Magistriniame darbe tiriamos rašto ženklų atpažinimo problemos, nagrinėjami neuroniniai tinklai skirti rašto ženklams atpažinti. Apžvelgiamos problemos, kylančios sprendžiant rašto atpažinimo uždavinius, įvairūs problemų sprendimų būdai. Pasiūlytas dirbtinio neuroninio tinklo mokymo strategijos, pagrįstos klaidos skleidimo atgal algoritmu, patobulinimas. Patobulinimo esmė yra ta, kad mokymo aibė į tinklą paduodama ne visa iškarto, o dalimis. Kai neuroninis tinklas išmoksta atpažinti tą dalį, mokymo aibė papildoma naujais duomenimis, bet pradinių svorių vektoriai nesikeičia ir tinklas mokomas toliau. Šis algoritmo patobulinimas leidžia ženkliai sumažinti apmokymo laiką neprarandant tikslumo. Kai kuriais atvejais neuroninis tinklas, mokomas pagal įprastą klaidos skleidimo atgal algoritmą, nerodė jokių mokymo perspektyvų, po ~ 9 val. paklaida nesikeisdavo, neuroninis tinklas negalėdavo teisingai atpažinti nei vienos raidės. Panaudojus patobulintą strategiją, mus tenkinanti paklaida pasiekiama po ~ 3 val. 30 min. Taip pat darbe tiriama atpažinimo tikslumo priklausomybė nuo svorių pradinių reikšmių ir neuronų skaičiaus paslėptuose sluoksniuose. Nustatyti intervalai, kuriuose turi būti generuojamos svorių pradinės reikšmės, siekiant gauti tikslius atpažinimo rezultatus. Neuronų skaičius paslėptuose sluoksniuose turi būti daugiau nei penki. / The master thesis presents investigations of the problems of the optical character recognition. It also deals with the artificial neural networks that are designed for the optical character recognition. The work surveys the problems that emerge during the process of the optical character recognition. Various solutions are investigated. The improvement of a strategy for teaching the neural network that is based on the error back propagation is suggested. The essence of the improvement is that the training data set is divided into some parts and these parts are presented to the network one by one. When the neural network learns to recognize a part, the next part is presented to the network without any changes of the initial weight vectors and the network is trained further. This improvement allows us to reduce the training time significantly without losing the recognition accuracy. In some cases, the neural network that is trained according the ordinary error back propagation algorithm does not show any prospects. After ~ 9 hours, the error remains the same, the neural networks cannot recognize any letters. Using the improved strategy, the error satisfied is reached after ~3 hours 30 minutes. The dependence of the recognition accuracy on the values of the initial weight vectors and on the number of neurons in hidden layers is also investigated. The intervals in which the values of the initial weight vectors must be generated are identified, in order to get the correct results... [to full text]

Presentación en power point en la cual se reúne una serie de conceptos e imágenes relacionadas con el Sistema Sensorial El objetivo de esta presentación es estimular el estudio de los sentidos con un pensamiento mas amplio

Memoria para optar el título de Bioquímico / Las modificaciones post-traduccionales de la α-tubulina contribuyen a determinar las propiedades dinámicas de ciertas poblaciones de microtúbulos. Esto es particularmente importante para procesos que requieren cambios rápidos en la estabilidad del citoesqueleto que permitan la modificación de las propiedades morfológicas o motiles de las neuronas. Estas modificaciones deberían regularse localmente durante los procesos de elongación axonal, migración neuronal y guía axonal. La proteína asociada a microtúbulos 1 B (MAP1B) es una proteína que participa y regula los tres procesos antes mencionados. Se ha descrito que la presencia de una variante fosforilada de MAP1B está enriquecida en el extremo distal de axones, esencialmente la zona más dinámica del axón. Se ha descrito que conjuntamente con el gradiente de MAP1B fosforilada, se produce un gradiente de microtúbulos alfa-tirosinados. Esta modificación post-traduccional es efectuada por acción de la enzima tubulina tirosina ligasa (TTL) . La hipótesis planteada en nuestro trabajo es: hipótesis: La proteína asociada a microtúbulos 1B (MAP1B) interactúa con la enzima Tubulina Tirosina Ligasa (TTL) aumentando de esta forma la tirosinación de los microtúbulos neuronales . Nuestros resultados indican que MAP1B y TTL interaccionan, evidenciado mediante ensayos de inmunoprecipitación y pull-down. Adicionalmente se muestra que la sobre-expresión regulada de la enzima glicógeno sintasa quinasa 3 beta (Gsk3ß) en neuroblastomas murinos (N2a), induce cambios en el patrón de fosforilación de MAP1B y que esta modificación no produce cambios en la interacción entre ambas proteínas. La interacción de ambas proteínas es independiente de un entrecruzamiento originado por los microtúbulos y se produce con la cadena pesada de la MAP1B. En base a estos resultados se espera comprender de mejor forma como la modificación post-traduccional de los microtúbulos, particularmente la adición de un residuo de tirosina en el extremos carboxilo terminal de la α-tubulina, juega un papel importante en procesos como migración, guía y/o elongación axonal de las neuronas / Post-translational modifications of α-tubulin contribute to determine the dynamic properties of certain microtubule populations. This is particularly important in processes that require fast changes in the cytoskeleton stability to allow the modifications of the motility and morphologic properties of neurons. These modifications must be regulated locally during axonal elongation, neuronal migration and axonal guidance process. The Microtubule Associated Protein 1B (MAP1B) participates and regulates the three processes mentioned above. It has been described that the presence of a variant phosphorylated form of MAP1B is enriched in the distal end of axons, essentially in the most dynamic regions of the axon. Interestingly, it has been described that together with the gradient of phosphorilated MAP1B, a gradient of tyrosinated microtubules takes place. This posttranslational modification is carried out by the action of the tubulin tyrosin ligase (TTL) enzyme. The hypothesis proposed in our work is: The Microtubule Associated Protein 1B (MAP1B) interact with the tubulin tyrosin ligase (TTL) enzyme regulating the tyrosination of neural microtubules . Our results indicate that MAP1B and TTL interact; this was studied by inmmunoprecipitation and pull-down experiments. Additionally we showed that the regulated over expression of the glycogen synthase kinase 3 beta (Gsk3ß) enzyme in murine neuroblastoma (N2a), induces changes in the phosphorilation patterns of MAP1B and that this modification do not produces changes in the interaction between these proteins. The interaction of both proteins is independent of a crosslinking originated by the microtubules and it ocurrs with the heavy chain of MP1B. Based on these results we expect to understand better how the post-translational modifications of microtubules, particularly the addition of a tyrosine residue in the Cterminal domain of the α-tubulin, play a important role in processes like neuronal migration, axonal elongation and axonal guidance

