràlisi muscular progressiva a causa de la denervació i atròfia de les fibres musculars. La seva incidència és d'1 de cada 6000/10000 naixements i la freqüència de portadors a la població és aproximadament 1 en 50. La meitat dels casos són formes greus (tipus I) que moren abans dels dos anys d'edat. L'AME està causada per l'absència del gen SMN1 (Survival Motor Neuron) que codifica una proteïna completa i funcional. En canvi, tots els afectats tenen una forma homòloga d'aquest gen, SMN2 que codifica una proteïna incompleta que no pot evitar les manifestacions de la malaltia. Els objectius d'aquesta tesi han estat l'estudi de la malaltia durant el desenvolupament fetal i el període neonatal als teixits principalment afectats (medul·la espinal i múscul esquelètic), a fi i efecte de caracteritzar els mecanismes que porten a la pèrdua de les neurones motores i a l'afectació muscular. En primer lloc, es va poder detectar un increment de la mort neuronal per apoptosi a la banya anterior de la medul·la espinal a fetus AME tipus I respecte als controls. Les neurones motores romanents no van presentar canvis morfològics aparents. Paradoxalment, en el període postnatal es van detectar signes de degeneració neuronal però no d'apoptosi, indicant l'existència de dos mecanismes: un prenatal, amb un augment de la vulnerabilitat del DNA i un altre posterior que porta a la degeneració de les neurones motores. A les neurones motores dels fetus AME es va observar també una regulació alterada del patró d'expressió de les proteïnes anti-apotòtiques Bcl-2 i Bcl-XsubL que podria fer-les més susceptibles a la mort cel·lular programada que s'observa durant el desenvolupament. Al múscul esquelètic de fetus AME es van detectar canvis tant en la mida dels miotubs com en la distribució al comparar-los amb els control, encara que no es va detectar un augment en el nombre de cèl·lules amb el DNA fragmentat ni una alteració en l'expressió de Bcl-2 i Bcl-XsubL. La funció colinèrgica de les neurones motores fetals es va analitzar mitjançant l'enzim colina acetiltransferasa (ChAT), l'expressió del qual apareix a mida que s'estableixen les unions sinàptiques i el contacte amb el múscul. Es va observar una reducció de la seva expressió als fetus AME respecte els control encara que la proporció de neurones ChAT negatives fou similar en ambdós grups. La disminució global de ChAT a l'AME podria ser deguda al menor nombre de neurones i les neurones romanents tindrien una funció colinèrgica similar a la dels controls. Finalment, es va caracteritzar l'expressió del gen SMN2 a fetus AME comparant-se amb els controls (que presenten SMN1 i SMN2). La proteïna SMN2 té un patró d'expressió temporal i espacial similar al de SMN1 a la medul·la i al múscul, tot i que els nivells són inferiors als AME. En canvi, a teixits no afectats per la malaltia com el ronyó, pulmó o intestí, l'expressió és gairebé idèntica als dos grups. Aquí, SMN2 deu compensar l'absència de SMN1, mentre que la medul·la espinal i el múscul tindrien una regulació més específica de SMN2 que comportaria l'aparició de la malaltia.

En els contactes neuronals, l’alliberació de neurotransmissor està bàsicament controlada per la confluència funcional de diversos receptors metabotròpics que modulen les vies de senyalització a través d’un mecanisme que depèn de l’activitat. Actualment, es coneix que l’adenosina i l’ATP alliberats pels terminals nerviosos modulen el metabolisme presinàptic a través dels receptors purinèrgics tipus 1 (anomenats P1R; A1, A2A, A2B i A3) i tipus 2, respectivament. La distribució precisa dels P1Rs en la unió neuromuscular (NMJ) no es coneix amb exactitud. En aquesta tesis mitjançant una combinació de la tècnica d’immunohistoquímica i microscòpia confocal s’ha localitzat aquests receptors en els terminals motors de la NMJ del múscul Levator auris longus de ratolí. A més, s’ha treballat en condicions en les quals la maquinària de la neurotransmissió es troba més preservada. S’ha bloquejat els canals de sodi dependents de voltatge de les cèl·lules musculars amb la μ-conotoxina GIIIB. En els estudis electrofisiològics s’ha mostrat que la presència de moduladors inespecífics i específics dels P1Rs no produeixen canvis en l’alliberació evocada. Per tant, els P1Rs poden no tenir un efecte real en la transmissió neuromuscular en condicions basals. No obstant, aquest receptors limiten l’alliberació espontània d’acetilcolina tenint un paper conservador i poden protegir la funció sinàptica