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Aspectos comportamentais e eletrofisiológicos da percepção de alturas sonoras: um estudo sobre o ouvido absoluto
(2017-02-23) Leite, Raphael Bender Chagas; Queiroz, Cláudio Marcos Teixeira de; ; http://lattes.cnpq.br/3384801391828521; ; http://lattes.cnpq.br/9016449164468044; Araújo, Eliene Silva; ; http://lattes.cnpq.br/5637269791915082; Leão, Emelie Katarina Svahn; ; http://lattes.cnpq.br/1279823352935722; Vanzella, Patrícia Maria; ; http://lattes.cnpq.br/7520218449664877; Figuerola, Wilfredo Blanco; ; http://lattes.cnpq.br/9912829629195282
Nos seres humanos, o processamento da informação sonora possibilitou o aparecimento da linguagem oral e da música. A altura sonora (do inglês, pitch), que permite a construção da melodia de uma música e da prosódia no discurso falado, é um desses atributos. A percepção da altura é uma habilidade universal, contudo alguns indivíduos se destacam por serem capazes de identificar ou produzir um tom em uma altura particular sem o uso de uma referência externa. Essa habilidade é popularmente conhecida por “Ouvido Absoluto” (em inglês, absolute pitch ou perfect pitch). No entanto, os mecanismos neurais responsáveis por tal habilidade ainda não são totalmente conhecidos. O presente trabalho tem o objetivo de contribuir para o entendimento dos processos neurais envolvidos na percepção de alturas em indivíduos com a habilidade de Ouvido Absoluto (OA). No nosso primeiro estudo, avaliamos a prevalência do OA em uma população local de músicos (Escola de Música, UFRN). Para isso, utilizamos de ferramentas psicofísicas e um questionário. Nesse trabalho inicial, observamos que a habilidade do OA não se apresenta como um processo do tipo "tudo-ounada", mas sim com diferentes níveis de desempenho: desde as pessoas que acertam abaixo do acaso, aumentando gradativamente a performance até chegar aos 100%. Enquanto limiares tradicionais (~85%) mostraram uma prevalência de OA similar àquela observada em músicos da Europa e Estados Unidos, a aplicação de um limiar estatístico resultou na detecção de um número maior de indivíduos com algum grau de OA. Além disso, mostramos que indivíduos com OA tem maior preferência de acerto para as chamadas notas naturais (aquelas relacionadas às teclas brancas no piano) em comparação com as notas de teclas pretas (que são as notas sustenidas ou bemóis). Encontramos também que indivíduos com OA apresentam início mais precoce do treinamento musical. Finalmente, mostramos que quanto maior a proficiência musical, maior a prevalência dessa habilidade. Num segundo estudo, utilizamos potenciais evocados auditivos do tronco encefálico (PEATE) para quantificar a ativação de núcleos do tronco encefálico no processamento de alturas de indivíduos com OA. Nesse trabalho, mostramos a presença de respostas sustentadas (mas não transientes) com maior energia em indivíduos com OA do que em músicos sem essa habilidade. Observamos também que a amplitude dessa resposta sustentada correlaciona-se com o tempo de reação em um teste de nomeação de alturas. Esses resultados sugerem que indivíduos com OA possuem maior refinamento no processamento da informação acústica nos primeiros estágios do processamento auditivo, contribuindo assim para uma maior automatização da identificação de alturas. Acreditamos que esses resultados, como um todo, poderão facilitar entendimento das relações entre o desenvolvimento do sistema nervoso e o aprendizado musical, contribuindo assim para a elaboração de novas técnicas de ensino de música e programas de treinamento.
BIO-DIA: ferramenta web para integração de dados e algoritmos
(2019-12-19) Soares, Thiago Dantas; Figuerola, Wilfredo Blanco; Souza, Sandro José de; ; ; ; Signoretti, Alberto; ; Dalmolin, Rodrigo Juliani Siqueira;
A ciência de dados é historicamente um campo complexo, não apenas pela enorme quantidade de dados e sua variedade de formatos, mas também pela necessidade de colaboração entre vários especialistas para recuperar informações valiosas. Nesse contexto, criamos o Bio-DIA, um software on-line para criar um processo de fluxo de trabalho de ciência de dados focado na integração de dados e algoritmos. O Bio-DIA também facilita a reutilização de informações/resultados obtidos em processos anteriores sem a necessidade de habilidades específicas do campo da ciência da computação. O software foi criado com o Angular no front-end, o Django no back-end e o Spark para manipular e processar uma variedade de formatos de big data. O fluxo de trabalho/projeto é especificado através do arquivo XML. O aplicativo Bio-DIA facilita a colaboração entre os usuários, permitindo que grupos de pesquisadores compartilhem dados, scripts e informações.
