Programa de Pós-Graduação em Neurociências

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Caracterização de células de lugar no hipocampo e de suas relações com oscilações do potencial de campo local
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2015-03-13) Souza, Bryan da Costa; Tort, Adriano Bretanha Lopes; ; http://lattes.cnpq.br/3181888189086405; ; http://lattes.cnpq.br/9813919729127181; Laplagne, Diego Andrés; ; http://lattes.cnpq.br/0293416967746987; Amaral, Olavo Bohrer; ; http://lattes.cnpq.br/4987439782337345
As principais vias aferentes ao hipocampo vêm do córtex entorrinal e fazem parte de um loop que retorna ao entorrinal após passar pelo giro denteado, e pelas subareas do hipocampo CA3 e CA1. Desde a descoberta nos anos 50 de que o hipocampo está envolvido na formação de memórias, esta região vem sendo extensivamente estudada. Além desta função mnemônica, o hipocampo também está associado a navegação espacial. Em camundongos e ratos, células de lugar exibem um aumento da taxa de disparo relacionado à posição do animal. O local do ambiente onde uma determinada célula de lugar se ativa é chamado de campo de lugar. A taxa de disparo das células de lugar é máxima quando o animal está no centro do campo de lugar, e diminui a medida que ele se afasta desse ponto, sugerindo a existência de uma codificação espacial baseada em taxa de disparos. Entretanto, pesquisas prévias vêm mostrando a existência de oscilações hipocampais em múltiplas frequências e ligadas a diferentes estados comportamentais, e muitos acreditam que estas oscilações são importantes para uma codificação temporal. Em particular, oscilações teta (5-12 Hz) possuem uma relação espaço-temporal com as células de lugar conhecida como precessão de fase. Na precessão, a fase de disparos da célula de lugar muda gradualmente do pico de teta para o fundo e, posteriormente, para a fase ascendente, a medida que o animal atravessa o campo de lugar. Além disso, as teorias vigentes sugerem que CA1, a porta de saída do hipocampo, intermediaria a comunicação com o córtex entorrinal e CA3 através de oscilações em diferentes frequências chamadas, respectivamente, de gama alto (60-100 Hz; HG) e gama baixo (30-60 Hz; LG). Essas oscilações se relacionam com teta, estando aninhadas dentro de cada ciclo desta frequência mais lenta. Nesta dissertação, utilizamos dados disponibilizados online para fazer análises computacionais visando reproduzir resultados clássicos e recentes acerca da atividade das células de lugar no hipocampo de ratos em livre movimento. Em particular, nós revisitamos o debate sobre a relação da precessão de fase com variações na taxa de disparos e na posição do animal no campo de lugar. Concluímos que este fenômeno não pode ser explicado por nenhuma dessas variáveis sozinha, e sim pela interação entre elas. Nós também realizamos novas análises investigando as propriedades das células de lugar em relação às oscilações. Nós mostramos que o nível de modulação dos disparos por teta afeta apenas levemente a informação espacial contida nas células de lugar, enquanto a fase de disparo média não tem nenhuma influência na informação espacial. Também encontramos que as células de lugar estão moduladas por teta quando disparam fora do campo de lugar. Além disso, nossos resultados mostram que o disparo das células de lugar dentro do ciclo de teta segue os padrões de modulação de HG e LG por teta presentes nos potenciais de campo local de CA1 e córtex entorrinal. Por último, achamos um acoplamento fase-amplitude em CA1 associado apenas aos disparos dentro do campo de lugar na faixa de 40-80 Hz. Concluímos que o disparo de células de lugar está ligado a estados de rede refletidos no potencial de campo local e sugerimos que a atividade dessas células sejam interpretadas como um estado dinâmico ao invés de uma propriedade fixa da célula.