disminuint la magnitud de la depressió durant una activitat repetitiva (40 Hz o 100 Hz durant 2 minuts). A més, s’ha observat una interdependència del mecanisme purinèrgic i muscarínic en la modulació de l’alliberació de neurotransmissor i una cooperació en el control de la depressió. Per un altre banda, un desequilibri dels P1Rs produeix un desacoblament de la proteïna quinasa C en la neurotransmissió evocada. Addicionalment, s’ha observat una interacció funcional d’aquest receptors amb la proteïna quinasa A i els canals de calci dependents de voltatge en la modulació de la neurotransmissió. / En los contactos neuronales, la liberación de neurotransmisor está básicamente controlada por la confluencia funcional de diversos receptores metabotrópicos que modulan las vías de señalización a través de un mecanismo que depende de la actividad. Actualmente, se conoce que la adenosina y el ATP liberados por los terminales nerviosos modulan el metabolismo presináptico a través de los receptores puirnérgicos tipo 1 (llamados P1R; A1, A2A, A2B i A3) y tipo 2, respectivamente. La distribución precisa de los P1Rs en la unión neuromuscular (NMJ) no se conoce con exactitud. En esta tesis mediante una combinación de la técnica de inmunohistoquímica y microscopia confocal se han localizado estos receptores en los terminales nerviosos motores de la NMJ del músculo Levator auris longus de ratón. Además, se ha trabajado en condiciones en las cuales la maquinaria sináptica de la neurotransmisión está más preservada. Se han bloqueado los canales de sodio dependientes de voltaje de las células musculares con la μ-conotoxina GIIIB. En los estudios electrofisiológicos se ha mostrado que la presencia de moduladores inespecíficos y específicos de los P1Rs no producen cambios en la liberación evocada. Por lo tanto, los P1Rs pueden no tener efecto real en la transmisión neuromuscular en condiciones basales. No obstante, estos receptores limitan la liberación espontánea teniendo un papel conservador y pudiendo proteger la función sináptica disminuyendo la magnitud de la depresión durante una actividad repetitiva (40 Hz o 100 Hz durante 2 minutos). Además se ha observado una interdependencia del mecanismo purinérgico y muscarínico en la modulación de la liberación de neurotransmisor y una cooperación en el control de la depresión. Por otro lado, un desequilibrio de los P1Rs produce un desacoplamiento de la proteína quinasa C en la neurotransmisión evocada. Adicionalmente, se ha observado una interacción funcional de estos receptores con la proteína quinasa A i los canales de calcio dependientes de voltaje en la modulación de la transmisión. / In neuronal contacts, neurotransmitter release is ultimately controlled by functional confluence of several metabotropic receptors mediated signalling pathways in modulated and activity-dependent process. It is now known that adenosine and ATP released by nerve endings modulate the presynaptic metabolism through purinergic receptors type 1 (named P1Rs; A1, A2A, A2B and A3) and type 2, respectively. The precise distribution of P1Rs at the neuromuscular junction (NMJs) is not fully resolved. In this thesis, we used confocal immunocytochemistry to identify these receptors in the motor endings at Levator auris longus (LAL) mouse NMJs. Moreover, we hypothesize that in more preserved neurotransmission machinery conditions (blocking the voltage-dependent sodium channel of the muscle cells with μ-conotoxin GIIIB) the physiological role of the P1Rs in the NMJ must be better observed. We found that the presence of nonselective or selective modulators of P1Rs subtypes does not result in any changes in the evoked release. Thus, P1Rs might have no real effect on neuromuscular transmission in resting conditions. However, these receptors can conserve resources by limiting spontaneous quantal leak of acetylcholine and they may protect synaptic function by reducing the magnitude of depression during repetitive activity (40 Hz or 100 Hz for 2 minutes). Furthermore, we showed that the purinergic and the muscarinic mechanism absolutely depend upon each other for the modulation of neurotransmitter release and both mechanisms cooperate in the control of depression. On the other hand, the imbalance of P1Rs uncouples protein kinase C from evoked transmitter release. In addition, we observed a functional interaction between adenosine receptors with protein kinase A and voltatge-dependent calcium channels in the modulation transmitter release.

