Este trabalho descreve uma simulação computacional biologicamente plausível do sistema olfativo de vertebrados. O modelo construído foi capaz de reproduzir satisfatoriamente características importantes observadas no sistema olfativo de vertebrados, incluindo a recepção de diferentes concentrações e tipos de odores no epitélio olfativo e a propagação dessa informação para o bulbo. Ele também tornou possível a observação de diferentes padrões de resposta odorífera, tanto no epitélio como no bulbo, associados a diferentes odores usados nas simulações. / This work describes a biologically plausible simulation of the olfactory system of vertebrates. The constructed model was capable of reproducing satisfactorily important characterisitics observed in the vertebrate olfactory system, including the reception of different concentrations and odor types at the epithelium and the propagation of this information to the olfactory bulb. Also, it made possible the observation of the different response patterns, both in the epithelium as in the olfactory bulb, associated with different odors used in the simulations.

Esse trabalho consiste no estudo de alguns mecanismos responsáveis pela geração das oscilações elétricas observadas no sistema olfativo de vertebrados e das possíveis funções que essas oscilações possam ter no processamento da informação olfativa. Da-se especial atenção ao papel desempenhado pelo ritmo respiratório e pelas sinapses químicas e elétricas nesse processo. Para realizar essa investigação, foram utilizados modelos computacionais que reproduzem aspectos da anatomia e da fisiologia do epitélio olfativo, do bulbo olfativo e do córtex piriforme. Os modelos foram desenvolvidos e simulados no neurossimulador GENESIS, funcionando no sistema operacional LINUX. A análise dos resultados foi feita no programa MATLAB (Mathworks™). Inicialmente, a tese faz uma descrição do substrato neurobiológico que compõe as camadas iniciais do sistema olfativo, incluindo o epitélio, bulbo e córtex olfativo, e de como a informação olfativa é processada por cada camada, discutindo a importância do sentido olfativo e a relevância da neurociência computacional no estudo da origem e do papel das oscilações elétricas existentes nesse sistema (Capítulo 1). O capítulo 2 descreve os materiais e métodos utilizados para a construção dos modelos computacionais e para análise dos resultados. O capítulo 3 faz uma descrição detalhada do modelo computacional utilizado e dos experimentos realizados com o modelo. Finalmente, o capítulo 4 apresenta e discute os resultados das simulações realizadas e o capítulo 5 estende essa discussão, concluindo a tese. O capítulo 6 contém as referências bibliográficas utilizadas no trabalho. Os resultados do trabalho sugerem que as oscilações elétricas no sistema olfativo poderiam ser geradas em várias estruturas e níveis de organização, abrangendo os níveis moleculares, celulares e de sistemas neurais. E que as sinapses químicas e elétricas, assim como os ritmos respiratórios, podem ter um papel fundamental na geração dessas oscilações. Assim, o modelo construído propõe uma explicação plausível para a origem das oscilações elétricas no sistema olfativo de vertebrados e discute as possíveis funções que essas oscilações teriam no contexto do processamento da informação sensorial. / This work is a study of some mechanisms associated with the generation of electric oscillations in the vertebrate olfactory system. Special attention is given for the role of the respiratory rhythm, chemical synapses and electrical synapses in this process. The possible functions of the electric oscillations in olfactory information processing are explored. A computational model that reproduces aspects of the anatomy and physiology of the olfactory epithelium, bulb and piriform cortex was utilized to realize this investigation. The models were developed and simulated in the GENESIS neurosimulator, running under the LINUX operational system. The analysis of the results was made in the software MATLAB (Mathworks™). In the beginning, the thesis describe the neurobiological substracts of the initial layers of the olfactory system, including the olfactory epithelium, bulb and piriform cortex, and explore how the olfactory information is processed by each layer. The chapter 1 presents the importance of the olfactory sense and the use of computational neuroscience to study the role of the electric oscillations in this system. The chapter 2 explains the material and methods utilized to develop the computational model and to analyse the data generated by the model. The chapter 3 describes the used computational model and the experiments realized with the model. Finally, the chapter 4 presents and discusses the results of the simulations. The chapter 5 extends the discussion and concludes the thesis. The chapter 6 contains the bibliographic references. The results of the work suggest that electric oscillations in the olfactory system could be generated in several structures and organizational levels, including the molecular level, the cellular and neural systems level. In particular, the results shown that chemical and electric synapses, as well as the respiratory rhythm, may have a fundamental role in the generation of these oscillations. Indeed, the constructed model proposes a plausible explanation for the origin of the electrical oscillations in the vertebrate olfactory system and discusses the possible function of these oscillations in the context of sensorial information processing.

