O córtex visual desempenha papel essencial no processamento de informação visual. A primeira região do córtex a receber estímulos visuais é o córtex visual primário (V1) e pode ser subdividida anatomicamente em seis camadas, onde cada camada contém diferentes tipos e números de neurônios. Entender a forma como a informação é processada entre as diferentes camadas envolve o estudo da dinâmica dos padrões coletivos de atividade neural quando a rede é exposta a diferentes situações e como esses padrões relacionam-se com a organização estrutural e funcional da rede cortical. Essa dinâmica é afetada por mecanismos de plasticidade sináptica, de maneira que modelos computacionais que busquem capturá-la devem incluir tais mecanismos. Neste trabalho foi construído um modelo computacional de uma rede neural com 4000 neurônios baseada em informações sobre a estrutura local das conexões em V1 disponíveis na literatura neurobiológica. O modelo contém características estruturais consideradas fundamentais tais como: proporção entre neurônios inibitórios e excitatórios e probabilidades de conexões entre neurônios de diferentes populações em diferentes camadas. Os neurônios foram descritos pelo modelo de Izhikevich, reproduzindo três classes eletrofisiológicas mais abundantes no córtex: neurônios de disparo regular, para os excitatórios; neurônios de disparo rápido e baixo limiar de disparo, para os inibitórios. A regra de plasticidade sináptica utilizada foi do tipo plasticidade dependente dos tempos dos disparos neuronais (STDP em inglês), que pode fortalecer ou enfraquecer a força da conexão entre dois neurônios dependendo dos instantes dos seus disparos. Foram utilizadas versões diferentes dessa regra de plasticidade para sinapses excitatórias (STDPe) e inibitórias (STDPi). Foram simuladas situações com e sem plasticidade e alterando o tipo de neurônio inibitório presente na rede. Para cada uma, três protocolos de estimulação da rede foram utilizados: 1 estimulação por trens de disparos poissonianos aplicada a neurônios da camada 4 (simulando entradas talâmicas) e aplicada aleatoriamente aos neurônios da rede como ruído de fundo; 2 - pulsos aplicados a neurônios da camada 4 simulando estimulação visual com barras luminosas com diferentes orientações angulares; 3 - similar ao segundo protocolo, porém, estimulando a rede com dois pulsos alternantes de diferentes ângulos. Os parâmetros do modelo foram ajustados para que a atividade neural tivesse baixas frequências de disparos coerentes com dados experimentais. Esse ajuste foi mais fácil nos casos em que os neurônios inibitórios eram do tipo FS e havia STDPi. Os resultados mostraram que, de modo geral, os neurônios do tipo LTS contribuem para a formação de atividade síncrona na rede e este efeito foi amplificado com a STDPe. Para todos os protocolos, a STDPe aumentou a frequência média de disparos da rede e, para o segundo experimento, apesar da seletividade à orientação dos neurônios não ter sido alterada significativamente, houve mudanças visíveis na formação de assembleias funcionais. A competição da atividade dos neurônios no experimento 3 na presença da STDPe foi intensificada fortalecendo respostas funcionais de neurônios que não respondiam a ambos os estímulos. O balanço entre os dois tipos de regra de STDP manteve o equilíbrio entre as forças das conexões excitatórias e inibitórias. / The visual cortex plays essential role in the processing of visual information. The first region of the cortex that receives visual stimuli is the primary visual cortex (V1) or striate cortex, which can be anatomically divided into six layers, where each layer has different types and numbers of neurons. Understanding the way in which information is processed by the different layers involves the study of the dynamics of collective patterns of neural activity when the network is exposed to different situations, and how these patterns are related with the structural and functional organization of cortical network. This dynamics is affected by mechanisms of synaptic plasticity, so computational models which seek to capture it should include them. In this project a computational model of a neural network was built with 4000 neurons based on information on local connectivity in V1 from the neurobiological literature. The model has realistic structural characteristics such as the proportion between inhibitory and excitatory neurons and the connection probabilities among neurons from different populations of different layers. Neurons were described by the Izhikevich model, reproducing the three most abundant electrophysiological classes in cortex: RS, for the excitatory ones; FS and LTS, for the inhibitory neurons. The synaptic plasticity rule used was spike-timing dependent plasticity (STDP), whereby the synaptic strength between two neurons can increase or decrease depending on the timing of their spikes. Were used different versions of this plasticity rule to synapses made by excitatory neurons (STDPe) and by inhibitory neurons (STDPi). Different scenarios were simulated with and without plasticity and changing the type of inhibitory neuron present in the network. For each configuration, three network stimulation protocols were used: 1 - stimulation applied to layer 4 neurons (simulating thalamic inputs) modeled by Poissonian spike trains and background noise applied to all network neurons modeled in a similar manner; 2 - pulses applied to layer 4 neurons simulating visual stimulation with light bars at different angular directions; 3 - similar to the second protocol, however, stimulating the network with two alternating pulses of different angles. The parameters of the model were adjusted so that neural activity had low spike frequencies consistent with experimental data. This adjustment was easier in cases where inhibitory neurons were of FS type and had STDPi. The results showed that, in general, LTS neurons contribute to the formation of synchronous activity in the network and this effect was amplified with the insertion of STDPe. For all protocols, the STDPe increased the average firing frequency of the network. For Experiment 2, although the orientation selectivity of the neurons did not change significantly, there have been noticeable changes in the formation of functional assemblies. The competition of the activity of neurons in Experiment 3 in the presence of STDPe strengthened functional responses of neurons that do not respond to both stimuli. The balance between the two types of STDP rule maintained the equilibrium between excitatory and inhibitory connections.