Doctor en Farmacología / Autorizada por el autor, pero con restricción para ser publicada a texto completo en el Portal de tesis, hasta enero de 2017 / La Serotonina (5-HT) es un neurotransmisor detectado tempranamente durante el desarrollo del sistema nervioso central y recientemente se ha descrito su papel sobre los procesos de migración y morfología neuronal. Mediante la inhibición farmacológica de la síntesis de 5-HT durante el desarrollo embrionario, se ha determinado que la reducción en este neurotransmisor produce efectos a largo plazo reflejado en una disminución del peso del cerebro, alteración en la maduración neuronal y una disminución de la complejidad dendrítica. La 5-HT ejerce sus acciones a través de sus receptores ionotrópicos (5HT3) y metabotrópicos (5HT1, 5HT2, 5HT4-5HT7). Algunos de ellos se expresan tempranamente durante el desarrollo embrionario y más aún puede variar su distribución y/o niveles en forma dinámica durante el desarrollo pre y posnatal. Para efectos de esta Tesis se destacan los receptores 5HT1A y 5HT7 los cuales están presentes en estructuras cerebrales como el hipocampo. Interesantemente, el 5HT1A-R se expresa tempranamente durante el desarrollo embrionario; por lo cual se postula que la 5-HT tendría un efecto modulador sobre la migración, diferenciación y viabilidad celular. En cambio, solo se ha descrito una expresión dinámica del 5HT7-R durante el desarrollo posnatal; lo que sugiere una acción de este receptor en estadíos bien definidos. La sobre-expresión de los receptores serotoninérgicos 5HT1A y 5HT7 en líneas celulares, ha permitido estudiar su acoplamiento a distintas cascadas transduccionales. Se ha descrito el acoplamiento a diversas proteínas G que permiten la activación o inhibición de proteínas efectoras como AC, fosfolipasas, regulación de canales iónicos y activación de las vías MAPK y PI3K-Akt, entre otras. Estas vías participan promoviendo la formación de neuritas y dendritas y han sido involucradas con la regulación de la plasticidad sináptica. En contraste, los efectores de estos receptores descritos en líneas celulares no han sido bien definidos en neuronas. Si bien existen algunos antecedentes que apoyan la idea de que la 5-HT regula la morfología neuronal, no se ha establecido la participación de un subtipo de receptor en particular. La activación del 5HT1A-R induce un aumento en el número y largo de neuritas en neuroblastoma de ratón. En relación a estos cambios morfológicos, se ha descrito que la vía de las Rho GTPasas regula el citoesqueleto a través de la modulación de la cofilina, importante regulador del citoesqueleto de actina. Se ha demostrado un acoplamiento entre el 5HT7-R y Gα12 y el aumento del crecimiento de neuritas en neuronas hipocampales, aunque no se ha dilucidado cuáles son sus efectores río abajo. De acuerdo a estos antecedentes se postuló la siguiente hipótesis: “Agonistas de los receptores 5HT1A y 5HT7 activan vías transduccionales que modulan el citoesqueleto, efectos que se asocian a cambios morfológicos de neuronas hipocampales en cultivos”. Los objetivos fueron: 1) Determinar en neuronas hipocampales con distinta madurez, el efecto de agonistas de los receptores serotoninérgicos 5HT1A y 5HT7 sobre proteínas que participan en vías transduccionales, que tienen como blanco el citoesqueleto de microtúbulos y de actina, como Akt-GSK-3β, ERK y cofilina, respectivamente. 2) Determinar el efecto de agonistas de los receptores serotoninérgicos 5HT1A y 5HT7 sobre la morfología de neuronas hipocampales con distinta madurez. Estos objetivos se desarrollaron utilizando antagonistas específicos para los receptores 5HT1A (WAY-100635) y 5HT7 (SB269970). En esta tesis se demostró que la distribución del receptor 5HT1A experimenta una polarización a mayor madurez del cultivo, encontrándose tempranamente en el soma y más tardíamente con una localización somato-dendrítica, sin variar el nivel del receptor. En contraste, la distribución somato-dendrítica del 5HT7-R fue independiente de la madurez del cultivo. A su vez, se detectaron las isoformas 5HT7a-R y 5HT7b-R y cuya relación no varió durante los días del cultivo in vitro (DIV). No obstante, ambas isoformas aumentan significativamente entre los 2 y 14 DIV. El 8OH-DPAT, agonista de los receptores 5HT1A (Ki 10 nM) y 5HT7 (Ki 52 nM), promueve la activación de la vía Akt-GSK-3β a los 2 DIV, efecto que involucraría la participación del 5HT7-R y, probablemente al 5HT1A-R. Adicionalmente, el 8OH-DPAT en neuronas más maduras (7 DIV), aumentó la activación de la Akt, efecto independiente de los receptores 5HT1A y 5HT7. Estos resultados sugieren que este agonista puede activar a otros receptores, lo que plantea una reevaluación de su acción como agonista selectivo del 5HT1A. Por otra parte, a pesar de la activación de la Akt, no se observaron cambios en la fosforilación de la GSK-3β, sugiriendo una disociación de ambas quinasas a este estadío. Adicionalmente, el 8OH-DPAT ó la 5-HT no modificaron significativamente el estado de fosforilación de las ERK1/2. La estimulación durante 24 horas con 8OH-DPAT en neuronas con 2 DIV aumentó significativamente el número de las neuritas primarias, acompañado de un aumento en el largo neurítico total; efectos no asociados a los receptores 5HT1A y 5HT7. Estos resultados sugieren que el 8OH-DPAT activa un receptor que incrementa el número de neuritas sin afectar su largo. Interesantemente, se observó que la estimulación con 8OH-DPAT disminuyó significativamente la fosforilación inactivante de la cofilina en Ser3; efecto insensible a la acción de los antagonistas de los receptores 5HT1A y 5HT7. Similarmente, a los 7 DIV se observó una disminución significativa de los niveles fosforilados de cofilina luego de la estimulación con 5-HT, efecto no asociado a los receptores 5HT1A y 5HT7, sugiriendo la participación de un receptor serotoninérgico desconocido sobre la dinámica de actina. Adicionalmente, la activación del 5HT7-R con 8OH-DPAT y 5HT a los 2 DIV durante 24 h disminuye el número de las dendritas primarias pero promueve el crecimiento. A este mismo estadío neuronal, la 5-HT a través de 5HT1A-R y 5HT7-R aumentó el crecimiento de dendritas secundarias. Por otro lado, se demostró a los 8 DIV que la 5-HT aumenta el número de dendritas primarias más cortas a través de un receptor serotoninérgico desconocido. Adicionalmente, los cambios inducidos por la 5-HT a los 8 DIV, indican que el 5HT1A-R promueve una reducción en el largo de las dendritas primarias, fenómeno observado por la reducción en el número de las dendritas primarias más largas (> 40 μm); efecto también observado en las secundarias más largas (> 20 μm). En apoyo, el análisis de Sholl muestra una disminución