Caracterização dos acoplamentos fase-amplitude na região CA1 do hopocampo
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2011-12-02) Teixeira, Robson Scheffer; Tort, Adriano Bretanha Lopes; Ribeiro, Sidarta Tollendal Gomes; ; http://lattes.cnpq.br/0649912135067700; ; http://lattes.cnpq.br/3181888189086405; ; http://lattes.cnpq.br/8027366357732043; Araújo, Dráulio Barros de; ; http://lattes.cnpq.br/7818012155694188; Amaral, Olavo Bohrer; ; http://lattes.cnpq.br/4987439782337345
As oscilações cerebrais não são completamente independentes, mas capazes de interagir umas com as outras através de acoplamentos entre frequências (cross-frequency coupling, doravante CFC) em pelo menos quatro diferentes modalidades: amplitudeamplitude, fase-fase (coerência), fase-frequência e fase-amplitude. Evidências recentes sugerem que não somente os ritmos per se, mas também as interações entre eles estão envolvidas na execução de tarefas cognitivas, principalmente aquelas que requerem atenção seletiva, transmissão de informações e consolidação de memórias. Estudos recentes propõem que oscilações gama alto (60 150 Hz) transferem informações espaciais do córtex entorrinal medial para a região CA1 do hipocampo através do acoplamento com a fase de teta (4 12 Hz). Apesar destas descobertas, entretanto, pouco se sabe sobre as características gerais dos CFCs em diversas regiões cerebrais. Neste trabalho, registramos potenciais de campo local usando matrizes de multieletrodos implantadas no hipocampo dorsal para registro neural crônico. O acoplamento fase-amplitude foi avaliado por meio da análise de comodulogramas, uma ferramenta de CFC desenvolvida recentemente (Tort et al. 2008, Tort et al. 2010). Todas as análises de dados foram realizadas em MATLAB (MathWorks Inc). Descrevemos duas oscilações funcionalmente distintas dentro da faixa de frequência de gama, ambas acopladas ao ritmo teta durante exploração ativa e sono REM: uma oscilação com um pico de atividade em ~80 Hz e uma mais rápida centrada em ~140 Hz. As duas oscilações são diferencialmente moduladas pela fase de teta conforme a camada de CA1; o acoplamento teta-80 Hz é mais forte no stratum lacunosum-moleculare, enquanto que o acoplamento teta-140 Hz é mais forte no stratum oriens-alveus. Este perfil laminar sugere que a oscilação de 80 Hz origina-se das entradas do córtex entorrinal para as camadas profundas de CA1, e que a oscilação de 140 Hz reflete a atividade de CA1 em camadas superficiais. Ademais, nós mostramos que a oscilação de 140 Hz difere-se das oscilações ripples associadas com sharp-waves em diversos aspectos chave. Nossos resultados demonstram a existência de novas oscilações de alta frequência associadas à teta e sugerem uma redefinição das oscilações gama alto
Desvendando oscilações hipocampais através de comodulações
(2016-04-07) Teixeira, Robson Scheffer; Tort, Adriano Bretanha Lopes; Ribeiro, Sidarta Tollendal Gomes; ; http://lattes.cnpq.br/0649912135067700; ; http://lattes.cnpq.br/3181888189086405; ; http://lattes.cnpq.br/8027366357732043; Laplagne, Diego Andres; ; http://lattes.cnpq.br/0293416967746987; Maciel, Sergio Tulio Neuenschwander; ; Amaral, Olavo Bohrer; ; http://lattes.cnpq.br/4987439782337345; Durand, Pablo José Fuentealba;
Análises espectrais de registros eletrofisiológicos extracelulares têm revelado que a atividade elétrica produzida pelo cérebro é comumente organizada em padrões rítmicos, conhecidos como oscilações neuronais. Mais recentemente, descobriu-se que as oscilações neuronais de frequências distintas não são independentes, mas podem interagir entre si. Ao longo das últimas duas décadas, diversas ferramentas de análises foram desenvolvidas, amadurecidas e incorporadas de outras áreas para se estudar os chamados acoplamentos entre frequências de oscilações neuronais observadas nestes registros. Oscilações neuronais são ditas acopladas se houver uma relação de dependência entre suas características, como fase, amplitude ou frequência instantâneas. Dentre elas, o acoplamento fase-amplitude é caracterizado