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Dorsal raphe nucleus (DRN) neurons projects to widespread areas throughout the brain and are involved in many physiological functions and neuropsychiatric disorders. In particular, DRN serotonin (5-HT) neurons are thought to be implicated in major depressive disorder (MDD) as are steroid hormones. Therefore, the aim of this thesis was to assess the effects of some neurosteroids on DRN neurons in non-anaesthetized rats. Initially, we examined electrophysiological properties of dorsal raphe cells across the sleep---wake cycle in non-anaethetized rats. In this first study we characterized six distinct neuronal populations in the DRN based on spike waveform and firing pattern. We then examined the effects of DHEA-S and testosterone (T) on the firing properties of DRN neuronal populations previously characterized. We observed that most populations exhibited an initial decrease in firing activity following one week of treatment. However, there was a great variability in responses across the populations.

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Alzheimer´s disease (AD) is an age-related, irreversible and progressive neurodegenerative pathology that deteriorates cognitive function including learning and memory. AD is characterised neuropathologically by the presence of neuritic plaques (Aβ), neurofibrillary tangles (NFTs), synaptic loss and neuronal death. AD affects specific brain regions involved in mnestic function such as the neocortex and the hippocampus. The dorsal (DR) and the median raphe (MR) nuclei give rise to serotonergic (5-HT) projections that innervate multiple brain regions including the cortex and the hippocampus, playing an important role in learning and memory processes. For a long time the degeneration of cholinergic (ACh) system was considered as the main neurochemical changes in AD brains, however, more recent studies highlight the involvement of other neurotransmitter systems including 5-HT. This thesis entitled “Altered serotonergic neurotransmission as a main player in the pathophysiology of Alzheimer’s disease: structural and ultrastructural studies in a triple transgenic mouse model of the disease” demonstrates that there exist specific alterations in the serotonergic projections of the hippocampus during the progression of AD using the triple transgenic (3xTg-AD) mouse model of the disease, which closely resemble human AD. Mr. Harun N. Noristani is submitting this thesis to the University of Manchester for the degree of PhD in the Faculty of Life Science. The results obtained in this thesis show for the first time a biphasic increase in serotonergic fibre sprouting in the 3xTg-AD mouse model of AD that occurs in parallel with evident intraneuronal/extracellular Aβ deposition in the hippocampus (Chapter 3). In addition, serotonergic fibre sprouting correlated with reduced perforated synapses in the hippocampus, suggesting a structural remodeling process to maintain hippocampal connectivity (Chapter 4). Increased 5-HT neurotransmission (via high dietary intake of tryptophan, 5-HT precursor) reduced intraneuronal Aβ accumulation in the hippocampus, suggesting a direct role of 5-HT neurotransmission in modifying AD neuropathology (Chapter 5). Given the protective role of increased 5-HT neurotransmission, treatment with 5-HT enhancing drugs may be beneficial in reducing the underlying pathology as well as improving the behavioural and cognitive abnormalities associated with AD. Nevertheless, the role of specific 5-HT receptors responsible for such neuro-protective effect of 5-HT in AD awaits further research.

