[Truncated abstract] Developmentally, the rodent retinocollicular projection is often thought of as a homogenous projection of retinal ganglion cell (RGC) axons, however the extensive period of RGC neurogenesis and sequential arrival of their axons into central targets such as the superior colliulus (SC) suggests otherwise. RGC axons are already present in the developing SC at embryonic (E) day 16.5-17. RGCs born on E15 have innervated the SC by birth, whereas axons derived from RGCs that are born last (E19) do not grow into the SC until postnatal (P) days 4-6 (Dallimore et al., 2002). These observations may go someway to explaining why, after SC lesions in rats at P2, there is greater growth distal to the lesion site compared to lesions made at P6 (Tan and Harvey, 1997b). It may be that the post lesion growth is simply de novo growth of axons from late-born RGCs rather than regeneration of pre-existing, injured axons. Early and late cohorts of growing RGC axons presumably encounter different developmental terrains as they grow from retina to central targets, possibly resulting in differences in developmental milestones and growth potentials. There may also be differences in guidance cues, further suggesting that gene expression in early vs late born RGCs may differ. To examine differences between early (E15) and late (E19) born RGCs during development, the time-course and extent of programmed RGC death in normal rat pups, and RGC death following the removal of target-derived trophic factors, was assessed. ... On the other hand, LCM captured GCL analysed for gene expression at P0 and P7 revealed decreases in AKT, Math5, Notch1, c-jun, DCC, Arginase-1 mRNA levels and a considerable decrease in GAP-43 expression. It is not surprising to see differences in gene expression between whole eye and the more specific GCL samples, as the cells in all layers of the retina have very different functions and different developmental profiles. It is important to note decreases in mRNA expression in the GCL for a number of the genes analysed at P0 and P7, reflecting cessation of RGC death and completion of axonal growth into central visual targets. I also examined at the protein level expression of DCC, Arginase1, c-Jun and Bcl-2 at birth (P0) in BrdU labeled RGCs born on E15 or E19. When comparing the percentage of double labelled cells compared to the total number of cells expressing each protein, Bcl-2, c-Jun and Arg1 were expressed more in E15 RGCs (22.90%, 72.71%, and 16.44% respectively in E15 RGCs, compared with 0.52%, 13.17% and 3.59% in E19 RGCs). In contrast, DCC was expressed more at birth in E19 RGCs (18.05% in E19 RGCs compared with 9.23% in E15 RGCs). This shows there is clearly a difference in the expression of proteins in the two cohorts of RGCs, which is consistent with PCR data and with their growth state as their axons encounter the changes in the newborn brain. The overall findings of this research suggest that seemingly homogenous populations of neurons are quite different in their developmental profile and in their response to injury. This work may provide new ways of determining better strategies for CNS repair and the most effective way of targeting cells for regeneration and survival.

Este trabalho introduz um modelo fisiológico para o reflexo pupilar em função das condições de iluminação (Pupil Light Reflex - PLR), e um modelo baseado em imagem para deformação dos padrões da íris. O modelo para PLR expressa o diâmetro da pupila ao longo do tempo e em função da iluminação ambiental, sendo descrito por uma equação diferencial com atraso, adaptando naturalmente o tamanho da pupila a mudanças bruscas de iluminação. Como os parâmetros do nosso modelo são derivados a partir de modelos baseados em experimentos científicos, ele simula corretamente o comportamento da pupila humana para um indivíduo médio. O modelo é então estendido para dar suporte a diferenças individuais e a hippus, além de utilizar modelos para latência e velocidade de dilatação e contração. Outra contribuição deste trabalho é um modelo para deformação realista dos padrões da íris em função da contração e dilatação da pupila. Após capturar várias imagens de íris de diversos voluntários durante diferentes estágios de dilatação, as trajetórias das estruturas das íris foram mapeadas e foi identificado um comportamento médio para as mesmas. Demonstramos a eficácia e qualidade dos resultados obtidos, comparando-os com fotografias e vídeos capturados de íris reais. Os modelos aqui apresentados produzem efeitos foto-realistas e podem ser utilizados para produzir animações preditivas da pupila e da íris em tempo real, na presença de variações na iluminação. Combinados, os dois modelos permitem elevar a qualidade de animações faciais, mais especificamente, animações da íris humana. / This thesis introduces a physiologically-based model for pupil light reflex (PLR) and an image-based model for iridal pattern deformation. The PLR model expresses the pupil diameter as a function of the environment lighting, naturally adapting the pupil diameter even to abrupt changes in light conditions. Since the parameters of the PLR model were derived from measured data, it correctly simulates the actual behavior of the human pupil. The model is extended to include latency, constriction and dilation velocities, individual differences and some constrained random noise to model hippus. The predictability and quality of the simulations were validated through comparisons of modeled results against measured data derived from experiments also described in this work. Another contribution is a model for realist deformation of the iris pattern as a function of pupil dilation and constriction. The salient features of the iris are tracked in photographs, taken from several volunteers during an induced pupil-dilation process, and an average behavior of the iridal features is defined. The effectiveness and quality of the results are demonstrated by comparing the renderings produced by the models with photographs and videos captured from real irises. The resulting models produce high-fidelity appearance effects and can be used to produce real-time predictive animations of the pupil and iris under variable lighting conditions. Combined, the proposed models can bring facial animation to new photorealistic standards.