Eventos estressantes durante a infância promovem alterações comportamentais e encefálicas persistentes, aumentando a predisposição para transtornos psiquiátricos. A separação materna tem sido utilizada como modelo de estresse pós-natal. Animais submetidos à separação materna apresentam uma resposta exacerbada do eixo hipotálamo-hipófise-adrenal ao estresse. Ao contrário, estudos sugerem que o ambiente enriquecido, por aumentar a neurogênese no giro denteado do hipocampo, pode ter efeitos benéficos sobre doenças de distúrbio comportamental. No presente projeto questionamos se o enriquecimento ambiental interfere com as alterações plásticas promovidas pela separação materna no hipocampo de ratos jovens. Utilizamos imunofluorescência, microscopia confocal, microscopia eletrônica e qRT- PCR de amostras coletadas por microdissecção a laser. A separação materna reduziu a neurogênese hipocampal, bem como a expressão de mRNA para os genes Nr3c1, codificador de receptores glicocorticóides, e Htr1a, codificador de receptores serotoninérgicos (5TH-1A). O enriquecimento ambiental reduziu a expressão de Htr1a. Além disso, aumentou a proporção de sinapses sobre espinhos dendríticos, sugerindo maior plasticidade sináptica. O enriquecimento ambiental, nos animais previamente submetidos à separação materna, aumentou a sobrevivência celular e a expressão de Nr3c1, mas não a diferenciação neuronal hipocampal. As alterações promovidas pela separação materna parecem ser persistentes, mas podem ser parcialmente revertidas pelo enriquecimento do ambiente. / Stressful events during childhood promote persistent behavioral and brain changes, increasing the predisposition to psychiatric disorders. The maternal separation has been used as postnatal stress model. Animals subjected to maternal separation exhibit an exaggerated response of the hypothalamus-pituitary-adrenal axis to stress. Instead, studies suggest that environmental enrichment, by increasing neurogenesis in the dentate gyrus of the hippocampus, has beneficial effects on behavioral disorders. In this project, we discuss whether the environmental enrichment interferes with plastic changes promoted by maternal separation in the hippocampus of young rats. We used immunofluorescence, confocal microscopy, electron microscopy and qRT-PCR of samples collected by a laser microdissection system. The maternal separation reduced hippocampal neurogenesis, as well as the mRNA expression for the genes Nr3c1, that codify glycocorticoid receptors, and Htr1a, that codify serotonin receptors (5HT-1A). Environmental enrichment reduced the expression of Htr1a. Furthermore, increases the proportion of synapses on dendritic spines, suggesting greater synaptic plasticity. The environment enrichment of the animals subjected to maternal separation increased cell survival and the expression of Nr3c1 mRNA, but not the neuronal differentiation in the hippocampus. The changes promoted by maternal separation are persistent, however may be partially reversed by the environmental enrichment.

O córtex visual desempenha papel essencial no processamento de informação visual. A primeira região do córtex a receber estímulos visuais é o córtex visual primário (V1) e pode ser subdividida anatomicamente em seis camadas, onde cada camada contém diferentes tipos e números de neurônios. Entender a forma como a informação é processada entre as diferentes camadas envolve o estudo da dinâmica dos padrões coletivos de atividade neural quando a rede é exposta a diferentes situações e como esses padrões relacionam-se com a organização estrutural e funcional da rede cortical. Essa dinâmica é afetada por mecanismos de plasticidade sináptica, de maneira que modelos computacionais que busquem capturá-la devem incluir tais mecanismos. Neste trabalho foi construído um modelo computacional de uma rede neural com 4000 neurônios baseada em informações sobre a estrutura local das conexões em V1 disponíveis na literatura neurobiológica. O modelo contém características estruturais consideradas fundamentais tais como: proporção entre neurônios inibitórios e excitatórios e probabilidades de conexões entre neurônios de diferentes populações em diferentes camadas. Os neurônios foram descritos pelo modelo de Izhikevich, reproduzindo três classes eletrofisiológicas mais abundantes no córtex: neurônios de disparo regular, para os excitatórios; neurônios de disparo rápido e baixo limiar de disparo, para os inibitórios. A regra de plasticidade sináptica utilizada foi do tipo plasticidade dependente dos tempos dos disparos neuronais (STDP em inglês), que pode fortalecer ou enfraquecer a força da conexão entre dois neurônios dependendo dos instantes dos seus disparos. Foram utilizadas versões diferentes dessa regra de plasticidade para sinapses excitatórias (STDPe) e inibitórias (STDPi). Foram simuladas situações com e sem plasticidade e alterando o tipo de neurônio inibitório presente na rede. Para cada uma, três protocolos de estimulação da rede foram utilizados: 1 estimulação por trens de disparos poissonianos aplicada a neurônios da camada 4 (simulando entradas talâmicas) e aplicada aleatoriamente aos neurônios da rede como ruído de fundo; 2 - pulsos aplicados a neurônios da camada 4 simulando estimulação visual com barras luminosas com diferentes orientações angulares; 3 - similar ao segundo protocolo, porém, estimulando a rede com dois pulsos alternantes de diferentes ângulos. Os parâmetros do modelo foram ajustados para que a atividade neural tivesse baixas frequências de disparos coerentes com dados experimentais. Esse ajuste foi mais fácil nos casos em que os neurônios inibitórios eram do tipo FS e havia STDPi. Os resultados mostraram que, de modo geral, os neurônios do tipo LTS contribuem para a formação de atividade síncrona na rede e este efeito foi amplificado com a STDPe. Para todos os protocolos, a STDPe aumentou a frequência média de disparos da rede e, para o segundo experimento, apesar da seletividade à orientação dos neurônios