de la complejidad neuronal asociada a este receptor. Es decir, el 5HT1A-R inhibe el crecimiento y la complejidad dendrítica, probablemente al frenar el crecimiento o elongación de éstas, quedando por establecer los mecanismos moleculares asociados. En apoyo a este hallazgo, se ha descrito recientemente en hipocampo de ratón adulto que el 5HT1A-R produce una disminución de las dendritas terciarias. En contraste, a los 8 DIV el 5HT7-R promueve un aumento del crecimiento de dendritas primarias y secundarias, siendo este último efecto también observado por la estimulación del 5HT1A-R. En resumen, el 5HT1A-R promueve una disminución de la complejidad dendrítica, en contraste al efecto positivo de la activación del 5HT7-R observado a nivel de las neuritas y dendritas; sugiriendo que estos receptores pueden modular la morfología neuronal de forma diferencial dependiendo de la madurez del cultivo. Además, por primera vez se involucra la participación de los receptores 5HT1A y 5HT7 sobre la morfología neuronal en cultivo primario de hipocampo de rata. Además, este estudio muestra los efectos de agonistas serotoninérgicos sobre vías transduccionales relacionadas a la modulación del citoesqueleto y cambios en la morfología que depende de la madurez de neuronas hipocampales. / Serotonin (5-HT) is a neurotransmitter found early during development of the central nervous system and recently it has been involved in cell migration and neuronal morphology. The pharmacological inhibition of 5-HT synthesis during embryonic development suggests that its reduction produces long-term effects reflected as decreased brain weight, altered neuronal maturation and reduction of dendritic complexity. The 5-HT exerts its actions through ionotropic (5HT3) and metabotropic (5HT1, 5HT2, 5HT4-5HT7) receptors. Some of these receptors are expressed early during embryonic development and their distribution or levels can change dynamically during pre-and postnatal development. This thesis focuses on 5HT1A and 5HT7 receptors, which are present in brain structures such as the hippocampus. Interestingly, the 5HT1A-R is expressed early during embryonic development, suggesting that 5-HT could have a modulating effect on cell migration, differentiation and viability. In contrast, a dynamics expression of 5HT7-R has been described during postnatal development, suggesting a role in well-defined neuronal stages. Overexpression of 5HT1A and 5HT7 serotonin receptors in cell lines has allowed studying their coupling to several transduction pathways. These receptors are coupled to several G protein allowing the activation or inhibition of effector proteins such as AC, phospholipases, regulation of ion channels and activation of MAPK and PI3K-Akt, among others. These pathways promote neurites and dendrites formation, and have been implicated in the regulation of synaptic plasticity. In contrast, the effectors of these receptors described in cell lines have not been well defined in neurons. Although some evidences support the idea that 5-HT regulates neuronal morphology, it has not been established which serotonergic receptors are involved. The 5HT1A-R activation induces an increase in both the number and length of neurites in mouse neuroblastoma. In relation to these morphological changes, it has been described that Rho GTPases pathway regulates the cytoskeleton through the modulation of cofilin, an important regulator of actin dynamics. Additionally, a link between 5HT7-R, activation of Gα12 and the increase of neurite outgrowth in hippocampal neurons has been described, but it has not been elucidated the transduction pathway involved. According to these evidences, the following hypothesis was proposed: “Agonists of 5HT1A and 5HT7 receptors activate pathways that modulate the cytoskeleton, effects that are associated with morphological changes in cultured hippocampal neurons." The aims were to: 1) Determine, the effect of 5HT1A-R and 5HT7-R agonist on proteins involved in transduction pathways, targeting microtubule and actin cytoskeleton like Akt-GSK- 3β, ERK and cofilin, respectively, on hippocampal neurons with different maturity. 2) Determine the effect of 5HT1A-R and 5HT7-R agonist on morphology of hippocampal neurons with different maturity. These objectives were developed using specific antagonists of 5HT1A (WAY-100635) and 5HT7 (SB269970) receptors. In this thesis it was shown that the distribution of 5HT1A receptor undergoes a polarization during the maturity of neurons, being early found in the soma and late with a somato-dendritic distribution but without changes on receptor levels. In contrast, the somato-dendritic distribution of 5HT7-R was independent of neuronal maturity. Besides, the isoforms “a” and “b” of 5HT7-R were detected without changes in their ratio during days in vitro (DIV). Nonetheless, both isoforms increased significantly from 2 to 14 DIV. The 8OH-DPAT, a 5HT1A (Ki 10 nM) and 5HT7 (Ki 52 nM) receptor agonist, promotes the activation of the Akt-GSK-3β pathway at 2 DIV, effect which involves the participation of 5HT7-R and probably the 5HT1A-R. Additionally, in more mature neurons (7 DIV) stimulation with 8OH-DPAT increased activation of Akt, an effect independent of 5HT1A and 5HT7 receptors. These results suggest that this agonist may activate other receptors, and hence demands a reconsideration of its action as selective 5HT1A agonist. Moreover, in spite of Akt activation, no changes were observed in the phosphorylation levels of GSK-3β, suggesting dissociation of both kinases at this stage. Additionally, neither 8OH-DPAT nor 5-HT altered the phosphorylation levels of ERK1/2. Stimulation for 24 hours with 8OH-DPAT at 2 DIV significantly increased the number of primary neurites, accompanied by an increase in the overall length of neurites; effects which are not related to 5HT1A and 5HT7 receptors. These evidences suggest that 8OH-DPAT targets an unknown receptor whose activation increases the number of neurites without affecting their length. Interestingly, it was observed that stimulation with 8OH-DPAT significantly decreased the inactivating phosphorylation of cofilin in Ser3; an effect insensitive to the antagonists of the 5HT1A and 5HT7 receptors. Similarly, a significant decrease of phosphorylated cofilin levels after stimulation with 5-HT was observed at 7 DIV; effect not associated to 5HT1A and 5HT7 receptors, suggesting the participation of an unknown serotonin receptor modulating actin dynamics. Additionally, the 5HT7-R activation with 8OH-DPAT and 5-HT at 2 DIV during 24 h decreases the number of primary dendrites but promotes its growth. At this neuronal stage, 5-HT stimulates secondary dendrite growth through both 5HT1A-R and 5HT7-R. Furthermore, this thesis demonstrated at 8 DIV that 5-HT increases the number of short primary dendrites via an unknown serotonergic receptor. Additionally, the changes induced by 5-HT at 8 DIV, indicate that 5HT1A-R promotes a reduction in the length