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Este trabalho introduz um modelo fisiológico para o reflexo pupilar em função das condições de iluminação (Pupil Light Reflex - PLR), e um modelo baseado em imagem para deformação dos padrões da íris. O modelo para PLR expressa o diâmetro da pupila ao longo do tempo e em função da iluminação ambiental, sendo descrito por uma equação diferencial com atraso, adaptando naturalmente o tamanho da pupila a mudanças bruscas de iluminação. Como os parâmetros do nosso modelo são derivados a partir de modelos baseados em experimentos científicos, ele simula corretamente o comportamento da pupila humana para um indivíduo médio. O modelo é então estendido para dar suporte a diferenças individuais e a hippus, além de utilizar modelos para latência e velocidade de dilatação e contração. Outra contribuição deste trabalho é um modelo para deformação realista dos padrões da íris em função da contração e dilatação da pupila. Após capturar várias imagens de íris de diversos voluntários durante diferentes estágios de dilatação, as trajetórias das estruturas das íris foram mapeadas e foi identificado um comportamento médio para as mesmas. Demonstramos a eficácia e qualidade dos resultados obtidos, comparando-os com fotografias e vídeos capturados de íris reais. Os modelos aqui apresentados produzem efeitos foto-realistas e podem ser utilizados para produzir animações preditivas da pupila e da íris em tempo real, na presença de variações na iluminação. Combinados, os dois modelos permitem elevar a qualidade de animações faciais, mais especificamente, animações da íris humana. / This thesis introduces a physiologically-based model for pupil light reflex (PLR) and an image-based model for iridal pattern deformation. The PLR model expresses the pupil diameter as a function of the environment lighting, naturally adapting the pupil diameter even to abrupt changes in light conditions. Since the parameters of the PLR model were derived from measured data, it correctly simulates the actual behavior of the human pupil. The model is extended to include latency, constriction and dilation velocities, individual differences and some constrained random noise to model hippus. The predictability and quality of the simulations were validated through comparisons of modeled results against measured data derived from experiments also described in this work. Another contribution is a model for realist deformation of the iris pattern as a function of pupil dilation and constriction. The salient features of the iris are tracked in photographs, taken from several volunteers during an induced pupil-dilation process, and an average behavior of the iridal features is defined. The effectiveness and quality of the results are demonstrated by comparing the renderings produced by the models with photographs and videos captured from real irises. The resulting models produce high-fidelity appearance effects and can be used to produce real-time predictive animations of the pupil and iris under variable lighting conditions. Combined, the proposed models can bring facial animation to new photorealistic standards.