O presente estudo objetivou analisar o envolvimento diferenciado dos núcleos da rafe nas respostas homeostáticas de ratos machos jovens submetidos a exercício físico. Foram formados os grupos de animais treinados (T) e sedentários (S). Para os animais do grupo T foi adotado o protocolo de natação moderada, por meio do qual os animais foram treinados durante oito semanas consecutivas, apresentando, cada semana, cinco dias de treinamento e dois de descanso. Após o período de treinamento, os animais foram perfundidos transcardiacamente e o encéfalo removido, pós-fixado, crioprotegido e criosecionado em cortes coronais de 40m, para processamento com técnicas de imunoperoxidase pelo método ABC contra a proteína Fos, utilizando-se DAB como cromógeno. A análise da ativação neuronal foi efetuada pela expressão da proteína Fos. Os cortes foram analisados em microscopia de campo claro e uma série adjacente foi montada em lâminas gelatinizadas e coradas com tionina, método de Nissl, para controle citoarquitetônico. Durante o experimento, notou-se a adaptação dos animais ao exercício (grupo T), sendo necessária a adição, em sua cauda, de pesos relativos ao peso corpóreo do animal, proporcionando uma adequada seqüência de treinamento. A análise quantitativa evidenciou diferentes densidades de marcação nos diferentes núcleos entre os grupos experimentais. A análise estatística ANOVA e o teste Tuckey evidenciaram diferenças estatísticas entre os grupos, onde os animais do grupo T apresentaram maior ativação de neurônios em relação aos animais do grupo S. O núcleo RPa apresentou o maior número médio de células ativadas, fato evidenciado pela contagem dos neurônios Fos-imunorreativos (Fos-IR), respectivamente, nos grupos T e S: (57,74 e 44,40); seguido pelos núcleos DR (56,67 e 47,15), RMg (42,68 e 36,09), ROb (23,98 e 19,70), MnR (23,89 e 21,19) e PnR (20,18 e 14,07). No núcleo PMnR foi observada, contrariamente aos demais grupos, um maior número médio de células ativadas no grupo S em relação ao grupo T (5,35 e 4,08, respectivamente). Entretanto, estatisticamente, esse dado não é representativo. Assim, de forma inédita, verificou-se a participação diferenciada dos núcleos da rafe nos mecanismos homeostáticos relacionados ao exercício físico em animais treinados. / The aim of this work was to study the distinguished involvement of the raphe nuclei in homeostatic mechanisms of young male rats submitted to physical exercises. Trained (T) and sedentary (S) animals constituted the experimental groups. For animals of group T, the method applied were the moderate swimming protocol, when the animals were trained consecutively for eight weeks (five days training, two days for rest). After the training, the animals were transcardiacally perfused and their brain were removed, post-fixated, cryoprotected and cryosectioned in coronal sections of 40m, which were processed with ABC-DAB anti-Fos immunoperoxidase techniques. The analysis of the neuronal activation was observed by the expression of Fos protein. The sections were analyzed in light microscopy and an adjacent series was mounted in gelatinous slides and stained with tionin, Nissl method, for cytoarchitectonical control. Animals of group T adaptation to exercise was observed during the experiment when heaviness, equivalent to the animal’s body weight, was added in their tails, giving an adequate training sequence. The quantitative analysis highlighted different densities of mark in different nuclei between the experimental groups. The statistic analysis ANOVA and Tuckey test presented different densities between experimental groups, in which the T group of animals showed bigger activation of neurons in relation to the S group of animals. The RPa nucleus showed the higher median number of labeled cells, fact evidenced through the counting of Fos-immunoreactive neurons (Fos-IR), respectively, between T and S groups: (57,74 and 44,40); followed by DR (56,67 and 47,15), RMg (42,68 and 36,09), ROb (23,98 and 19,70), MnR (23,89 e 21,19) and PnR (20,18 and 14,07) nuclei. In the PMnR nucleus was observed, against the other groups, higher number of median numbers of labeled cells in the S group in relation to T group (5,35 and 4,08, respectively). Thus, the distinguished raphe nuclei’s participation in homeostatic mechanisms related with physical exercises in trained animals was evidenced for the first time.