of the primary dendrites, a phenomenon observed as reduction in the number of longer primary dendrites (> 40 um); effect also observed in longer secondary dendrites (> 20 um). In accordance, Sholl analysis shows a decrease in neuronal complexity associated with this receptor. Thus, 5HT1A-R inhibits primary dendritic growth and complexity, probably by slowing the growth or elongation, and the molecular mechanisms associated remains to be explained. In support of this finding, it has been recently described in adult mouse hippocampus, that 5HT1A-R promotes a decrease of tertiary dendrites. In contrast, this Thesis described that 5HT7-R induces an increased growth of primary and secondary dendrites at 8 DIV; being the latter effect also observed by 5HT1A-R stimulation. To summarize, the 5HT1A promotes a reduction of dendritic complexity in contrast to the positive effect of 5HT7 receptors observed in both neurites and dendrites; suggesting that these receptors differentially modulate the neuronal morphology depending on neuron maturity. Furthermore, we described for first time the participation of 5HT1A and 5HT7 on neuronal morphology in primary culture of rat hippocampal neurons. Additionally this study shows the effects of serotonergic agonists on transduction pathways related to cytoskeleton modulation and morphological changes depending on maturity of hippocampal neurons. / Conicyt

Memoria para la optar al Título Profesional de Bioquímico / Durante la atención selectiva, los sujetos voluntariamente centran sus recursos cognitivos en un estímulo específico mientras ignoran otros. Uno de los mecanismos propuestos como base biológica de la atención selectiva son los filtros de las respuestas sensoriales periféricas mediado por las estructuras superiores del cerebro, conocidos como mecanismos top-down. Uno de los requisitos para la modulación top-down es la presencia de las vías corticofugales. El sistema eferente auditivo en mamíferos es una red neuronal única que se origina en la corteza auditiva y que tiene proyecciones a células receptoras de la cóclea a través de las fibras olivococleares, las cuales han sido propuestas como la base neuroanatómica del filtro auditivo durante la atención a estímulos de diferentes modalidades. Sin embargo, hasta ahora no existe evidencia directa que las neuronas olivococleares estén involucradas en paradigmas de atención selectiva. El objetivo de este trabajo es estudiar el rol del receptor nicotínico α9/α10, principal receptor involucrado en la sinapsis entre las neuronas olivococleares mediales y las células ciliadas externas, en la conducta de atención selectiva a estímulos visuales en presencia de distractores auditivos. Para esto, se entrenaron ratones wild type y knock-out para la subunidad α9 del receptor nicotínico α9/α10 (KO-α9) en una prueba de discriminación visual de dos opciones. Se estudiaron las consecuencias conductuales de la presentación de diferentes tipos de distractores auditivos. También se realizaron pruebas de campo abierto y laberinto en cruz elevado para determinar si estos distractores auditivos produjeron cambios en la actividad locomotora y ansiedad. Además se evaluaron los efectos del ruido contralateral en las respuestas del nervio auditivo, como una medida de la fuerza del reflejo olivococlear. Los resultados de este trabajo muestran que los ratones KO-α9 tienen un reflejo olivococlear disminuido y una tendencia de peor desempeño en el paradigma de atención selectiva a estímulos visuales, por lo que se propone que una sinapsis olivococlear medial intacta es necesaria para reducir la sensibilidad coclear durante esta tarea. Además, ya que los ratones KO-α9 recorrieron una menor distancia en el laberinto en cruz elevado luego de la presencia de los distractores auditivos, se propone que la ausencia de una sinapsis olivococlear medial intacta provoca una disminución de la actividad locomotora. Esta tesis contribuye al entendimiento del rol de la sinapsis colinérgica entre las células ciliadas externas y las neuronas olivococleares mediales durante la atención selectiva a estímulos visuales / During selective attention, subjects voluntarily focus their cognitive resources on specific stimuli while ignoring others. One of the mechanisms proposed as a biological correlate of selective attention is the filtering of peripheral sensory responses mediated by higher brain structures, known as top-down mechanisms. Top-down filtering of peripheral responses needs the presence of corticofugal pathways. The efferent auditory system in mammals is a singular neural network that originates in the auditory cortex and projects to the receptor cells in the cochlea through olivocochlear (OC) fibers. The OC system has been proposed as the neuroanatomical basis of the peripheral auditory filter during attention to visual stimuli. However, to date, there is no direct evidence that OC neurons are involved in selective attention paradigms. The aim of this work is to study the behavioral role of α9/α10 nicotinic receptors, which are the main target of cholinergic synapses between medial olivocochlear neurons and outer hair cells, during selective attention to visual stimuli in the presence of auditory distractors. Methods: wild type and knock-out mice for α9 subunit of nicotinic receptor α9/α10 (KO-α9) were trained in a two-visual discrimination task. The behavioral consequences of the presentation of different types of auditory distractors in the visual attention task were studied. Open field tests and elevated plus maze were also performed to determine whether these auditory distractors produced changes in locomotor activity and anxiety. In addition the effects of contralateral noise were evaluated in auditory nerve responses, as a measure of the strength of the olivocochlear reflex. We found that the KO-α9 mice have a significant decrease in the olivocochlear reflex strength and a tendency to worse performance in the paradigm of selective attention to visual stimuli. These results suggest that intact medial olivocochlear synapses are necessary to reduce cochlear sensitivity during attention. Furthermore, since the KO-α9 mice traveled a shorter distance in the elevated plus maze after the presence of auditory distractors, it is proposed that the lack of an intact medial olivocochlear synapses causes a decrease in locomotor activity. This work contributes to the understanding of the role of cholinergic synapses between medial olivocochlear neurons and outer hair cells during selective attention to visual stimuli

En la presente Tesis Doctoral estudiamos los circuitos neuronales que median los efectos de la ghrelina sobre las neuronas CRF hipofisiotrópicas del NPV y el eje HHA. Esperamos que el esclarecimiento de estos circuitos pueda ayudar a entender cómo funcionan y cómo se integran la homeostasis energética y el estrés. Así como también, contribuir al desarrollo de futuras terapias que intenten manipular las acciones de la ghrelina.