por um aumento da amplitude instantânea de uma banda de frequência condicionado a uma fase instantânea de uma oscilação de outra banda, enquanto que o acoplamento fase-fase do tipo n:m é caracterizado pela relação fixa entre m ciclos de uma frequência em nciclos de outra. O hipocampo é uma região cerebral envolvida na formação de memórias e navegação espacial. Assim como em outras estruturas, as redes neuronais do hipocampo produzem diversos padrões oscilatórios, que variam de acordo com os estados do ciclo sono-vigília. Entre estes padrões, classicamente destacam-se os ritmos teta (4-12 Hz) e gama (30-100 Hz), que caracterizam estados comportamentais de locomoção e sono REM. No entanto, o estudo dos padrões de acoplamento oscilatório no hipocampo tem revelado subtipos oscilatórios distintos dentro da definição tradicional da banda gama. Mais ainda, trabalhos recentes têm mostrado a existência de oscilações acopladas ao ritmo teta em frequências mais altas (>100 Hz), embora haja uma divergência na literatura atual sobre até aonde estas oscilações de altas frequências representariam atividade oscilatória genuína de redes neuronais ou se seriam derivadas de efeitos espúrios oriundos de contaminações por resquícios de potencias de ação registrados extracelularmente. A presente tese de doutorado visa contribuir para o maior entendimento dos padrões oscilatórios produzidos por redes neuronais do hipocampo, com particular foco nas relações de acoplamento entre oscilações de diferentes frequências. Através de dados próprios e compartilhados de terceiros de animais implantados cronicamente com matrizes de múltiplos eletrodos, obtivemos registros da atividade elétrica da região CA1 de ratos durante a exploração de ambientes familiares e períodos de sono. Investigamos a existência conjunta de distintos padrões oscilatórios do hipocampo em diferentes frequências através de marcadores eletrofisiológicos, anatômicos e comportamentais de cada oscilação neuronal que, quando combinados, levaram a um perfil único para cada banda de frequência. Nossos resultados mostram a existência de múltiplas bandas de frequência moduladas pelo ritmo teta hipocampal. As modulações são dotadas de diversos mecanismos separatórios, provavelmente de forma a minimizar interferências. Demonstramos ainda que padrões oscilatórios espúrios e genuínos podem co-existir numa mesma faixa de frequência, e que, ao contrário de trabalhos recentes, não há evidência para acoplamentos do tipo fase-fase n:m no hipocampo. A capacidade de uma oscilação neural interagir com outras oscilações, aparentemente independentes, levanta questionamentos naturais sobre sua significância biológica, que, apesar de diversos avanços na área, ainda permanece um mistério na sua essência.
Dos efeitos ansiolíticos da 5-MeO-DMT no cérebro e comportamento do camundongo
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2022-03-31) Lima, Margareth de Brito Nogueira; Leão, Richardson Naves; Leão, Emelie Katarina Svahn; https://orcid.org/0000-0001-7295-1233; http://lattes.cnpq.br/1279823352935722; http://lattes.cnpq.br/0683942077872227; http://lattes.cnpq.br/7749123102268411; Santos, Rafael Guimarães dos; Laplagne, Diego Andres; Gavioli, Elaine Cristina; http://lattes.cnpq.br/1759328747578795; Amaral, Olavo Bohrer
Ansiedade é uma desordem de circuitos, ou seja, uma circuitopatia mundialmente prevalente que afeta substancialmente a qualidade de vida das pessoas. Para tratá-la adequadamente, é necessário que sejam revertidos os processos que levam ao maufuncionamento dos circuitos neuronais. Ainda não há um tratamento completamente eficaz para tratar tal transtorno. Inúmeras pesquisas vêm apresentando resultados promissores e seguros com psicodélicos serotonérgicos, evidenciando um potencial terapêutico desses compostos. No entanto, os seus mecanismos de ação ainda não foram completamente elucidados. Muitos estudos clínicos têm conseguido mitigar duradouramente os sintomas da depressão e da ansiedade com apenas uma dose, o que faz desses compostos alternativas bastante