A habênula é uma estrutura epitalâmica diferenciada em dois complexos nucleares, a habênula medial (MHb) e a habênula lateral (LHb). Recentemente, a MHb junto com seu alvo principal, o núcleo interpeduncular (IP), foram identificados como estruturas chaves envolvidas na mediação dos efeitos aversivos da nicotina. Contudo, estruturas intimamente interligadas com o eixo MHb-IP, como o núcleo mediano (MnR), a parte caudal do núcleo dorsal da rafe (DRC), e o núcleo tegmental laterodorsal (LDTg) podem contribuir para os efeitos comportamentais da nicotina. As conexões aferentes e eferentes do IP, até agora, não foram sistematicamente investigadas com traçadores sensíveis. Assim, realizamos injeções de traçadores retrógrados ou anterógrados em diferentes subdivisões do IP, no MnR, ou LDTg e também examinamos a assinatura neuroquímica de algumas das mais proeminentes aferências dessas três estruturas através da combinação de rastreamento retrógrada com métodos de imunofluorescência e hibridização in situ. Além de receber entradas topograficamente organizadas da MHb e também da LHb, observamos que o IP está principalmente interligado de forma recíproca com estruturas da linha média, incluindo o MnR/DRC, o núcleo incerto, o núcleo supramamilar, o septo e o LDTg. As conexões bidirecionais entre o IP e o MnR assim como as entradas do LDTg para o IP provaram de ser principalmente GABAérgicas. Com respeito a uma possível topografia das saídas do IP, todos os subnúcleos do IP deram origem a projeções descendentes, enquanto as suas projeções ascendentes, incluindo projeções focais para o hipocampo ventral, o septo ventrolateral, e a LHb originaram da região dorsocaudal do IP. Nossos resultados indicam que o IP está intimamente associado a uma rede de estruturas da linha média, todos eles considerados moduladores chave da atividade teta do hipocampo. Assim, o IP forma um elo que liga MHb e LHb com esta rede e com o hipocampo. Além disso, as proeminentes interconexões predominantemente GABAérgicas entre IP e MnR, assim como IP e LDTg, suportam um papel chave dessas vias bidirecionais na resposta comportamental à nicotina. / The habenula is an epithalamic structure differentiated into two nuclear complexes, medial (MHb) and lateral habenula (LHb). Recently, MHb together with its primary target, the interpeduncular nucleus (IP), have been identified as major players in mediating the aversive effects of nicotine. However, structures downstream of the MHb-IP axis, including the median (MnR), caudal dorsal raphe nucleus (DRC), and the laterodorsal tegmental nucleus (LDTg), may contribute to the behavioral effects of nicotine. The afferent and efferent connections of the IP have hitherto not been systematically investigated with sensitive tracers. Thus, we placed injections of retrograde or anterograde tracers into different IP subdivisions, the MnR, or LDTg and additionally examined the transmitter phenotype of some major IP and MnR afferents by combining retrograde tract tracing with immunofluorescence and in situ hybridization techniques. Besides receiving topographically organized inputs from MHb and also LHb, we found that the main theme of IP connectivity are strong reciprocal interconnections with midline structures, including the MnR/DRC, nucleus incertus, supramammillary nucleus, septum, and LDTg. The bidirectional connections between IP and MnR and the LDTg inputs to the IP proved to be mostly GABAergic. Regarding a possible topography of IP outputs, all IP subnuclei gave rise to descending projections, whereas ascending projections, including focal projections to the ventral hippocampus, ventrolateral septum, and LHb mostly originated from the dorsocaudal IP. Our findings indicate that IP is closely associated to a distributed network of midline structures, all of them considered key modulators of hippocampal theta activity. Thus, IP forms a node that links MHb and LHb with this network and the hippocampus. Moreover, the rich predominantly GABAergic interconnections between IP and MnR, as well as IP and LDTg, support a cardinal role of these bidirectional pathways in the behavioral response to nicotine.