não ter sido alterada significativamente, houve mudanças visíveis na formação de assembleias funcionais. A competição da atividade dos neurônios no experimento 3 na presença da STDPe foi intensificada fortalecendo respostas funcionais de neurônios que não respondiam a ambos os estímulos. O balanço entre os dois tipos de regra de STDP manteve o equilíbrio entre as forças das conexões excitatórias e inibitórias. / The visual cortex plays essential role in the processing of visual information. The first region of the cortex that receives visual stimuli is the primary visual cortex (V1) or striate cortex, which can be anatomically divided into six layers, where each layer has different types and numbers of neurons. Understanding the way in which information is processed by the different layers involves the study of the dynamics of collective patterns of neural activity when the network is exposed to different situations, and how these patterns are related with the structural and functional organization of cortical network. This dynamics is affected by mechanisms of synaptic plasticity, so computational models which seek to capture it should include them. In this project a computational model of a neural network was built with 4000 neurons based on information on local connectivity in V1 from the neurobiological literature. The model has realistic structural characteristics such as the proportion between inhibitory and excitatory neurons and the connection probabilities among neurons from different populations of different layers. Neurons were described by the Izhikevich model, reproducing the three most abundant electrophysiological classes in cortex: RS, for the excitatory ones; FS and LTS, for the inhibitory neurons. The synaptic plasticity rule used was spike-timing dependent plasticity (STDP), whereby the synaptic strength between two neurons can increase or decrease depending on the timing of their spikes. Were used different versions of this plasticity rule to synapses made by excitatory neurons (STDPe) and by inhibitory neurons (STDPi). Different scenarios were simulated with and without plasticity and changing the type of inhibitory neuron present in the network. For each configuration, three network stimulation protocols were used: 1 - stimulation applied to layer 4 neurons (simulating thalamic inputs) modeled by Poissonian spike trains and background noise applied to all network neurons modeled in a similar manner; 2 - pulses applied to layer 4 neurons simulating visual stimulation with light bars at different angular directions; 3 - similar to the second protocol, however, stimulating the network with two alternating pulses of different angles. The parameters of the model were adjusted so that neural activity had low spike frequencies consistent with experimental data. This adjustment was easier in cases where inhibitory neurons were of FS type and had STDPi. The results showed that, in general, LTS neurons contribute to the formation of synchronous activity in the network and this effect was amplified with the insertion of STDPe. For all protocols, the STDPe increased the average firing frequency of the network. For Experiment 2, although the orientation selectivity of the neurons did not change significantly, there have been noticeable changes in the formation of functional assemblies. The competition of the activity of neurons in Experiment 3 in the presence of STDPe strengthened functional responses of neurons that do not respond to both stimuli. The balance between the two types of STDP rule maintained the equilibrium between excitatory and inhibitory connections.

Submitted by Daniella Sodre (daniella.sodre@ufpe.br) on 2015-04-08T13:08:23Z No. of bitstreams: 2 TESE Fernanda Seligardi Matias.pdf: 10242345 bytes, checksum: 2bb9cb9ee0e9dca2ce19fb926ddcfbce (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-04-08T13:08:23Z (GMT). No. of bitstreams: 2 TESE Fernanda Seligardi Matias.pdf: 10242345 bytes, checksum: 2bb9cb9ee0e9dca2ce19fb926ddcfbce (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Previous issue date: 2014-03-18 / CNPq; CAPES; FINEP. / Sincronização antecipada (AS, do inglês "anticipated synchronization") é uma forma de sincronização que ocorre quando uma influência unidirecional é enviada de um transmissor para um receptor, mas o receptor lidera o transmissor no tempo. Esta sincronização contra-intuitiva pode ser uma solução estável entre dois sistemas dinâmicos acoplados em uma configuração mestre-escravo quando o escravo recebe uma retroalimentação atrasada e negativa. Diversos exemplos de AS foram encontrados em diferentes sistemas, no entanto, faltam evidências experimentais de AS no cérebro. Nessa tese, nós investigamos a existência de AS em uma rede neuronal do tipo mestre-escravo quando a retroalimentação atrasada e negativa é substituída por um circuito inibitório dinâmico mediado por sinapses químicas. No nível neuronal, mostramos a existência de AS em um microcircuito de 3 neurônios e em um de 3 populações neuronais nos quais a retroalimentação é proporcionada ou por um interneurônio ou por uma subpopulação de neurônios inibitórios. Uma transição suave de sincronização atrasada (DS, do inglês "delayed synchronization") para AS ocorre quando a condutância sináptica inibitória é aumentada. Mostramos que o fenômeno é robusto quando variamos os parâmetros dos modelos dentro de um intervalo fisiológico aceitável. Os efeitos da plasticidade sináptica dependente do tempo nas transições DS-AS também foram investigados. Os resultados obtidos a partir dos nossos modelos são comparáveis a dados obtidos experimentalmente enquanto macacos realizam certas atividades cognitivas. Em alguns casos, uma influência unidirecional dominante de uma região cortical para outra pode vir acompanhada de um tempo de atraso tanto positivo como negativo. Apresentamos um modelo para AS entre duas regiões cerebrais e comparamos estes resultados com os dados experimentais, obtendo excelente concordância.