interessantes aos tratamentos clássicos disponíveis na psiquiatria. Esses efeitos duradouros podem ser explicados por uma possível indução à neuroplasticidade, à neuroproteção e a uma modulação de agentes ligados à inflamação. Alguns estudos comprovaram um aumento na neuritogênese, sinaptogênese e neurogênese proveniente do tratamento com esses compostos. Neste estudo, procuramos identificar como o psicodélico serotonérgico 5- metoxi-N,Ndimetiltriptamina (5-MeO-DMT) afeta prolongadamente a atividade neuronal e a expressão de genes relacionados à plasticidade (BDNF, CREB, ARC, ZIF268, mTORC1, NF-kB e TRIP8b) em estruturas cerebrais classicamente relacionadas à ansiedade, como a amígdala basolateral, a região CA1 do hipocampo ventral e o córtex cingulado anterior, localizado no córtex medial pré-frontal de camundongos adultos uma hora, cinco horas e cinco dias após o tratamento. Após avaliarmos as propriedades eletrofisiológicas de camundongos 5 dias depois do tratamento com 5-MeO-DMT, verificamos diferenças nas propriedades passivas da membrana, além de alterações na amplitude e frequência dos disparos neuronais na região do giro denteado hipocampal. A avaliação da expressão gênica uma hora após o tratamento revelou um aumento na expressão dos genes iniciais imediatos ARC e ZIF268 no córtex cingulado anterior e na amígdala basolateral. Outra avaliação feita 5 horas após o tratamento mostrou uma diminuição do gene NR2A em CA1 ventral. Verificamos também um aumento significativo do gene TRIP8b em CA1 ventral 5 dias após o tratamento. Investigamos se o 5-MeO-DMT produz mudanças no comportamento de camundongos após 24 horas e 5 dias de tratamento, com e sem condições de estresse. Também avaliamos os níveis séricos basais de corticosterona em camundongos e após estresse de contenção aguda. Verificamos que camundongos tratados com 5-MeO-DMT apresentaram níveis significativamente menores de corticosterona basal após 5 dias, além de apresentar um comportamento menos ansioso. Estes achados moleculares, celulares e comportamentais sugerem que a 5-MeO-DMT produz efeitos imediatos e duradouros em camundongos, embora sejam necessários mais estudos para considerar a sua possibilidade terapêutica e também para desvendar quais vias de sinalização são subjacentes ao papel da 5-MeO-DMT na plasticidade sináptica.
Indicadores de cálcio e de voltagem codificados geneticamente na detecção de potenciais de ação e inputs sinápticos em cultura de neurônios hipocampais
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2013-03-04) Vieira, Hermany Munguba; Leão, Richardson Naves; ; http://lattes.cnpq.br/0683942077872227; ; http://lattes.cnpq.br/6762407295457000; Leão, Emelie Katarina Svahn; ; http://lattes.cnpq.br/1279823352935722; Amaral, Olavo Bohrer; ; http://lattes.cnpq.br/4987439782337345
Neurônios se comunicam por meio de sinapses, trocando mensagens capazes de modificar o potencial de membrana de outros neurônios. Demonstrar o papel desses sinais e decodificar essa linguagem elétrica representa o grande objetivo da neurociência moderna. Atualmente, a eletrofisiologia é o ramo da neurociência capaz de investigar esses recursos elétricos de neurônios - que vão desde registros de condutância e comportamento cinético de canais iônicos individuais até a demonstração de neurônios individuais implicados em comportamentos complexos. Nesse sentido, diferentes estados cerebrais e comportamentos implicam o recrutamento de grandes conjuntos de neurônios se comunicando em um estado coerente, dinâmico. Além disso, essas grandes populações são formadas por diversos subtipos neuronais cuja análise requer ténicas que possibilitem uma resolução temporal e espacial de células individuais e, prefencialmente, de subtipos específicos. Apenas recentemente, indicadores ópticos geneticamente codificados surgiram como ferramentas não invasivas de alta resolução espacial e temporal utilizados para monitorar a atividade de neurônios individuais e populações neuronais específicas. O número crescente de novos indicadores