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2016-08-05T12:42:03Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese final_Taisy.corrigida2016.biblioteca.pdf: 2862702 bytes, checksum: 4387dbfa9803b0de752dff7c0388521c (MD5) / Made available in DSpace on 2016-08-05T12:42:03Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese final_Taisy.corrigida2016.biblioteca.pdf: 2862702 bytes, checksum: 4387dbfa9803b0de752dff7c0388521c (MD5) Previous issue date: 2016-02-29 / CNPq / A maturação do sistema de controle de ingestão alimentar pode se moldar em correspondência ao ambiente nutricional, direcionando o seu padrão maduro. Nos primeiros dias de vida, no rato, o principal mediador para a saciedade e fome é a informação de enchimento ou esvaziamento gástrico, respectivamente. Esta informação nesse período é coordenada notadamente pela periferia provavelmente pela a imaturidade do controle central. O controle da ingestão alimentar homeostático é coordenado pelo núcleo do trato solitário e pelos núcleos hipotalâmicos que através de diferentes moléculas, como sensores energéticos, peptídeos e neurotransmissores coordena os sinais oriundos de tecidos periféricos. Portanto, os objetivos do presente trabalho foram avaliar a maturação de controle da ingestão alimentar em ratos neonatos e o papel do sistema serotoninérgico nesse processo. Foram utilizados ratos Wistar em duas idades P10 e P18 submetidos à desnutrição proteica ou não. Foram realizados os seguintes procedimentos experimentais: avaliação de ingestão alimentar, expressão gênica de peptídeos e sensores energéticos no hipotálamo de animais normonutridos e ativação de c-fos em resposta a agonista serotoninérgico no hipotálamo e núcleos da rafe em animais submetidos à desnutrição ou não. Nossos resultados revelaram que os sensores hipotalâmicos respondem precocemente ao estado de jejum (AMPKα1 -10dias: 16,79 ± 1,01, P=0,0174 e mTOR -10 dias: J=37,50 ± 2,67, p=0,036) e alimentado (AMPKα1 10dias: C=11,39 ± 1,17 e mTOR aos 10 dias: C=48,74 ± 4,21). A desnutrição promove inibição da via serotoninérgica além de reduzir a ativação de células imunorreativas aos 18 dias no núcleo PVN (Desnutrido-Fenfluramina: 200,8 ± 24,38, n=5, versus Desnutrido-Salina: 234,5 ± 43,32, n=5 p<0,006), traduzido em maior ganho de peso dos animais Desnutrido-Fenfluramina (2,32±0,36 n=10; p=0,017) em relação ao grupo Desnutrido-Salina (1,19±0,24 n=10). Portanto, nossos resultados revelam que o controle da ingestão alimentar em neonatos é afetado pela desnutrição com alterações na via serotoninérgica aos 18 dias e que os sinalizadores hipotalâmicos aos 10 dias participam sobre o controle da ingestão de alimentos. / The maturation of food intake patterns can be shaped in correspondence to the nutritional environment, directing his mature standard. In the first days of life in the rats, the main mediator for satiety and hunger is filling or gastric emptying, respectively.This information in this period is coordinated notably the periphery probably due to immaturity of the central control. The homeostatic control of food intake is coordinated by the nucleus of the solitary tract and the hypothalamic nuclei by different molecules, such as energy sensors, peptides and neurotransmitters coordinates signals from the periphery.Therefore, the objective of this study was to evaluate the control of maturation of food intake in newborn rats. Wistar rats were used at ages P10 and P18 submitted to protein malnutrition or not.The following experimental procedures were performed: assessment of food intake, gene expression of peptides and energy sensors in the hypothalamus of control animals and c-fos activation in response to agonist serotonin in the hypothalamus and raphe nuclei in animals subjected to malnutrition or not. Our results revealed that the hypothalamic sensors early answer to the fasting state (AMPKα1 10days: 16,79 ± 1,01 p = 0,0174) and mTOR at 10 days ( J = 37,50 ± 2,67; p = 0.036) and fed (AMPKα1 10days: C = 11,39 ± 1,17 and mTOR at 10 days: C = 48,74 ± 4,21). Malnutrition promotes inhibition of serotonin pathway and reduces the activation of immunoreactive cells after 18 days in the PVN core (Low protein-Fenfluramine: 200,8 ± 24,38; n = 5, versus Low protein-Salina: 234,5 ± 43,32; n = 5 p <0.006), translated into higher weight gain of Low protein-Fenfluramine animals (2,32 ± 0,36; n = 10; p = 0,017) compared to the group Low protein-Salina (1,19 ± 0,24, n = 10). Therefore, our results show that the control of food intake in newborns is affected by malnutrition to changes in serotonin via at 18 days and that the hypothalamic sensors at 10 days for the control of food intake.