Malignant tumours of the brain represent one of the most difficult to treat types of cancer due to the sensitive organ they affect. Clinical management of the pathology becomes even more intricate as the tumour mass increases due to proliferation, suggesting that an early and accurate diagnosis is vital for preventing it from its normal course of development. The standard clinical practise for diagnosis includes invasive techniques that might be harmful for the patient, a fact that has fostered intensive research towards the discovery of alternative non-invasive brain tissue measurement methods, such as nuclear magnetic resonance. One of its variants, magnetic resonance imaging, is already used in a regular basis to locate and bound the brain tumour; but a complementary variant, magnetic resonance spectroscopy, despite its higher spatial resolution and its capability to identify biochemical metabolites that might become biomarkers of tumour within a delimited area, lags behind in terms of clinical use, mainly due to its difficult interpretability. The interpretation of magnetic resonance spectra corresponding to brain tissue thus becomes an interesting field of research for automated methods of knowledge extraction such as machine learning, always understanding its secondary role behind human expert medical decision making. The current thesis aims at contributing to the state of the art in this domain by providing novel techniques for assistance of radiology experts, focusing on complex problems and delivering interpretable solutions. In this respect, an ensemble learning technique to accurately discriminate amongst the most aggressive brain tumours, namely glioblastomas and metastases, has been designed; moreover, a strategy to increase the stability of biomarker identification in the spectra by means of instance weighting is provided. From a different analytical perspective, a tool based on signal source separation, guided by tumour type-specific information has been developed to assess the existence of different tissues in the tumoural mass, quantifying their influence in the vicinity of tumoural areas. This development has led to the derivation of a probabilistic interpretation of some source separation techniques, which provide support for uncertainty handling and strategies for the estimation of the most accurate number of differentiated tissues within the analysed tumour volumes. The provided strategies should assist human experts through the use of automated decision support tools and by tackling interpretability and accuracy from different angles / Els tumors cerebrals malignes representen un dels tipus de càncer més difícils de tractar degut a la sensibilitat de l’òrgan que afecten. La gestió clínica de la patologia esdevé encara més complexa quan la massa tumoral s'incrementa degut a la proliferació incontrolada de cèl·lules; suggerint que una diagnosis precoç i acurada és vital per prevenir el curs natural de desenvolupament. La pràctica clínica estàndard per a la diagnosis inclou la utilització de tècniques invasives que poden arribar a ser molt perjudicials per al pacient, factor que ha fomentat la recerca intensiva cap al descobriment de mètodes alternatius de mesurament dels teixits del cervell, tals com la ressonància magnètica nuclear. Una de les seves variants, la imatge de ressonància magnètica, ja s'està actualment utilitzant de forma regular per localitzar i delimitar el tumor. Així mateix, una variant complementària, la espectroscòpia de ressonància magnètica, malgrat la seva alta resolució espacial i la seva capacitat d'identificar metabòlits bioquímics que poden esdevenir biomarcadors de tumor en una àrea delimitada, està molt per darrera en termes d'ús clínic, principalment per la seva difícil interpretació. Per aquest motiu, la interpretació dels espectres de ressonància magnètica corresponents a teixits del cervell esdevé un interessant camp de recerca en mètodes automàtics d'extracció de coneixement tals com l'aprenentatge automàtic, sempre entesos com a una eina d'ajuda per a la presa de decisions per part d'un metge expert humà. La tesis actual té com a propòsit la contribució a l'estat de l'art en aquest camp mitjançant l'aportació de noves tècniques per a l'assistència d'experts radiòlegs, centrades en problemes complexes i proporcionant solucions interpretables. En aquest sentit, s'ha dissenyat una tècnica basada en comitè d'experts per a una discriminació acurada dels diferents tipus de tumors cerebrals agressius, anomenats glioblastomes i metàstasis; a més, es proporciona una estratègia per a incrementar l'estabilitat en la identificació de biomarcadors presents en un espectre mitjançant una ponderació d'instàncies. Des d'una perspectiva analítica diferent, s'ha desenvolupat una eina basada en la separació de fonts, guiada per informació específica de tipus de tumor per a avaluar l'existència de diferents tipus de teixits existents en una massa tumoral, quantificant-ne la seva influència a les regions tumorals veïnes. Aquest desenvolupament ha portat cap a la derivació d'una interpretació probabilística d'algunes d'aquestes tècniques de separació de fonts, proporcionant suport per a la gestió de la incertesa i estratègies d'estimació del nombre més acurat de teixits diferenciats en cada un dels volums tumorals analitzats. Les estratègies proporcionades haurien d'assistir els experts humans en l'ús d'eines automatitzades de suport a la decisió, donada la interpretabilitat i precisió que presenten des de diferents angles.