optogenéticos, juntamente com a ausência de comparações em condições idênticas, gerou dificuldade em escolher a mais adequada das proteínas, dependendo do desenho experimental. Portanto, o objetivo deste estudo foi comparar três proteínas repórter recentemente desenvolvidas: os indicadores de cálcio GCaMP3 e R-GECO1, e o indicador de voltagem VSFP butterfly1.2. Foram expressos em neurônios do hipocampo em cultura, os quais foram submetidos a registros de patch-clamp e de imageamento óptico. Os três grupos (cada um expressando uma proteína) exibiram valores semelhantes de potencial de membrana (em mV, GCaMP3: -56 ± 8,0; R-GECO1: -57 ± 2,5; VSFP: -60 ± 3,9; p = 0,86), no entanto, o grupo de neurônios que expressam VSFP mostrou uma média mais baixa de resistência de entrada do que os outros grupos (em Mohms, GCaMP3: 161 ± 18,3; GECO1-R: 128 ± 15,3; VSFP: 94 ± 14,0; p = 0,02). Cada neurônio foi submetido a injeções de correntes com frequências diferentes (10 Hz, 5 Hz, 3 Hz, 1,5 Hz, e 0,7 Hz) e as suas respostas de fluorescência foram registradas. Em nosso estudo, apenas 26,7% (4/15) dos neurônios que expressam VSFP mostraram sinal de fluorescência detectável em resposta a potenciais de ação. O valor médio de sinal-para-ruído (SNR), obtido em resposta a cinco potenciais de aҫão (a 10 Hz) foi pequeno (1,3 ± 0,21), no entanto a cinética rápida do VSFP permite a discriminação de disparos, como picos individuais, com detecção de 53% dos APs evocados. Freqüências abaixo de 5 Hz, assim como variaҫões no potencial de membrana subliminares, foram indetectáveis devido ao alto ruído do sinal de fluorescência. Por outro lado, os indicadores de cálcio mostraram maior alteração na fluorescência, seguindo o mesmo protocolo (cinco potenciais de aҫão a 10 Hz). Entre os neurônios expressando GCaMP3, 80% (8/10) exibiram sinal, com um valor médio de SNR de 21 ± 6,69 (soma), enquanto que para os neurônios expressando R-GECO1, 50% (2/4) dos neurônios demonstraram sinal com um valor médio SNR de 52 ± 19,7 (soma). Para protocolos de 10 Hz, 54% dos disparos foram detectados com evocado GCaMP3 e 85% com o R-GECO1. Disparos foram detectados em todas as frequências e os sinais de fluorescência foram também detectados a partir de despolarizações subliminares. Sendo GCaMP3 o indicador mais provável de produzir sinal de fluorescência e com alto SNR, alguns experimentos foram realizados somente com essa proteína. Observamos que GCaMP3 é eficaz na detecção de inputs sinápticas (envolvendo influxo de Ca2+), com alta resolução espacial e temporal. Também foram observadas diferenças entre os valores de SNR resultantes dos disparos evocados, em comparação com os disparos espontâneos. Em registros de grupos de células, GCaMP3 mostrou clara discriminação entre células ativadas e silêncio, revelando-se como uma ferramenta potencial em estudos de sincronização neuronal. Assim, nossos resultados sugerem que os indicadores de cálcio disponíveis atualmente permitem estudos detalhados sobre a comunicação neuronal, que vão desde dendritos individuais até a investigação de eventos de sincronia em redes neuronais geneticamente definidas. Em contraste, VSFPs representam uma tecnologia promissora para monitorar a atividade neural e, apesar de ainda requererem melhoramentos, podem se tornar mais apropriados do que os indicadores de cálcio, uma vez que os neurônios trabalham em uma escala de tempo mais rápida do que eventos de cálcio podem prever
On the use of transgenic mice and optogenetics to characterize genetically defined subpopulations of neurons
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2015-03-20) Johann, Stéfano Pupe; Leão, Richardson Naves; Tort, Adriano Bretanha Lopes; ; http://lattes.cnpq.br/3181888189086405; Wallén-Mackenzie, Åsa; ; ; http://lattes.cnpq.br/0683942077872227; ; http://lattes.cnpq.br/3022098794866196; Laplagne, Diego Andres; ; http://lattes.cnpq.br/0293416967746987; Cammarota, Martin Pablo; ; http://lattes.cnpq.br/4888317387600937; Amaral, Olavo Bohrer; ; http://lattes.cnpq.br/4987439782337345; Cota, Vinicius Rosa; ; http://lattes.cnpq.br/6882402886706744