Memoria para optar el título de Bioquímico / La plasticidad homeostática mantiene la actividad sináptica y neuronal en rangos fisiológicos. En cultivos neuronales primarios, estos cambios compensatorios se inducen por perturbaciones prolongadas (48 horas) de la actividad neuronal utilizando fármacos. Así, al incubar cultivos con Bicuculina, un inhibidor de la neurotransmisión inhibidora (GABAérgica), aumenta la actividad neuronal. Los cambios compensatorios incluyen inhibición de la neurotransmisión excitadora, que está mediada por el neurotransmisor L-glutamato. En las sinapsis glutamatérgicas, los receptores post-sinápticos son principalmente canales iónicos que conducen cationes y existen subtipos de ellos basados en su perfil farmacológico diferencial. Así, el receptor tipo NMDA conduce sodio, potasio y calcio. Se ha propuesto que este receptor puede ser inhibido de manera homeostática por óxido nítrico (NO) frente a períodos de actividad aumentada, induciendo neuroprotección. NO modifica la actividad del receptor NMDA a través de S-nitrosilación de residuos de cisteína relevantes. Sin embargo, también se ha reportado que NO es tóxico. En el hipocampo, la sobre-estimulación del receptor NMDA activa a la óxido nítrico sintasa, que es calcio-dependiente, síntesis de NO y muerte neuronal por excitotoxicidad. También se sabe que diversas zonas cerebrales son diferencialmente sensibles a la excitotoxicidad, siendo el hipocampo una de las zonas más vulnerables. Para dilucidar los efectos controversiales del NO en nuestro laboratorio se realizaron ensayos de viabilidad celular en cultivos primarios de neuronas incubados con NMDA. Se usaron tanto cultivos primarios hipocampales como corticales, en los cuales se indujeron aumentos de actividad prolongadas por incubaciones por 48 horas con bicuculina. Después de un insulto excitotóxico con NMDA, se encontró que las neuronas corticales son más resistentes al daño excitotóxico comparado con neuronas hipocampales, en que la sobrevida celular alcanzó al 72,93 ± 4,75 y 71,17 ± 2,81% en cultivos control e incubados con bicuculina. La mayor sobrevida de cultivos corticales depende de NO y la neurotrofina BDNF y su receptor TrkB. En cambio, en neuronas hipocampales, se confirmó la toxicidad de NO y la presencia de BDNF no tuvo efecto sobre la viabilidad. Basados en estos hallazgos, la hipótesis de esta memoria es la siguiente: BDNF, a través de su receptor TrkB, induce síntesis de NO lo que lleva a modulación homeostática del receptor de NMDA en neuronas corticales pero no hipocampales. Esta vía no depende de fosforilación del receptor TrkB en el residuo Y515. Se encontró que BDNF es capaz de inducir síntesis de NO en neuronas corticales, pero no en hipocampales. Además, NO inhibe los influjos de calcio mediadas por el receptor de NMDA en neuronas corticales, pero no hipocampales. Esta vía neuroprotectora no pudo ser detectada en células hipocampales, en la cual el NO fue sintetizado principalmente en respuesta a estimulación NMDA, lo que no inhibió los influjos de calcio. Este estudio muestra que BDNF tiene un papel neuroprotector frente a un insulto excitotóxico en neuronas corticales pero no hipocampales, efecto que está mediado por NO. Por lo tanto, efectos biológicos opuestos del NO dependen de la vía de señalización implicada en su síntesis. Es posible que este mecanismo neuroprotector pueda ser potenciado en regiones cerebrales vulnerables a insultos excitotóxicos asociados a patologías como la epilepsia, isquemia y accidentes vasculares

Memoria para optar al Título Profesional de Médico Veterinario / Los anuros utilizan señales acústicas extensamente; la localización de la fuente sonora permite a las hembras acercarse a los machos y también facilitaría a los machos responder a rivales. Sin embargo, en experimentos de campo, los machos de Eupsophus calcaratus responden indistintamente a estímulos provenientes de diferentes localizaciones. En esta memoria se estudió la direccionalidad de las respuestas de neuronas auditivas mesencefálicas y se comparó la actividad neural con la ausencia de direccionalidad conductual observada en el campo. Se registraron las respuestas de 61 neuronas auditivas mesencefálicas en 17 individuos (9 machos y 8 hembras) a estímulos provenientes de 7 ángulos en el plano horizontal, desde la posición 90° contralateral hasta 90° ipsilateral, respecto al hemisferio de registro, en intervalos de 30°. Las propiedades generales de respuesta de las neuronas mostraron que un 80,3 % respondieron con frecuencias características bajas, con un promedio de 200 Hz y un rango entre 100 y 400 Hz, y sólo un 19,7 % presentaron frecuencias características altas, con un promedio de 1400 Hz y un rango entre 1300 y 1700 Hz. Según el tipo de descarga en respuesta a los tonos puros, las neuronas registradas mostraron dos patrones temporales. Un grupo correspondió a neuronas tónicas, que respondían durante toda la presentación del estímulo (n=49; 80,3%). El otro grupo correspondió a neuronas fásicas, que descargaban con una o unas pocas espigas, generalmente al comienzo del estímulo (n=12; 19,7%). No hubo diferencias significativas en la direccionalidad de respuestas entre machos y hembras, por lo que los datos para ambos sexos fueron analizados en conjunto. Al presentar una llamada de advertencia sintetizada de la especie, consistente en un tono puro, 52,5 % de las neuronas respondió con más descargas a posiciones contralaterales, 36,1 % respondió con más descargas a posiciones laterales en ambos lados que a la posición frontal, y solo un 4,9 % respondió de manera no direccional. En respuesta a la llamada agresiva sintetizada, consistente en un estímulo pulsado, sólo 36,0 % de las neuronas 5 respondió preferencialmente a la posición contralateral, 32,0 % respondió con más descargas a ambas posiciones laterales en relación a la posición frontal y ninguna neurona respondió en forma no direccional. En respuesta a estímulos con igual estructura temporal al tono y