O sistema canabinóide parece participar de vários processos neurobiológicos, incluindo neuroproteção e plasticidade. Os objetivos deste estudo foram avaliar os efeitos de ablações retinianas sobre a expressão do receptor canabinóide CB1 e de proteínas estruturais no tecto óptico de pintos pelos métodos de imuno-histoquímica, immunoblotting e PCR em tempo real. Além disso, avaliamos os efeitos do tratamento com agonistas e antagonistas canabinóides em culturas de células do tecto óptico expostas ao NMDA por citometria de fluxo e quanto à morfologia. A ablação retiniana parece gerar um aumento da expressão da proteína CB1 no tecto óptico desaferentado, mas não dos níveis de RNAm. O tratamento das culturas com o agonista canabinóide diminuiu o número de células inviáveis e de DNA fragmentado gerados pelo NMDA. O aumento da expressão de CB1 após a ablação indica uma localização pós-sináptica desses receptores e sugere um papel do sistema canabinóide em processos de plasticidade. Os resultados da cultura de células sugerem um papel neuroprotetor do sistema canabinóide. / The cannabinoid system (CS) seems to have a role in several neurobiological processes, including neuroprotection and neuronal plasticity. The aims of this study were to verify the effects of unilateral retinal ablation on the expression of cannabinoid receptor CB1 and other structural proteins in the optic tectum of chick brain by immunohistochemistry, immunoblotting and real time PCR. Moreover, we evaluated the effects of cannabinoids agonists and antagonists treatment in optic tectum cell cultures exposed to the NMDA by flow cytometry and in the morphology. The retinal ablation seems to generate an increase in the expression of protein CB1 in the deafferented optic tectum, but not in the levels of mRNA. The treatment of the cultures with the cannabinoid agonist decreased the number of unviable cells and fragmented DNAs generated by NMDA. This increase of CB1 expression indicates a post-synaptic localization of these receptors and suggests a role of the CS in plasticity processes. The results of cell culture suggest neuroprotector role of the CS.

o óxido nítrico tem sido apontado como um importante fator de desenvolvimento neural, participando ativamente como sinalizador espacial durante o processo de refinamento sináptico. Avaliamos nesse estudo a participação do óxido nítrico durante esse processo em tectos ópticos de embriões de pintos (Gallus gallus). Para tal avaliamos a imunorreatividade dos neurônios para as proteínas que formam os receptores colinérgicos e glutamatérgicos em diferentes fases do desenvolvimento embrionário, com e sem o bloqueio farmacológico da enzima de síntese do óxido nítrico (NOS). Durante o desenvolvimento embrionário, as subunidades GluR2/3 dos receptores glutamatérgicos são as que aparecem mais precocemente, no 6°dia de desenvolvimento embrionário (E6), juntamente com os neurônios imunorreativos para NOS e somente a partir de E8 é possível identificar a arquitetura laminar típica do tecto óptico.O bloqueio farmacológico da NOS mostrou diferentes padrões de marcação dependendo do tempo de sobrevida do animal. Em animais eutanasiados 24 h após o bloqueio farmacológico observou-se uma alteração na organização das camadas e no padrão radial de organização dos neurônios imunorreativos. Esse dado sugere que haja um atraso no refinamento sináptico, que se reflete em desorganização das camadas do tecto e alterações morfológicas nos neurônios. / O óxido nítrico tem sido apontado como um importante fator de desenvolvimento neural, participando ativamente como sinalizador espacial durante o processo de refinamento sináptico. Avaliamos nesse estudo a participação do óxido nítrico durante esse processo em tectos ópticos de embriões de pintos (Gallus gallus). Para tal avaliamos a imunorreatividade dos neurônios para as proteínas que formam os receptores colinérgicos e glutamatérgicos em diferentes fases do desenvolvimento embrionário, com e sem o bloqueio farmacológico da enzima de síntese do óxido nítrico (NOS). Durante o desenvolvimento embrionário, as subunidades GluR2/3 dos receptores glutamatérgicos são as que aparecem mais precocemente, no 6°dia de desenvolvimento embrionário (E6), juntamente com os neurônios imunorreativos para NOS e somente a partir de E8 é possível identificar a arquitetura laminar típica do tecto óptico.O bloqueio farmacológico da NOS mostrou diferentes padrões de marcação dependendo do tempo de sobrevida do animal. Em animais eutanasiados 24 h após o bloqueio farmacológico observou-se uma alteração na organização das camadas e no padrão radial de organização dos neurônios imunorreativos. Esse dado sugere que haja um atraso no refinamento sináptico, que se reflete em desorganização das camadas do tecto e alteração morfológicas nos neurônios.