Eventos estressantes durante a infância promovem alterações comportamentais e encefálicas persistentes, aumentando a predisposição para transtornos psiquiátricos. A separação materna tem sido utilizada como modelo de estresse pós-natal. Animais submetidos à separação materna apresentam uma resposta exacerbada do eixo hipotálamo-hipófise-adrenal ao estresse. Ao contrário, estudos sugerem que o ambiente enriquecido, por aumentar a neurogênese no giro denteado do hipocampo, pode ter efeitos benéficos sobre doenças de distúrbio comportamental. No presente projeto questionamos se o enriquecimento ambiental interfere com as alterações plásticas promovidas pela separação materna no hipocampo de ratos jovens. Utilizamos imunofluorescência, microscopia confocal, microscopia eletrônica e qRT- PCR de amostras coletadas por microdissecção a laser. A separação materna reduziu a neurogênese hipocampal, bem como a expressão de mRNA para os genes Nr3c1, codificador de receptores glicocorticóides, e Htr1a, codificador de receptores serotoninérgicos (5TH-1A). O enriquecimento ambiental reduziu a expressão de Htr1a. Além disso, aumentou a proporção de sinapses sobre espinhos dendríticos, sugerindo maior plasticidade sináptica. O enriquecimento ambiental, nos animais previamente submetidos à separação materna, aumentou a sobrevivência celular e a expressão de Nr3c1, mas não a diferenciação neuronal hipocampal. As alterações promovidas pela separação materna parecem ser persistentes, mas podem ser parcialmente revertidas pelo enriquecimento do ambiente. / Stressful events during childhood promote persistent behavioral and brain changes, increasing the predisposition to psychiatric disorders. The maternal separation has been used as postnatal stress model. Animals subjected to maternal separation exhibit an exaggerated response of the hypothalamus-pituitary-adrenal axis to stress. Instead, studies suggest that environmental enrichment, by increasing neurogenesis in the dentate gyrus of the hippocampus, has beneficial effects on behavioral disorders. In this project, we discuss whether the environmental enrichment interferes with plastic changes promoted by maternal separation in the hippocampus of young rats. We used immunofluorescence, confocal microscopy, electron microscopy and qRT-PCR of samples collected by a laser microdissection system. The maternal separation reduced hippocampal neurogenesis, as well as the mRNA expression for the genes Nr3c1, that codify glycocorticoid receptors, and Htr1a, that codify serotonin receptors (5HT-1A). Environmental enrichment reduced the expression of Htr1a. Furthermore, increases the proportion of synapses on dendritic spines, suggesting greater synaptic plasticity. The environment enrichment of the animals subjected to maternal separation increased cell survival and the expression of Nr3c1 mRNA, but not the neuronal differentiation in the hippocampus. The changes promoted by maternal separation are persistent, however may be partially reversed by the environmental enrichment.

Inicialmente caracterizada como proteína supressora de tumor, a PTEN (phosphatase and tensin deleted on chromosome 10) tem sido objeto de estudo de trabalhos relacionados a outros processos envolvendo proliferação, sobrevivência e migração celulares, apresentando um potencial papel modulatório na neurogênese e plasticidade sináptica. Fatores ambientais, como a dieta intermitente e o exercício físico, também podem modular estes processos, podendo ser utilizados como intervenções para neuroproteção e melhora de déficits de aprendizado e memória. A ausência de PTEN em neurônios ocasiona anomalias anatômicas e funcionais, culminando em sinaptogênese aumentada e redução do LTP e LTD. Levando-se em consideração a potencial modulação da via PI3K/AKT pela dieta intermitente e pelo exercício físico, a avaliação da influência destas intervenções sobre os efeitos da deleção neuronal da PTEN constitui uma interessante ferramenta de estudo para melhor elucidação dos mecanismos associados à plasticidade sináptica. Este trabalho objetivou caracterizar bioquímica e funcionalmente o hipocampo e o córtex de camundongos adultos com deleção neuronal da PTEN, avaliando seus efeitos sob influência de intervenções não-farmacológicas. Para isto, foram utilizados camundongos com nocaute neuronal condicionado da PTEN (PtenloxP/+;Nse-Cre+). Os animais foram submetidos à dieta intermitente ou exercício físico voluntário por um período de 30 dias, avaliados por ensaios comportamentais (labirinto em cruz elevado, campo aberto, reconhecimento do objeto novo ou da localização do objeto, labirinto aquático de Morris e esquiva inibitória) e, posteriormente, foram realizadas as análises de Western Blotting, da atividade da enzima óxido nítrico sintase (NOS) e dosagem do fator neurotrófico derivado do encéfalo (BDNF). A deleção neuronal da PTEN induziu