Os neurocientistas tem uma diversidade de perspectivas com as quais podem classificar diferentes partes do cérebro. Com o surgimento de técnicas baseadas na genética, como a optogenética, se torna cada vez mais importante identificar se um grupo de células, definidas através de morfologia, função ou posição anatômica possui um padrão característico de expressão de um ou mais promotores genéticos. Isso permitiria melhores formas de estudar essas populações de neurônios definidas geneticamente. Neste trabalho, eu apresento uma discussão teórica e três estudos experimentais nos quais essa foi a principal questão sendo abordada. O Estudo I discute as questões envolvidas em selecionar um promotor para estudar estruturas e subpopulações na Área Tegmental Ventral. O Estudo II caracteriza uma subpopulação de células na Área Tegmental Ventral que compartilha a expressão de um promotor, que é anatomicamente muito restrita, e que induz aversão quando estimulada. O Estudo II utiliza uma estratégia similar para investigar a subpopulação no núcleo subtalâmico que expressa PITX2 e VGLUT2 que, quando inativada, causa hiperlocomoção. O Estudo IV explora o fato de que um grupo de células previamente identificadas no Hipocampo Ventral expressa CHRNA2, e indica que essa subpopulação pode ser necessária e suficiente para o estabelecimento do ritmo teta (2-8 Hz) no Hipocampo Ventral de camundongos anestesiados. Todos esses estudos foram guiados pela mesma estratégia de identificar um promotor genético capaz de permitir o controle de uma população de neurônios identificada geneticamente, e eles demonstram as diferentes formas em que essa abordagem pode generar novas descobertas.
Reconsolidação e extinção de memórias: uma abordagem computacional
(2018-08-20) Santiago, Rodrigo Marques de Melo; Tort, Adriano Bretanha Lopes; ; ; Rossato, Janine Inez; ; Amaral, Olavo Bohrer;
A reconsolidação e a extinção de memórias aversivas e suas condições limitantes têm sido estudadas exaustivamente a fim de se traçar melhores estratégias para o tratamento de desordens relacionadas ao medo e à ansiedade. Em 2011, Osan et al. desenvolveram um modelo computacional para a exploração de tais fenômenos baseado na dinâmica de atratores, na plasticidade hebbiana e na degradação sináptica induzida por erro de predição. Este modelo foi capaz de explicar em um formalismo único diversos achados experimentais relativos ao comportamento de congelamento (freezing) de roedores sujeitos a paradigmas de consolidação, reconsolidação e extinção de memórias de medo ao contexto. Em 2017, Radiske et al., a partir de experimentos em ratos submetidos a tarefa de esquiva inibitória, descobriram que o conhecimento prévio do atual contexto aversivo como nãoaversivo é uma condição limitante para a reconsolidação da memória do choque experienciado no contexto. No presente trabalho, visamos investigar se o formalismo introduzido por Osan et al. (2011) é suficientemente geral para explicar os resultados comportamentais descritos por Radiske et al. (2017). Para tanto, primeiro implementamos o modelo de Osan et al. (2011) em uma linguagem de programação aberta (Python) e o validamos através da replicação dos principais resultados reportados na publicação original referentes ao condicionamento de medo ao contexto. Em seguida, adaptamos o modelo para simular protocolos experimentais na tarefa de esquiva inibitória empregados por Radiske et al. (2017). Os resultados mostram que a condição limitante encontrada por Radiske et al. (2017) é compatível com a dinâmica de uma rede de atratores que suporta um sistema de labilização sináptica comum à reconsolidação e extinção. Por fim, através da varredura de parâmetros do modelo – como os níveis de síntese e degradação proteica –, fornecemos previsões comportamentais na tarefa de esquiva inibitória passíveis de serem testadas experimentalmente.

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Navegando Programa de Pós-Graduação em Neurociências por Autor "Amaral, Olavo Bohrer"