O presente trabalho descreve o desenvolvimento de geradores de estímulos visuais para serem utilizados em experimentos de neurociência com invertebrados, tais como moscas. O experimento consiste na visualização de uma imagem fixa que é movida horizontalmente de acordo com os dados de estímulo recebidos. O sistema é capaz de exibir 640x480 pixels com 256 níveis intensidade a 200 frames por segundo em monitores de varredura convencional. É baseado em hardware reconfigurável (FPGA), incluindo a lógica para gerar as temporizações do vídeo, dos sinais de sincronismo, assim como da memória de vídeo. Uma lógica de controle especial foi incluída para atualizar o deslocamento horizontal da imagem, de acordo com os estímulos desejados, a uma taxa de 200 quadros por segundo. Em um dos geradores desenvolvidos, a fim de duplicar a resolução de posicionamento horizontal, passos artificiais entre-pixels foram implementados usando dois frame buffers de vídeo, contendo respectivamente os pixels ímpares e pares da imagem original a ser exibida. Esta implementação gerou um efeito visual capaz de dobrar a capacidade de posicionamento horizontal deste gerador. / This thesis describes the development of many visual stimulus generators to be used in neuroscience experiments with invertebrates such as flies. The experiment consists in the visualization of a fixed image which is moved horizontally according to the received stimulus data. The system is capable to display 640x480 pixels with 256 intensity levels at 200 frames per second on conventional raster monitors. It´s based on reconfigurable hardware (FPGA), includes the logic to generate video timings and synchronization signals as well as the video memory. Special control logic was included to update the horizontal image offsets according to the desired stimulus data at 200 fps. In one of the developed generators, with the intent to double the horizontal positioning resolution, artificial interpixel steps are implemented using two video frame buffer containing respectively the odd and the even pixels of the original image to be displayed. This implementation generates a visual effect capable to double the horizontal positioning capabilities of the generator.

Desenvolvemos um protocolo experimental para estudar a codificação do movimento horizontal pelo neurônio H1 de moscas varejeiras Chrysomya megacephala durante o voo. Tradicionalmente, o neurônio H1 é considerado puramente sensorial, e a maioria dos trabalhos tem utilizado o trem de potenciais de ação deste neurônio para explorar o código neural visual da mosca enquanto esta se encontra imobilizada (cabeça, asas, patas) e observa passivamente uma imagem que se move de maneira controlada. Nosso laboratório já dispunha de um aparato para registrar de maneira adequada a atividade do H1, enquanto a mosca imobilizada observava um padrão de barras verticais se movendo de acordo com uma sequência de velocidades previamente escolhidas pelo experimentador. Por meio de um novo suporte, especialmente desenvolvido neste trabalho, pudemos obter as medidas eletrofisiológicas quando apenas parte do corpo do inseto se encontra fixo. Além disso, conseguimos encontrar uma maneira de estimular a mosca para que esta apresentasse períodos de atividade, com batimentos de asa, similares ao voo. Utilizamos estes períodos de atividade de voo para registrar a atividade dos músculos que controlam a direção do voo. Também utilizamos microfones que captam pequenas diferenças de pressão do batimento das asas para inferir quando a mosca quer mudar a direção do voo e validamos estas medidas com o auxílio de um pequeno acelerômetro adaptado à haste de fixação da mosca. Mostramos que a taxa média de disparo do H1 é mais alta quando a mosca está voando do que quando está com as asas paradas. Além disso, a resposta ao estímulo visual é mais rápida e mais intensa quando a mosca está voando. Estes resultados são evidências de que a codificação da informação visual é diferente nos dois casos. Nossos experimentos com registro da atividade de controle motor do voo através de microfones permitiram encontrar padrões que podem ser usados para inferir a tentativa do inseto de mudar a direção do voo, em um intervalo de poucas batidas de asas e de maneira não invasiva. Esta informação poderá ser utilizada no futuro para produzir um equipamento em que a própria mosca controle o movimento da imagem em tempo real. / We developed a protocol do address the movement information coding in flying Chrysomya Megacephala by the horizontal sensitive H1neuron. H1 is traditionally considered a purely sensory neuron and his sequence of action potentials is used to explore the visual neural code while an immobilized fly passively watch a movie generated by the experimenter. We improved an apparatus to perform such experiments, that was already working in our laboratory, by developing a new holder for the fly and electrode that allowed to record from H1 while only part of the fly was fixed, keeping wings and legs free to move. Moreover we found a protocol to stimulate the fly to present long periods of wing beating activity, very similar to the insect flying. During these flying periods of activity, we also recorded from the steering muscles that control fly direction as well as from small microphones sensitive to subtle pressure variations of the beating wings when the fly try to change direction. These recordings were validated by using an accelerometer adapted to the fly fixation rod. According to our results, the firing rate of H1 increases during the flying periods. Moreover, the response to visual stimuli is faster and more intense during the flying than the response when the wings are not beating. These are evidences that the information coding is different in both cases. We could also find some patterns in the time series of the microphones recordings that allowed us to infer, in a small number of wing beatings, when the insect tries to turn and what is the turning direction. This information can be useful to perform new experiments in the future, were the fly controls in real-time the image movement.