macrocefalia por aumento da massa cortical. A deleção condicionada da PTEN, sob estímulo de intervenção não-farmacológica dieta intermitente ou exercício físico induz um efeito ansiolítico nos animais, no labirinto em cruz elevado. Os resultados do campo aberto, porém, paradoxalmente não reforçam este resultado. Interessantemente, o isolamento social intrínseco ao estudo do exercício físico induziu um aumento do perfil de ansiedade nos animais, independentemente do genótipo ou tratamento. Os resultados do labirinto aquático de Morris não foram conclusivos, porém apontam para um possível déficit de memória espacial nos animais HT, além de, supreendentemente, um efeito deletério do exercício físico também observado nos níveis corticais de BDNF. Na esquiva inibitória, o déficit dos animais HT foi efetivamente resgatado pela dieta e pelo exercício físico. O hipocampo não apresentou alterações bioquímicas significativas. No córtex, pode-se confirmar a diminuição da expressão da PTEN e possível ativação da AKT, embora nenhum efeito sobre os receptores ionotrópicos glutamatérgicos tenha sido observado. O perfil de expressão da Cre recombinase foi validado por meio da linhagem Nse-Cre+;tdTomato+. O estudo da linhagem PtenloxP/+;Nse-Cre+ demonstrou um interessante potencial para avaliação dos efeitos da PTEN sobre a cognição e a plasticidade sináptica, porém um melhor balizamento dos ensaios faz-se necessário, visando a busca de condições de análise dos efeitos observados. Ainda, a expansão dos estudos com a linhagem por meio da utilização de outros estímulos pode constituir uma interessante forma de revelar os efeitos não observados. / First characterized as a tumor suppressor, PTEN (phosphatase and tensin deleted on chromosome 10) has been a target studied in many projects related to processes involving cell proliferation, survival and migration, showing a potential modulatory role in controlling neurogenesis and synaptic plasticity. Environmental factors, such as intermittent fasting and physical exercise, can also modulate those processes, thus having the potential of being applied as neuroprotective interventions aiming to improve learning and memory deficits. PTEN absence in neurons cause anatomical and functional anomalies, culminating in increased synaptogenesis and LTP and LTD reduction. Considering the potential of intermittent fasting and physical exercise to exert a modulatory role over the PI3K/AKT pathway, the assessment of the influence of these interventions over the effects of PTEN neuronal deletion is of great interest, as it can help better elucidate the mechanisms of synaptic plasticity. This work aimed to functionally and biochemically assess the hippocampus and the cortex of adult mice with a conditioned neuronal deletion of PTEN (PtenloxP/+;Nse-Cre+), evaluating its effects under the influence of non-pharmacological interventions. Animals were submitted to an intermittent fasting or to a voluntary physical exercise protocol for 30 days, then assessed by behavioral (elevated plus maze, open field, novel object or object location recognition tests, Morris water maze, and passive avoidance) and biochemical (Western blotting, nitric oxide synthase activity, BDNF levels) assays. The neuronal PTEN deletion induced macrocephaly through an increase in cortical mass. Also, under the stimuli of non-pharmacological interventions intermittent fasting or physical exercise the deletion induced an anxiolytic effect on the elevated plus maze assay. On the other hand, the open field results were paradoxical. Interestingly, social isolation an intrinsic factor from the physical exercise protocol induced an increase in the anxiety behavior, independently of genotype or treatment. Results from the Morris water maze assay were not conclusive, however they pointed to a likely spatial memory deficit on animals with the PTEN deletion. Surprisingly, a deleterious effect of physical exercise was also observed an effect found on BDNF levels as well. At the passive avoidance test, the deficit from the HT group was effectively rescued by either intermittent fasting and physical exercise. The hippocampus did not show any significant biochemical alterations. However, the decreased PTEN expression was confirmed in the cortex, as well as the possible AKT activation, although any effect over the glutamatergic ionotropic receptor was found. The Cre recombinase expression profile was validated through the reporter lineage Nse-Cre+;tdTomato+. The study of PtenloxP/+;Nse-Cre+ lineage showed great potential of assessing PTEN effects on cognition and synaptic plasticity. However, a deeper standardization of parameters is recommended in order to better evaluate the observed effects. In addition, by expanding the study of this lineage through the application of other stimuli could constitute an interesting way of revealing these non-observed results.