Este trabalho descreve uma simulação computacional biologicamente plausível do sistema olfativo de vertebrados. O modelo construído foi capaz de reproduzir satisfatoriamente características importantes observadas no sistema olfativo de vertebrados, incluindo a recepção de diferentes concentrações e tipos de odores no epitélio olfativo e a propagação dessa informação para o bulbo. Ele também tornou possível a observação de diferentes padrões de resposta odorífera, tanto no epitélio como no bulbo, associados a diferentes odores usados nas simulações. / This work describes a biologically plausible simulation of the olfactory system of vertebrates. The constructed model was capable of reproducing satisfactorily important characterisitics observed in the vertebrate olfactory system, including the reception of different concentrations and odor types at the epithelium and the propagation of this information to the olfactory bulb. Also, it made possible the observation of the different response patterns, both in the epithelium as in the olfactory bulb, associated with different odors used in the simulations.

Esse trabalho consiste no estudo de alguns mecanismos responsáveis pela geração das oscilações elétricas observadas no sistema olfativo de vertebrados e das possíveis funções que essas oscilações possam ter no processamento da informação olfativa. Da-se especial atenção ao papel desempenhado pelo ritmo respiratório e pelas sinapses químicas e elétricas nesse processo. Para realizar essa investigação, foram utilizados modelos computacionais que reproduzem aspectos da anatomia e da fisiologia do epitélio olfativo, do bulbo olfativo e do córtex piriforme. Os modelos foram desenvolvidos e simulados no neurossimulador GENESIS, funcionando no sistema operacional LINUX. A análise dos resultados foi feita no programa MATLAB (Mathworks™). Inicialmente, a tese faz uma descrição do substrato neurobiológico que compõe as camadas iniciais do sistema olfativo, incluindo o epitélio, bulbo e córtex olfativo, e de como a informação olfativa é processada por cada camada, discutindo a importância do sentido olfativo e a relevância da neurociência computacional no estudo da origem e do papel das oscilações elétricas existentes nesse sistema (Capítulo 1). O capítulo 2 descreve os materiais e métodos utilizados para a construção dos modelos computacionais e para análise dos resultados. O capítulo 3 faz uma descrição detalhada do modelo computacional utilizado e dos experimentos realizados com o modelo. Finalmente, o capítulo 4 apresenta e discute os resultados das simulações realizadas e o capítulo 5 estende essa discussão, concluindo a tese. O capítulo 6 contém as referências bibliográficas utilizadas no trabalho. Os resultados do trabalho sugerem que as oscilações elétricas no sistema olfativo poderiam ser geradas em várias estruturas e níveis de organização, abrangendo os níveis moleculares, celulares e de sistemas neurais. E que as sinapses químicas e elétricas, assim como os ritmos respiratórios, podem ter um papel fundamental na geração dessas oscilações. Assim, o modelo construído propõe uma explicação plausível para a origem das oscilações elétricas no sistema olfativo de vertebrados e discute as possíveis funções que essas oscilações teriam no contexto do processamento da informação sensorial. / This work is a study of some mechanisms associated with the generation of electric oscillations in the vertebrate olfactory system. Special attention is given for the role of the respiratory rhythm, chemical synapses and electrical synapses in this process. The possible functions of the electric oscillations in olfactory information processing are explored. A computational model that reproduces aspects of the anatomy and physiology of the olfactory epithelium, bulb and piriform cortex was utilized to realize this investigation. The models were developed and simulated in the GENESIS neurosimulator, running under the LINUX operational system. The analysis of the results was made in the software MATLAB (Mathworks™). In the beginning, the thesis describe the neurobiological substracts of the initial layers of the olfactory system, including the olfactory epithelium, bulb and piriform cortex, and explore how the olfactory information is processed by each layer. The chapter 1 presents the importance of the olfactory sense and the use of computational neuroscience to study the role of the electric oscillations in this system. The chapter 2 explains the material and methods utilized to develop the computational model and to analyse the data generated by the model. The chapter 3 describes the used computational model and the experiments realized with the model. Finally, the chapter 4 presents and discusses the results of the simulations. The chapter 5 extends the discussion and concludes the thesis. The chapter 6 contains the bibliographic references. The results of the work suggest that electric oscillations in the olfactory system could be generated in several structures and organizational levels, including the molecular level, the cellular and neural systems level. In particular, the results shown that chemical and electric synapses, as well as the respiratory rhythm, may have a fundamental role in the generation of these oscillations. Indeed, the constructed model proposes a plausible explanation for the origin of the electrical oscillations in the vertebrate olfactory system and discusses the possible function of these oscillations in the context of sensorial information processing.