O presente estudo objetivou analisar o envolvimento diferenciado dos núcleos da rafe nas respostas homeostáticas de ratos machos jovens submetidos a exercício físico. Foram formados os grupos de animais treinados (T) e sedentários (S). Para os animais do grupo T foi adotado o protocolo de natação moderada, por meio do qual os animais foram treinados durante oito semanas consecutivas, apresentando, cada semana, cinco dias de treinamento e dois de descanso. Após o período de treinamento, os animais foram perfundidos transcardiacamente e o encéfalo removido, pós-fixado, crioprotegido e criosecionado em cortes coronais de 40&#61549;m, para processamento com técnicas de imunoperoxidase pelo método ABC contra a proteína Fos, utilizando-se DAB como cromógeno. A análise da ativação neuronal foi efetuada pela expressão da proteína Fos. Os cortes foram analisados em microscopia de campo claro e uma série adjacente foi montada em lâminas gelatinizadas e coradas com tionina, método de Nissl, para controle citoarquitetônico. Durante o experimento, notou-se a adaptação dos animais ao exercício (grupo T), sendo necessária a adição, em sua cauda, de pesos relativos ao peso corpóreo do animal, proporcionando uma adequada seqüência de treinamento. A análise quantitativa evidenciou diferentes densidades de marcação nos diferentes núcleos entre os grupos experimentais. A análise estatística ANOVA e o teste Tuckey evidenciaram diferenças estatísticas entre os grupos, onde os animais do grupo T apresentaram maior ativação de neurônios em relação aos animais do grupo S. O núcleo RPa apresentou o maior número médio de células ativadas, fato evidenciado pela contagem dos neurônios Fos-imunorreativos (Fos-IR), respectivamente, nos grupos T e S: (57,74 e 44,40); seguido pelos núcleos DR (56,67 e 47,15), RMg (42,68 e 36,09), ROb (23,98 e 19,70), MnR (23,89 e 21,19) e PnR (20,18 e 14,07). No núcleo PMnR foi observada, contrariamente aos demais grupos, um maior número médio de células ativadas no grupo S em relação ao grupo T (5,35 e 4,08, respectivamente). Entretanto, estatisticamente, esse dado não é representativo. Assim, de forma inédita, verificou-se a participação diferenciada dos núcleos da rafe nos mecanismos homeostáticos relacionados ao exercício físico em animais treinados. / The aim of this work was to study the distinguished involvement of the raphe nuclei in homeostatic mechanisms of young male rats submitted to physical exercises. Trained (T) and sedentary (S) animals constituted the experimental groups. For animals of group T, the method applied were the moderate swimming protocol, when the animals were trained consecutively for eight weeks (five days training, two days for rest). After the training, the animals were transcardiacally perfused and their brain were removed, post-fixated, cryoprotected and cryosectioned in coronal sections of 40&#61549;m, which were processed with ABC-DAB anti-Fos immunoperoxidase techniques. The analysis of the neuronal activation was observed by the expression of Fos protein. The sections were analyzed in light microscopy and an adjacent series was mounted in gelatinous slides and stained with tionin, Nissl method, for cytoarchitectonical control. Animals of group T adaptation to exercise was observed during the experiment when heaviness, equivalent to the animal’s body weight, was added in their tails, giving an adequate training sequence. The quantitative analysis highlighted different densities of mark in different nuclei between the experimental groups. The statistic analysis ANOVA and Tuckey test presented different densities between experimental groups, in which the T group of animals showed bigger activation of neurons in relation to the S group of animals. The RPa nucleus showed the higher median number of labeled cells, fact evidenced through the counting of Fos-immunoreactive neurons (Fos-IR), respectively, between T and S groups: (57,74 and 44,40); followed by DR (56,67 and 47,15), RMg (42,68 and 36,09), ROb (23,98 and 19,70), MnR (23,89 e 21,19) and PnR (20,18 and 14,07) nuclei. In the PMnR nucleus was observed, against the other groups, higher number of median numbers of labeled cells in the S group in relation to T group (5,35 and 4,08, respectively). Thus, the distinguished raphe nuclei’s participation in homeostatic mechanisms related with physical exercises in trained animals was evidenced for the first time.