Orientador: Prof. Dr. Francisco Javier Ropero Peláez / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação, 2017. / Esta pesquisa tem como objetivo principal criar um modelo fenomenologico de colunas talamo-corticais, por meio do uso de orientação a objetos. Este modelo sera organizado num arcabouço em que sera possível a criação de diferentes redes neurais artificiais nao supervisionadas que se espelham no comportamento e organização do cerebro biologico. Nesta pesquisa, a rede neural que sera modelada e a do koniocortex (camada IV do cortex cerebral), que contem os distintos tipos de neuronios encontrados no talamo e no cortex. O uso da orientação a objetos juntamente com a organização dos neuronios em estruturas colunares tem o intuito de facilitar a inserção de novos componentes futuramente, como neuronios de outras camadas do cortex cerebral. Para tal, foi construido um neuronio artificial usando orientação a objetos e adicionado caracteristicas biologicas como plasticidade sinaptica e plasticidade intrinseca; e um sistema de estruturas colunares que se assemelha ao constatado em colunas talamo-corticais biologicas (com o talamo servindo de porta de entrada das informações sensoriais). Dos resultados obtidos, observou-se classi ficação de padrões e competição emergindo naturalmente da rede, dada a organização dos neuronios inibitorios e as propriedades homeostaticas modeladas, tendo como exemplo o reconhecimento de caracteres alfanumericos e imagens simples em preto e branco (e.g. uma arvore, um sapato, uma casa etc.). / This research aims to create a phenomenological model of thalamocortical columns, through the use of object-oriented programming. This model is going to be organized in a framework in which it will be possible to create many diferent artifcial non supervised neural networks that resemble behavior and organization of the biological brain. In this research, the neural network that is going to be modeled is the koniocortex (layer IV of the cerebral cortex), which contains the distinct types of neurons found in the thalamus and cortex. This object-oriented approach together with the organization of these objects in columnar structures intends to facilitate the insertion of new components hereafter, as neurons from other layers from the cerebral cortex. To this end, it was built an artificial neuron using object-oriented programming with biological characteristics such as synaptic plasticity and intrinsic plasticity; and a columnar structure system that resembles biological thalamocortical columns (with the thalamus as a gateway for sensorial information). From the results obtained, we observed pattern classification and competition naturally emerging from the network, given the organization of inhibitory neurons and the homeostatic properties modeled, taking as an example the recognition of alphanumeric characters and simple black and white images, such as a tree, a shoe, a house, etc.

O sistema nervoso central (SNC) se comporta como um sistema plástico, com capacidade de se modificar continuamente por meio da plasticidade sináptica. Este fenômeno pode se manifestar como facilitação ou depressão da neurotransmissão, e também ser caracterizado em plasticidade sináptica de longo e curto prazo. A plasticidade sináptica de longo prazo ocorre em regiões específicas, dentre as quais estão o hipocampo, onde as sinapses da via Schaffer/CA1 são as sinapses onde os fenômenos de plasticidade a longo prazo são mais estudados. O hipocampo recebe informações sensórias auditivas, que dependendo da intensidade e do tempo de exposição podem causar alterações na função hipocampal. Nosso laboratório mostrou que ratos submetidos a um protocolo prolongado de estímulo sonoro de alta intensidade apresentam a potenciação de longo prazo (LTP) fortemente inibida na via Schaffer/CA1. No presente estudo, nosso objetivo foi investigar o estímulo sonoro mínimo para que a LTP seja inibida e os mecanismos responsáveis por esta resposta. Para tanto, testamos um protocolo de estimulação de 110 dB de curta duração (1 minuto) em ratos Wistar machos (60-70 dias de idade) e após 2 horas do estímulo, realizamos o registro extracelular da LTP em fatias hipocampais, por meio de um protocolo de alta frequência na via Schaffer/CA1. Também foram investigados outros fatores que podem influenciar a LTP, como por exemplo, a corticosterona, que é um modulador da LTP e cujos níveis circulantes aumentam após a estimulação sonora de alta intensidade. Além disso, avaliamos possíveis alterações no BDNF que está diretamente relacionado ao desenvolvimento e manutenção da LTP. O teste de aprendizado e memória espacial e o teste do medo condicionado foram realizados a fim de avaliarmos se o animal apresenta algum déficit de aprendizado e memória. Para responder as perguntas inerentes aos mecanismos de plasticidade sináptica hipocampal pela estimulação sonora, utilizamos a técnica do whole cell patch clamp e investigamos possíveis alterações nas correntes sinápticas excitatórias e inibitórias que chegam aos neurônios piramidais da CA1. Os nossos resultados mostram que a exposição a único episódio de som de alta intensidade teve um efeito transitório no hipocampo, inibindo a LTP por até 24 horas e revertendo após 48 da exposição ao som. Observamos que a inibição na via Schaffer-CA1está diretamente relacionado à intensidadesonora e não envolve a ativação do eixo HPA (eixo- hipotálamo-hipófise-adrenal), uma vez que os níveis de corticosterona nos animais que receberam 80 dB de estímulo e nos ratos sham aumentaram igualmente aos animais estimulados. O comprometimento da LTP não foi associado com alterações nos testes de memória e aprendizado espacial (Labirinto Aquático de Morris- LAM) ou com alterações no teste de medo condicionado. Além disso, os registros da neurotransmissão inibitória nos permite inferir que está havendo uma modulação dos neurônios inibitórios sobre os neurônios glutamatérgicos hipocampais, o que tem impacto direto na potenciação das sinapses da região CA1 após o som de 110 dB. Nossos dados sugerem que o som de alta intensidade pode inibir a secreção de BDNF nos animais estimulados, uma vez que após o tratamento com BDNF e seu agonista a LTP desenvolveu-se normalmente. Em conclusão mostramos que o som agudo de alta intensidade pode inibir a LTP hipocampal