A área de transição amígdalo-piriforme (APir) está situada na confluência dos córtices piriforme, periamigdalóide e entorrinal lateral (ENTl). Com técnicas de rastreamento retrógrado foi observado que as principais aferências da APir se originam do bulbo olfativo, dos córtices piriforme, insular disgranular e agranular posterior, perirrinal, da formação hipocampal e da amígdala. Outras estruturas como o núcleo da banda diagonal de Broca, o pálido ventral, a substância inominada sublenticular, o tálamo da linha média, o núcleo dorsal da rafe, o locus coeruleus e a área parabraquial são fontes de aferências mais modestas a esta área de transição. A APir e o ENTl diferem no que diz respeito à origem de suas aferências mesocorticais, amigdalianas e talâmicas. Assim, a APir está em condições de integrar informações olfativas, gustativas, interoceptivas gerais e polissensoriais complexas e, através de suas projeções para a amígdala expandida, striatum ventral e formação hipocampal, influenciar a expressão de comportamentos motivados. / The amygdalo-piriform transition area (APir) lies at the junction of the piriform, periamygdaloid and entorhinal cortices. The afferent connections of this olfactory district were studied with retrograde tracing methods using the cholera toxin B subunit and Fluoro-Gold as tracers. Our retrograde experiments showed that the main input sources to APir derive from the olfactory bulb, mesocortical and allocortical areas including the dysgranular insular, posterior part of the agranular insular, piriform, lateral entorhinal and perirhinal cortices, temporal field CA1 of Ammon horn, ventral subiculum, as well as the endopiriform nucleus and the amygdaloid complex (anterior basomedial, posterior basolateral and anterior, posterolateral, posteromedial cortical nuclei). Several other structures among which the diagonal band, ventral pallidum, sublenticular substantia inominatta, midline thalamic nuclei, dorsal raphe nucleus, locus coeruleus and parabrachial area provide more modest inputs to APir. Our results suggest in addition that projections from mesocortical areas, hippocampal formation and the posterior basolateral amygdaloid nucleus to APir are topographically organized. Fluoro-Gold injections in the ventrolateral entorhinal cortex indicate that the afferent connections of this district differ in many regards from the afferent connections of APir. Cortical and amygdaloid inputs suggest tha APir is chiefly involved in the processing of olfactory, gustatory, visceral and somesthesic information, whereas the ventrolateral entorhinal cortex seems to be more crucially related with visual and auditory processes. APir is also less densely projected upon by midline thalamic nuclei than the lateral entorhinal cortex. Taken as a whole our results suggest that APir is in position to relay highly integrated olfactory, gustatory, interoceptive and somesthesic information to the extended amygdala, ventral striatum and ventral subiculum, and as such modulate the expression of motivated and emotional behavior.

A área de transição amígdalo-piriforme (APir) está situada na confluência dos córtices piriforme, periamigdalóide e entorrinal lateral (ENTl). Com técnicas de rastreamento retrógrado foi observado que as principais aferências da APir se originam do bulbo olfativo, dos córtices piriforme, insular disgranular e agranular posterior, perirrinal, da formação hipocampal e da amígdala. Outras estruturas como o núcleo da banda diagonal de Broca, o pálido ventral, a substância inominada sublenticular, o tálamo da linha média, o núcleo dorsal da rafe, o locus coeruleus e a área parabraquial são fontes de aferências mais modestas a esta área de transição. A APir e o ENTl diferem no que diz respeito à origem de suas aferências mesocorticais, amigdalianas e talâmicas. Assim, a APir está em condições de integrar informações olfativas, gustativas, interoceptivas gerais e polissensoriais complexas e, através de suas projeções para a amígdala expandida, striatum ventral e formação hipocampal, influenciar a expressão de comportamentos motivados. / The amygdalo-piriform transition area (APir) lies at the junction of the piriform, periamygdaloid and entorhinal cortices. The afferent connections of this olfactory district were studied with retrograde tracing methods using the cholera toxin B subunit and Fluoro-Gold as tracers. Our retrograde experiments showed that the main input sources to APir derive from the olfactory bulb, mesocortical and allocortical areas including the dysgranular insular, posterior part of the agranular insular, piriform, lateral entorhinal and perirhinal cortices, temporal field CA1 of Ammon horn, ventral subiculum, as well as the endopiriform nucleus and the amygdaloid complex (anterior basomedial, posterior basolateral and anterior, posterolateral, posteromedial cortical nuclei). Several other structures among which the diagonal band, ventral pallidum, sublenticular substantia inominatta, midline thalamic nuclei, dorsal raphe nucleus, locus coeruleus and parabrachial area provide more modest inputs to APir. Our results suggest in addition that projections from mesocortical areas, hippocampal formation and the posterior basolateral amygdaloid nucleus to APir are topographically organized. Fluoro-Gold injections in the ventrolateral entorhinal cortex indicate that the afferent connections of this district differ in many regards from the afferent connections of APir. Cortical and amygdaloid inputs suggest tha APir is chiefly involved in the processing of olfactory, gustatory, visceral and somesthesic information, whereas the ventrolateral entorhinal cortex seems to be more crucially related with visual and auditory processes. APir is also less densely projected upon by midline thalamic nuclei than the lateral entorhinal cortex. Taken as a whole our results suggest that APir is in position to relay highly integrated olfactory, gustatory, interoceptive and somesthesic information to the extended amygdala, ventral striatum and ventral subiculum, and as such modulate the expression of motivated and emotional behavior.