O estudo do sistema visual de macacos-prego representa importante questão devido ao aspecto evolutivo que a espécie apresenta. Foram utilizados cinco macacos-prego, 2 kg. Foi efetuda injeção intra-ocular de 100 <font face=\"symbol\">ml de solução aquosa de toxina colérica subunidade B (CTb) a 1%, sendo a perfusão realizada 15 dias após a injeção intra-ocular. As retinas intactas e os encéfalos foram submetidos à procedimento de imunoistoquímica para análise. A caracterização da retina evidenciou dois tipos distintos de células bipolares, além disto, subunidades de receptores gabaérgicos co-localizam em retinas de macacos-prego, diferente dos resultados apresentados em outras espécies. As projeções retinianas foram observadas em todas as estruturas do sistema visual primário, óptico acéssório e de temporização circadiana, além de projeções para áreas adicionais. Os resultados evidenciam diferenças interespecíficas sugerindo que a extrapolação dos resultados adquiridos em diferentes espécies devam ser extrapolados com cautela. / The diurnal habits and its complex SNC, make the tufted capuchin monkey an important subject for the study of the visual system. In the present study, five tufted capuchins received a single intraocular neuronal tracer subunit B of cholera toxin (CTb) injection and perfused 15 days later. The retina and brain were removed from the animals and processed with immunohistochemical techniques. The CTb analysis showed that the retina send projections to several structures, such as primary visual, optical accessory and circadian control systems. The immunohistochemical characterization also showed two different types of bipolar cells in the retina. These cells, differently from other species, were co-localized with gabaergic receptors. Overall our results showed several interspecies differences suggesting that comparison of the visual system between species must be undertaken with great caution.

Patterned neuronal activity driven by the sensory environment plays a key role in the development of precise synaptic connectivity in the brain. It is well established that the action potentials (‘spikes’) generated by individual neurons are crucial to this developmental process. A neuron’s spiking activity is jointly determined by its synaptic inputs and its intrinsic excitability. It is therefore important to ask how a neuron develops these attributes, and whether the emergence of spiking might itself be governed by activity-dependent processes. In this thesis, I address these questions in the retinotectal system of Xenopus laevis. First, I investigate the extent to which visuospatial information is available to the developing retinotectal system. I show that the eyes of developing Xenopus larvae are hyperopic at the onset of vision, but rapidly grow towards correct vision. Despite its imperfect optics, the Xenopus eye is able to generate spatially restricted activity on the retina, which is evident in the spatial structure of the receptive fields (RFs) of tectal neurons. Using a novel method to map the visually driven spiking output and synaptic inputs of the same tectal neuron in vivo, I show that neuronal spiking activity closely follows the spatiotemporal profile of glutamatergic inputs. Next, I characterise a population of neurons in the developing optic tectum that does not fire action potentials, despite receiving visually evoked glutamatergic and γ-aminobutyric acid (GABA)ergic synaptic inputs. A comparison of visually spiking and visually non-spiking neurons reveals that the principal reason these neurons are ‘silent’ is that they lack sufficient glutamatergic synaptic excitation. In the final section of the thesis, I investigate whether visually driven activity can play a role in the ‘unsilencing’ of these silent neurons. I show that non-spiking tectal neurons can be rapidly converted into spiking neurons through a visual conditioning protocol. This conversion is associated with a selective increase in glutamatergic input and implicates a novel, spike-independent form of synaptic potentiation. I provide evidence that this novel plasticity process is mediated by GABAergic inputs that are depolarising during early development, and can act in synergy with N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs) to strengthen immature glutamatergic synapses. Consistent with this, preventing the depolarising effects of GABA or blocking NMDARs abolished the activity-dependent unsilencing of tectal neurons. These results therefore support a model in which GABAergic and glutamatergic transmitter systems function synergistically to enable a neuron to recruit the synaptic excitation it needs to develop sensory-driven spiking activity. This represents a transition with important consequences for both the functional output and the activity-dependent development of a neuron.