al estímulo pulsado, pero sintetizados con ruido pasabanda en lugar de tonos, las neuronas respondieron en forma contralateral en una proporción similar al tono, pero la proporción de neuronas que respondieron preferencialmente a ambas posiciones laterales fueron alrededor de la mitad que en respuesta a los estímulos tonales y también la proporción de neuronas no direccionales fue baja, no sobrepasando un 10,0 % de la población registrada. La direccionalidad de las respuestas neuronales obtenidas en laboratorio, contrasta con la ausencia de direccionalidad en las respuestas conductuales observadas en el campo. Estos resultados indican que los machos de E. calcaratus están dotados de una capacidad auditiva que les permite localizar a potenciales rivales, pero responden similarmente a cantos provenientes de distintas posiciones, manteniendo una actividad vocal que facilitaría la atracción de hembras. Estas también poseen neuronas con respuestas direccionales que les facilitarían la localización de machos en las áreas reproductivas.

Magíster en Bioquímica área de Especialización en Proteínas y Biotecnología y Memoria para optar al Título de Bioquímico / La enfermedad de Alzheimer (EA) es un desorden neurodegenerativo caracterizado por la pérdida progresiva de memoria. Los oligómeros solubles sinaptotóxicos del péptido β-amiloide (AβOs) son reconocidos como los agentes causantes de la EA. Los AβOs se unen a las neuronas hipocampales e inducen la generación de señales de Ca2+intracelulares persistentes, que se deben a su entrada por el receptor de N-metil-D-aspartato (NMDA) y la subsecuente amplificación a través dela activación de los receptores de ryanodina (RyR). Los RyR residen en el retículo endoplasmático (RE) y son activados por Ca2+, liberando Ca2+ desde el lumen de este compartimiento al citoplasma. Las señales de Ca2+ persistentes y de baja intensidad generadas por los AβOs y mediadas por los RyR inducen la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) intracelulares por un mecanismo no del todo dilucidado. Por su parte, los ROS disminuyen el umbral de activación de los RyR por Ca2+, debido a que la actividad de estos receptores está estrechamente regulada por su estado redox. Antecedentes del laboratorio muestran que los AβOs, adicionados en concentraciones subletales a cultivos primarios de neuronas de hipocampo, causan la fragmentación de la red mitocondrial y la disminución de los niveles transcripcionales de la isoforma 2 del RyR (RyR2). Adicionalmente, la incubación previa de las neuronas con el antioxidante general N-acetil-cisteína (NAC) previene la generación de señales de Ca2+ aberrantes y la fragmentación de la red mitocondrial inducida por los AβOs. En la presente tesis, se estudiaron los efectos delos antioxidantes NAC y EUK-134 sobre la disfunción mitocondrial y la disminución de la expresión de RyR2 inducidos por los AβOs. Para cumplir con este objetivo, se trataron cultivos hipocampales de ratas con 0,5 μM AβOs y se evaluó: 1) la generación de ROS en la mitocondria utilizando la sonda MitoSox (que detecta superóxido - O2−·) o la transfección de las neuronas con HyPerMito (que detecta peróxido de hidrógeno -H2O2) por microscopia confocal; 2) la morfología de la red mitocondrial en neuronas cargadas con el marcador mitocondrial MitoTracker, por microscopía confocal; y 3) los niveles transcripcionales de RyR2, por PCR en tiempo real. Los resultados muestran que la incubación de las neuronas con 0,5 μM AβOs generó un aumento lento pero progresivo de la concentración de O2−· y deH2O2mitocondrial. El tratamiento previo con NAC o con EUK-134 previno tanto el aumento de los niveles de O2−· como deH2O2 inducidos por los AβOs. De forma interesante, el tratamiento con ryanodina, un inhibidor de los RyR, también previno el aumento en los niveles de O2−· yH2O2 inducidos por los AβOs, sugiriendo que este efecto es mediado por los RyR. Además, la incubación previa de las neuronas con EUK-134 previno la fragmentación de la red mitocondrial inducida por los AβOs, tal como se demostró con NAC. Por último, la incubación con NAC también previno de forma significativa la disminución de la expresión de RyR2 inducida por los AβOs, sugiriendo que los ROS podrían modular la transcripción de RyR2. Como conclusión, los datos obtenidos en esta tesis apoyan la idea de que los efectos deletéreos de los AβOs sobre la mitocondria y sobre los niveles transcripcionales de RyR2 son mediados por el RyR, cuya actividad es, a su vez, modulada por los ROS. Estos efectos deletéreos de los AβOs son prevenidos farmacológicamente por el uso de antioxidantes como el NAC y el EUK-134 / Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative disorder characterized by progressive memory loss. Synaptotoxic soluble oligomers of the β-amyloid peptide (AβOs) are recognized as the causative agents of the disease. AβOs bind to hippocampal neurons and elicit persistent intracellular Ca2+ signals, which are due to its entry by the N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor and subsequent amplification by the activation of ryanodine receptors (RyR). RyRare resident in endoplasmic reticulum (ER) and are activated by Ca2+, releasing Ca2+ from the lumen of this organelle to the cytoplasm. The persisted RyR-mediated Ca2+ signals generated in neurons in response to AβOs induce the production of reactive oxygen species (ROS), by a mechanism not yet fully elucidated. In turn, ROS decrease the threshold of RyR activation by Ca2+, since RyR activity is tightly regulated by its redox state. Previous works from the laboratory showed that AβOs, added at sublethal concentration to primary cultures of hippocampal neurons, induces mitochondrial network fragmentation, increases the concentration of reactive oxygen species (ROS) and causes deregulation of transcriptional levels of RyR2.Interestingly, previous incubation of neurons with the general antioxidant NAC prevented the generation of aberrant Ca2+ signals and mitochondrial