sem trazer prejuízos à memória dos animais; além disso, nossos dados sugerem que os interneurônios GABAérgicos podem estar influenciando esta resposta por meio do aumento das correntes inibitórias. Por fim, sugerimos que em animais estimulados, a secreção de BDNF pode estar comprometida influenciando na inibição da LTP. / The central nervous system (CNS) behaves as a plastic system, with the ability to continuously modify itself through synaptic plasticity. This phenomenon may manifest as facilitation or depression of neurotransmission, and also be characterized in synaptic plasticity of long and short term. Long-term synaptic plasticity occurs in specific regions, including the hippocampus, where synapses of the Schaffer / CA1 pathway are the synapses where long-term plasticity phenomena are more studied. The hippocampus receives auditory sensory information, which depending on intensity and time of exposure may cause alterations in hippocampal function. Our laboratory showed that rats submitted to a long-term protocol of high intensity sound stimulus present the long-term potentiation (LTP) strongly inhibited in the Schaffer / CA1 pathway. In the present study, our objective was to investigate the minimum sound stimulus for LTP to be inhibited and the mechanisms responsible for this response. For this, we tested a protocol of stimulation of 110 dB of short duration (1 minute) in male Wistar rats (60-70 days of age) and after 2 hours of the stimulus, we performed the extracellular record of LTP in hippocampal slices, by means of a high frequency protocol in the Schaffer / CA1 pathway. Other factors that may influence LTP have also been investigated, such as corticosterone, which is a LTP modulator and whose circulating levels increase after high-intensity sound stimulation. In addition, we evaluated possible changes in BDNF that are directly related to the development and maintenance of LTP. The spatial memory and learning test and the conditioned fear test were performed to assess whether the animal has some learning and memory deficits. In order to answer the questions related to the mechanisms of hippocampal synaptic plasticity by sound stimulation, we used the whole cell patch clamp technique and investigated possible changes in the excitatory and inhibitory synaptic currents that reach CA1 pyramidal neurons. Our results show that exposure to a single episode of high intensity sound had a transient effect on the hippocampus, inhibiting LTP for up to 24 hours and reverting after 48 hours of exposure to sound. We observed that the inhibition in the Schaffer/CA1 pathway is directly related to sound intensity and does not involve the activation of the HPA axis (hypothalamic-pituitary-adrenal axis), since corticosterone levels in animals receiving 80 dB stimulation and in rats sham ratio alsoincreased to stimulated animals. LTP impairment was not associated with changes in memory and spatial learning tests (Morris Water Maze) or changes in the conditioned fear test. Furthermore, the records of inhibitory neurotransmission allow us to infer that there is a modulation of inhibitory neurons on hippocampal glutamatergic neurons, which has a direct impact on the potentiation of synapses of the CA1 region after the sound of 110 dB. Our data suggest that high intensity sound may inhibit BDNF secretion in stimulated animals, since after treatment with BDNF and its agonist LTP has normally developed. In conclusion we showed that high intensity acute sound can inhibit hippocampal LTP without impairing the animals\' memory; in addition, our data suggest that GABAergic interneurons may be influencing this response by increasing inhibitory currents. Finally, we suggest that in stimulated animals, BDNF secretion may be compromised by inhibiting LTP.

O sistema nervoso central (SNC) se comporta como um sistema plástico, com capacidade de se modificar continuamente por meio da plasticidade sináptica. Este fenômeno pode se manifestar como facilitação ou depressão da neurotransmissão, e também ser caracterizado em plasticidade sináptica de longo e curto prazo. A plasticidade sináptica de longo prazo ocorre em regiões específicas, dentre as quais estão o hipocampo, onde as sinapses da via Schaffer/CA1 são as sinapses onde os fenômenos de plasticidade a longo prazo são mais estudados. O hipocampo recebe informações sensórias auditivas, que dependendo da intensidade e do tempo de exposição podem causar alterações na função hipocampal. Nosso laboratório mostrou que ratos submetidos a um protocolo prolongado de estímulo sonoro de alta intensidade apresentam a potenciação de longo prazo (LTP) fortemente inibida na via Schaffer/CA1. No presente estudo, nosso objetivo foi investigar o estímulo sonoro mínimo para que a LTP seja inibida e os mecanismos responsáveis por esta resposta. Para tanto, testamos um protocolo de estimulação de 110 dB de curta duração (1 minuto) em ratos Wistar machos (60-70 dias de idade) e após 2 horas do estímulo, realizamos o registro extracelular da LTP em fatias hipocampais, por meio de um protocolo de alta frequência na via Schaffer/CA1. Também foram investigados outros fatores que podem influenciar a LTP, como por exemplo, a corticosterona, que é um modulador da LTP e cujos níveis circulantes aumentam após a estimulação sonora de alta intensidade. Além disso, avaliamos possíveis alterações no BDNF que está diretamente relacionado ao desenvolvimento e manutenção da LTP. O teste de aprendizado e memória espacial e o teste do medo condicionado foram realizados a fim de avaliarmos se o animal apresenta algum déficit de aprendizado e memória. Para responder as perguntas inerentes aos mecanismos de plasticidade sináptica hipocampal pela estimulação sonora, utilizamos a técnica do whole cell patch clamp e investigamos possíveis alterações nas correntes sinápticas excitatórias e inibitórias que chegam aos neurônios piramidais da CA1. Os nossos resultados mostram que a exposição a único episódio de som de alta intensidade teve um efeito transitório no hipocampo, inibindo a LTP por até 24 horas e revertendo após 48 da exposição ao som. Observamos que a inibição na via Schaffer-CA1está diretamente relacionado à intensidadesonora e não envolve a ativação do eixo HPA (eixo- hipotálamo-hipófise-adrenal), uma vez que os níveis de corticosterona