Os núcleos da rafe são agrupamentos celulares cujo principal tipo é o serotoninérgico. Em anuros adultos a estimulação elétrica e química da rafe bulbar não causa alteração na ventilação, enquanto que em mamíferos, dependendo da localização exata desta estimulação, a ventilação pode ser inibida ou estimulada. Ainda em mamíferos, os núcleos bulbares da rafe participam da resposta cardiorrespiratória à hipóxia (5% O2) e hipercarbia (5% CO2), enquanto que em anfíbios isto ainda não foi investigado. Portanto, o objetivo do presente trabalho foi investigar a participação dos núcleos da rafe nas respostas cardiorrespiratórias à hipóxia e hipercarbia em sapos (Rhinella schneideri). Para isso, primeiramente os núcleos da rafe foram localizados e identificados na espécie estudada. Imunorreatividade para proteínas Fosrelacionadas foi utilizada para verificar se estes núcleos são ativados ou inibidos durante o estímulo hipóxico e hipercárbico, e, adicionalmente, o papel dos núcleos magno e pontino da rafe nas respostas cardiorrespiratórias à hipóxia e hipercarbia foi investigado por meio da lesão nãoseletiva com ácido ibotênico. A ventilação pulmonar foi medida diretamente pelo método pneumotacográfico e a pressão arterial por canulação da artéria femoral. Os resultados demonstram que os núcleos bulbares da rafe são inibidos após o estímulo hipóxico e hipercárbico. A hipóxia causou aumento da ventilação pulmonar e da frequência cardíaca nos grupos veículo e lesado. A hipercarbia causou aumento da ventilação pulmonar em ambos os grupos. A lesão nãoseletiva dos núcleos magno e pontino da rafe não teve efeito na ventilação basal (durante normóxia normocárbica) e nas respostas cardiorrespiratórias à hipóxia e hipercarbia, sugerindo que estes núcleos não participam do controle da ventilação em condições basais ou durante a hipóxia e hipercarbia em sapos. / The raphe nuclei are brainstem cell groups and the main cell type is serotonergic. In adult anurans electrical or chemical stimulation of the medullary raphe has no effect on ventilation, whereas in mammals depending on the specific site of stimulation, an excitatory or inhibitory response is elicited. In mammals the medullary raphe participate in the ventilatory and cardiovascular response to hypoxia and hipercarbia while in amphibians there are no data available. Thus the present study was designed to investigate whether the raphe nuclei of toads (Rhinella schneideri) participate in the ventilatory and cardiovascular response to hypoxia (5% O2) and hipercarbia (5% CO2). First the raphe nuclei were located and identified. Fosrelated immunoreactivity was used to verify whether the raphe nuclei are activated or inhibited by hypoxia or hypercarbia. In addition, the role of raphe magnus and pontis in the respiratory and cardiovascular responses to hypoxia and hypercarbia were investigated by nonselective lesioning with ibotenic acid. Pulmonary ventilation was directly measured by pneumotachographic method and the arterial pressure by a femoral catheter. The results indicate that the medullary raphe nuclei are inhibited after hypoxic and hypercarbic stimulus (2,5h). Hypoxia caused hyperventilation and increase in the cardiac frequency in the vehicle and lesioned groups. Hypercarbia caused hyperventilation in both groups. Chemical lesions in the raphe magnus and pontis did not affect ventilatory or cardiovascular variables under resting conditions (normoxic normocárbica) or during the response to hypoxia or hipercarbia.