fragmentation induced by AβOs. In this thesis, we studied the protective effects of the antioxidants N-acetyl-cysteine (NAC) and EUK-134 on the mitochondrial dysfunction and the decrease in RyR2 expression induced by AβOs. To this, rat hipocampal neurons were treated with 0,5 μM AβOs to evaluate: 1) Mitochondrial ROS generation, using the MitoSox dye (detects superoxide - O2−·) or the transfection of the neurons with HyPerMito (detects hydrogen peroxide -H2O2) by confocal microscopy; 2) Mitochondrial morphology in neurons loaded with the dye MitoTracker, by confocal microscopy; and 3) RyR2 trascriptional levels, by real time PCR. The results showed that the incubation of neurons with 0.5 μM AβOs generated a slow but progressive increase in the mitochondrial concentration of both O2−· and H2O2. Pretreatment with NAC or EUK-134 prevented this effect. Interestingly, treatment with ryanodine, a RyR inhibitor, also prevented the increase in H2O2 andO2−·in response to AβOs, indicating that RyR mediates this effect. Moreover, preincubation of the neurons with EUK-134 prevented mitochondrial network fragmentation induced AβOs, as previously shown with NAC. Finally, the incubation with NAC also significantly prevented the decrease in RyR2 expression induced by AβOs, indicating that ROS might modulate RyR2 transcription. In conclusion, the data obtained in this study support the idea that the deleterious effects of AβOs on mitochondrial morphology and function and on RyR2expression are mediated by RyR, whose activity is modulated by ROS. These deleterious effects of AβOs are prevented pharmacologically by using antioxidants like NAC and EUK-134

La cianotoxina β-N-metil-amino-L-alanina (BMAA) es un aminoácido no proteico producido por cianobacterias, capaz de biomagnificarse en las cadenas tróficas de ecosistemas marinos y terrestres. Dada su capacidad de atravesar la barrera hematoencefálica, su ingesta progresiva se asocia con el desarrollo de ciertas retinopatías, así como también de enfermedades neurodegenerativas, tales como la Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA), la Enfermedad de Parkinson (EP) y la Enfermedad de Alzheimer (EA). Los daños causados por la BMAA son múltiples y originados en mecanismos diversos. Así, la BMAA, en presencia de iones bicarbonato (HCO3 - ), puede formar un compuesto denominado carbamato, cuya estructura química es similar al glutamato (Glut), uno de los neurotransmisores más importantes del sistema nervioso. A su vez, el carbamato se une y activa receptores de Glut, ya sean ionotrópicos (como el receptor de N-metil-D- aspartato) o metabotrópicos. La sobreexcitación de estos receptores ocasionada por la BMAA, promueve mecanismos de excitotoxicidad que conducen a alteraciones neuronales. Por otro lado, la BMAA puede ingresar a las células a través del sistema xc, un sistema de transporte sodio-independiente común para cistina y Glut. Una vez en el interior celular, la toxina puede incorporarse erróneamente en las cadenas polipeptídicas en reemplazo de Serina (Ser). Así, unida a componentes proteicos, puede generar un reservorio endógeno de lenta liberación que expone a las neuronas a una baja pero continua dosis de esta toxina. Entre sus varios efectos subcelulares, la BMAA puede afectar la permeabilidad de las membranas mitocondriales comprometiendo su actividad. Además, puede inducir modificaciones en los niveles de Ca 2+, generar estrés oxidativo, promover fallas en la producción de ATP e inducir estrés en el retículo endoplasmático, lo cual conduce a alteraciones en la síntesis y/o distribución de proteínas. Asociado a esto, se originan alteraciones en el transporte axonal y la fragmentación de estas estructuras. Pese a su trascendencia para la salud, aún son desconocidos los efectos directos que genera la exposición a la BMAA de las neuronas y células gliales de la retina (como las células gliales de Müller –CGM-), o del epitelio pigmentario de la retina (EPR). Además, todavía son mayormente desconocidos aquellos factores o moléculas capaces de modular las vías de señalización involucradas en los efectos deletéreos inducidos por la BMAA. Al respecto, recientemente se ha propuesto que la activación de los receptores X retinoides (RXR) protegerían a las neuronas y modularían la respuesta inflamatoria durante las enfermedades neurodegenerativas del sistema nervioso central, y también en retinopatías. Aún se desconoce si estos receptores ejercen un rol protector contra los daños inducidos por la BMAA. En esta Tesis se estudiaron los mecanismos involucrados en los cambios degenerativos inducidos por la BMAA en células de la retina, así como también en células PC12 diferenciadas a neuronas. Asimismo, se evaluó el valor protector de agonistas de los RXRs frente a los efectos deletéreos inducidos por la BMAA en células de la retina. Para estos estudios, se obtuvieron cultivos puros de neuronas amacrinas y fotorreceptores (FRs), de CGM puros, y cultivos neuro-gliales a partir de retinas de ratas neonatas. Además, se utilizaron cultivos de líneas celulares PC12 y epiteliales ARPE- 19. Todos los cuales fueron tratados con la BMAA para evaluar sus efectos sobre estas células y el posible rol protector de los RXRs. Los resultados obtenidos en este trabajo demostraron que aún bajas concentraciones de la BMAA (de 0,4 μM) alteraron la viabilidad no sólo de las neuronas amacrinas y FRs, sino también de las células PC12 diferenciadas a neuronas, de las CGM e incluso de las células del EPR. La BMAA también, indujo alteraciones en la permeabilidad mitocondrial y en la producción de ROS en las células neuronales, gliales y epiteliales, mientras que en las CGM indujo cambios en la morfología nuclear. Por su parte, en neuronas amacrinas, promovió el crecimiento axonal, aunque generando el colapso de sus conos de crecimiento. Estas alteraciones fueron mediadas por la activación de los receptores NMDA en presencia de iones HCO3 - . Además, en estas células, la BMAA se incorporaría erróneamente