nos animais que receberam 80 dB de estímulo e nos ratos sham aumentaram igualmente aos animais estimulados. O comprometimento da LTP não foi associado com alterações nos testes de memória e aprendizado espacial (Labirinto Aquático de Morris- LAM) ou com alterações no teste de medo condicionado. Além disso, os registros da neurotransmissão inibitória nos permite inferir que está havendo uma modulação dos neurônios inibitórios sobre os neurônios glutamatérgicos hipocampais, o que tem impacto direto na potenciação das sinapses da região CA1 após o som de 110 dB. Nossos dados sugerem que o som de alta intensidade pode inibir a secreção de BDNF nos animais estimulados, uma vez que após o tratamento com BDNF e seu agonista a LTP desenvolveu-se normalmente. Em conclusão mostramos que o som agudo de alta intensidade pode inibir a LTP hipocampal sem trazer prejuízos à memória dos animais; além disso, nossos dados sugerem que os interneurônios GABAérgicos podem estar influenciando esta resposta por meio do aumento das correntes inibitórias. Por fim, sugerimos que em animais estimulados, a secreção de BDNF pode estar comprometida influenciando na inibição da LTP / The central nervous system (CNS) behaves as a plastic system, with the ability to continuously modify itself through synaptic plasticity. This phenomenon may manifest as facilitation or depression of neurotransmission, and also be characterized in synaptic plasticity of long and short term. Long-term synaptic plasticity occurs in specific regions, including the hippocampus, where synapses of the Schaffer / CA1 pathway are the synapses where long-term plasticity phenomena are more studied. The hippocampus receives auditory sensory information, which depending on intensity and time of exposure may cause alterations in hippocampal function. Our laboratory showed that rats submitted to a long-term protocol of high intensity sound stimulus present the long-term potentiation (LTP) strongly inhibited in the Schaffer / CA1 pathway. In the present study, our objective was to investigate the minimum sound stimulus for LTP to be inhibited and the mechanisms responsible for this response. For this, we tested a protocol of stimulation of 110 dB of short duration (1 minute) in male Wistar rats (60-70 days of age) and after 2 hours of the stimulus, we performed the extracellular record of LTP in hippocampal slices, by means of a high frequency protocol in the Schaffer / CA1 pathway. Other factors that may influence LTP have also been investigated, such as corticosterone, which is a LTP modulator and whose circulating levels increase after high-intensity sound stimulation. In addition, we evaluated possible changes in BDNF that are directly related to the development and maintenance of LTP. The spatial memory and learning test and the conditioned fear test were performed to assess whether the animal has some learning and memory deficits. In order to answer the questions related to the mechanisms of hippocampal synaptic plasticity by sound stimulation, we used the whole cell patch clamp technique and investigated possible changes in the excitatory and inhibitory synaptic currents that reach CA1 pyramidal neurons. Our results show that exposure to a single episode of high intensity sound had a transient effect on the hippocampus, inhibiting LTP for up to 24 hours and reverting after 48 hours of exposure to sound. We observed that the inhibition in the Schaffer/CA1 pathway is directly related to sound intensity and does not involve the activation of the HPA axis (hypothalamic-pituitary-adrenal axis), since corticosterone levels in animals receiving 80 dB stimulation and in rats sham ratio alsoincreased to stimulated animals. LTP impairment was not associated with changes in memory and spatial learning tests (Morris Water Maze) or changes in the conditioned fear test. Furthermore, the records of inhibitory neurotransmission allow us to infer that there is a modulation of inhibitory neurons on hippocampal glutamatergic neurons, which has a direct impact on the potentiation of synapses of the CA1 region after the sound of 110 dB. Our data suggest that high intensity sound may inhibit BDNF secretion in stimulated animals, since after treatment with BDNF and its agonist LTP has normally developed. In conclusion we showed that high intensity acute sound can inhibit hippocampal LTP without impairing the animals\' memory; in addition, our data suggest that GABAergic interneurons may be influencing this response by increasing inhibitory currents. Finally, we suggest that in stimulated animals, BDNF secretion may be compromised by inhibiting LTP

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:37:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ricardo Fabio Sato.pdf: 2268590 bytes, checksum: 40455266ba2f27af16965ee2b98d813a (MD5) Previous issue date: 2010-08-04 / Algorithms for solving the classical optimization problem called traveling salesman problem are proposed. These algorithms are inspired on the fact that synapses connecting biological neurons can be altered as the time passes in function of the neuronal activity. Thus, analogies between neurons and cities to be visited by the salesman and between roads and synapses coupling neurons are made. The performances of the proposed algorithms are evaluated by comparing the lengths of the paths produced by them with the length of the optimal solution. The results obtained in experiments performed by using randomly-generated instances and ten instances from a public database suggest that this is a promising approach. / Propõem-se algoritmos para solucionar o clássico problema de otimização chamado de o problema do caixeiro viajante. Esses algoritmos são inspirados no fato de que sinapses que conectam neurônios biológicos podem se alterar com o passar do tempo em função da atividade desses neurônios. Assim, fazem-se analogias entre neurônios e cidades a serem visitadas pelo caixeiro, e entre estradas e sinapses que conectam os neurônios. Os desempenhos dos algoritmos propostos são avaliados comparando-se os comprimentos dos caminhos gerados por eles com o comprimento do caminho ótimo. Os resultados obtidos em testes realizados em instâncias geradas aleatoriamente e em dez instâncias de base de dados pública indicam que essa é uma abordagem promissora.