en las cadenas polipeptídicas en reemplazo de la Ser, dado que la suplementación del medio de cultivo con este aminoácido previno la toxicidad inducida por la BMAA. En cuanto a la acción protectora de los RXRs, nuestros resultados demostraron que su activación bloqueó los efectos tóxicos que produjo la BMAA sobre las neuronas amacrinas y los FRs, así como también sobre las células del EPR. En resumen, en esta Tesis presentamos evidencias de que la BMAA afecta múltiples estructuras subcelulares en las células que conforman la retina, así como también a células PC12 diferenciadas. Estos resultados sugieren que los daños inducidos por la BMAA representan un potencial riesgo para la salud, y podrían contribuir al desarrollo de retinopatías, así como de varias enfermedades neurodegenerativas. Además, este trabajo indicaría que la activación de los RXRs puede presentar un papel protector al ejercer un rol relevante en la supervivencia de las neuronas amacrinas y FRs, así como también de las células del EPR. En su conjunto, estos hallazgos aportan nuevos conocimientos en relación a los mecanismos deletéreos inducidos por la BMAA y podrían ser de utilidad para el desarrollo de futuras estrategias terapéuticas. / The cyanotoxin β–N-methylamino-L-alanine (BMAA) is a non-proteinogenic amino acid produced by cyanobacteria. It is biomagnified along the food chains in both, marine and terrestrial ecosystems. Due to its ability to cross the brain blood barrier, its ingestion may contribute to the onset of retinopathies, as well as neurodegenerative diseases, like Amyotrophic Lateral Sclerosis, Parkinson (PD) and Alzheimer disease (AD). Damages induced by BMAA are multiple and originated by different mechanisms. In the presence of bicarbonate ions (HCO3 - ), BMAA can produce carbamate, whose chemical structure is similar to that of glutamate (Glut), one of the most important neurotransmitters in the nervous system. In turn, carbamate can bind and activate both ionotropic (like N-Methyl-D-aspartate -NMDA-) and metabotropic Glut receptors. Overactivation of these receptors by BMAA promotes excitotoxicity, which leads to nuclear alterations. On the other hand, BMAA crosses the cell membranes by using the cystine/glutamate antiporter (xc- system), a sodium-independent amino acid transporter. Once inside the cells, the toxin can mistakenly replace the amino acid Serine (Ser) in polypeptide chains, thus generating an endogenous reservoir of BMAA, whose slow- release exposes neurons to a low, but continuous amount of this toxin. Among its various subcellular effects, BMAA can alter mitochondrial membrane permeability compromising mitochondrial activity. Besides, it can alter Ca2+ levels, generate oxidative stress, promote failures in the ATP production and induce endoplasmic reticulum (RE) stress, leading to alterations in the protein synthesis and/or distribution. In this context, BMAA promotes alterations in axonal transport along with fragmentation of these structures. Despite its importance to health, the direct effects of BMAA exposure on retinal neurons and glial cells (such as Müller glial cells –CGM-), or retinal pigment epithelium (RPE) cells, are virtually unknown and the factors or molecules, which could modulate the signaling pathways involved in the deleterious effects induced by BMAA have not been established. In this regard, it has recently been proposed that the activation of Retinoid X Receptors (RXR) can protect neurons and modulate the inflammatory responses during neurodegenerative diseases of the central nervous system, including retinopathies. However, the possible protective roles of RXRs in BMAA-induced damages are still unknown. In this Thesis, we have studied the mechanisms involved in the degenerative changes induced by BMAA into retinal cells, and in neuron-like, differentiated rat pheochromocytoma cells (PC12 cells), as well. We also evaluated the protection of RXR agonists against the deleterious effects of BMAA in retinal cells. For these purposes, we obtained pure neuronal cultures of amacrine neurons and photoreceptors (PHRs); pure MGC cultures, and mixed neuro-glial cultures from newborn rats. In addition, we used PC12 cells and ARPE-19 epithelial cell lines. We treated them with BMAA to evaluate its effects on these cells and the possible protective roles of RXRs. Our results showed that low concentrations of BMAA (0.4 μM) altered, not only the viability of amacrine neurons and PHRs, but also that of neuronally differentiated PC12 cells, MGC and even that of the RPE cells. Also, the cyanotoxin induced alterations in mitochondrial membrane permeability and in ROS production, while in MGC, BMAA induced changes in the nuclear morphology. On the other hand, in amacrine neurons, this toxin promoted axonal growth, although simultaneously generating the collapse of their growth cones. We established that all these alterations were induced by activation of NMDA receptors in the presence of HCO3 - ions. Besides, in all these cell types, BMAA appeared to incorporate into polypeptide chains replacing Ser, since supplementation of the culture media with this amino acid prevented toxicity damages. Regarding the protective roles of RXRs, our results showed that their activation blocked the toxic effects induced by BMAA in amacrine neurons, PHRs, and RPE cells. In summary, in this Thesis we present evidences that BMAA affected multiple subcellular structures in retina cells and in PC12 cells differentiated into neurons. These results suggest that the damaging effects induced by BMAA represent a potential health risk, which could contribute to the development of retinopathies, along with other neurodegenerative diseases. In addition, this work would indicate that RXR activation can promote survival of amacrine PHRs and RPE cells. Taken together, these findings provide new knowledge regarding the deleterious mechanisms induced by BMAA, which could be useful for the development of future effective therapies.