Characterization of the functional interhemispheric connectivity using EEG and a bistable visual illusion of movement
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2023-06-19) Santos, Lucas Galdino Bandeira dos; Schmidt, Kerstin Erika; http://lattes.cnpq.br/4902752912395893; https://orcid.org/0000-0002-8329-5152; http://lattes.cnpq.br/3295064168817846; Araújo, John Fontenele; Queiroz, Cláudio Marcos Teixeira de; http://lattes.cnpq.br/3384801391828521; Lima, Bruss Rebouças Coelho; Figuerola, Wilfredo Blanco
As ilusões visuais envolvem a dissociação das propriedades físicas dos estímulos visuais, levando a percepções alteradas ou biestáveis. O movimento alternativo estroboscópico (ou Motion Quartet (MQT), em inglês) é um paradigma amplamente estudado no campo das ilusões, gerando um movimento aparente na direção vertical ou horizontal. No entanto, pouco se sabe sobre como o agrupamento perceptual dos elementos do estímulo (seja em relação ou paralelo à linha média vertical) depende de características de baixo nível, como contornos orientados associados a esses elementos e a região exata do campo visual em que é apresentado. Portanto, neste estudo, apresentamos variações do estímulo MQT em diferentes posições do campo visual, substituindo os elementos por patches de Gabor em grade. Registramos a eletroencefalografia (EEG) multi-canal (64) de indivíduos saudáveis que indicaram a direção do movimento por meio de pressionar um botão. Com o objetivo de investigar a conectividade inter e intra-hemisférica do córtex visual durante os diferentes tipos de movimento ilusório, registramos as gravações com a direção de movimento percebida subjetivamente e utilizamos a teoria dos grafos de sistemas complexos. Trinta e dois voluntários participaram do estudo, passando por pré-avaliação, triagem e experimentos de EEG enquanto realizavam a tarefa MQT. Avaliamos as respostas comportamentais, incluindo o número de alternâncias e o tempo gasto percebendo movimentos aparentes verticais e horizontais, bem como a conectividade inter-hemisférica e a análise de redes utilizando métricas computacionais. Nossos resultados revelam que no campo visual central, os participantes gastaram significativamente mais tempo percebendo o movimento horizontal quando o estímulo MQT era apresentado horizontalmente, enquanto o padrão oposto foi observado na periferia. Os potenciais evocados visualmente registrados a partir de eletrodos parieto-occipitais não diferiram entre os movimentos percebidos horizontal e verticalmente, mas variações foram observadas em diferentes posições do campo visual. No entanto, a coerência inter-hemisférica e a densidade do espectro de potência apresentaram diferenças distintas com base no tempo gasto percebendo o estímulo MQT. Períodos curtos foram caracterizados por uma maior conectividade frontal, enquanto períodos longos percebendo o movimento horizontal mostraram maior coerência na região posterior. A densidade do espectro de potência não diferiu significativamente durante os períodos curtos. Além disso, independentemente das condições globais e locais, as métricas de rede, como o número de arestas, medidas de centralidade, coeficiente de agrupamento, comprimento do caminho característico, "small-worldness", assortatividade e eficiência, diferiram entre os movimentos aparentes horizontais e verticais, independentemente do tempo gasto percebendo-os. Este estudo fornece novas perspectivas sobre a interação entre ilusões visuais, conectividade neural e respostas comportamentais em indivíduos saudáveis.
Um circuito neural canônico com inibição feedback e feedforward
(2018-03-29) Teixeira, Daniel Garcia; Costa, César Renno; ; ; Dalmolin, Rodrigo Juliani Siqueira; ; Moioli, Renan Cipriano; ; Figuerola, Wilfredo Blanco;
A oscilação gama está presente em diversas áreas do cérebro, como no hipocampo, desempenhando um importante mecanismo para o funcionamento da memória. Encontramos diversos modelos capazes de explicar a geração das oscilações gama e explicam suas duas funcionalidades, agrupamento sincronizado temporalmente das sinapses dos neurônios e a de selecionar quais neurônios devem disparar em cada ciclo deste sincronismo. Funcionalidades estas que imprimem um caráter computacional do processamento neural a este sistema, como a separação de padrões e a formação de assembleias neurais. Porém, a análise destes modelos existentes demonstra ser muito sensível às variações das atividades cerebrais, sendo fortemente afetados por variações nas suas camadas de entrada, de modo a aparentar não possuir uma boa robustez, gerando muita variação de sua frequência de saída, assim como na competitividade entre estes neurônios. Entretanto, ao se considerar uma importante parte do circuito biológico não considerada em trabalhos anteriores, uma rede de inibição alimentada à frente nos possibilitou a criação de um novo modelo. Baseando-nos no modelo de neurônio de Izhikevich, geramos um novo modelo com uma maior estabilidade em sua saída às variações na camada de entrada, bem como um custo computacional reduzido e proximidade do modelo biológico. Em posse deste novo modelo, será possível criar redes neurais com maior capacidade de neurônios, com custo computacional reduzido, além da possibilidade de análise do comportamento individual em cada neurônio do modelo.
Descobrindo redes de associação envolvendo miRNAs e lincRNAs humanos através de uma análise de eQTL
(2018-07-19) Lins, Paulo Roberto Branco; Barrera, Júnior; Souza, Sandro José de; ; ; ; Figuerola, Wilfredo Blanco; ; Kurtz, Guilherme Suarez;
Variações no nível de expressão gênica estão entre as principais causas da diversidade fenotípica nos organismos, incluindo o desenvolvimento de patologias e a resposta aos fármacos em humanos. Os RNAs não codificantes (ncRNAs) desempenham um papel importante no complexo mecanismo das redes regulatórias. Embora ainda não completamente compreendidos, dois representantes dos ncRNAs despontam em pesquisas recentes como protagonistas no desenvolvimento de quadros clínicos. São eles os microRNAs (miRNAs) e os RNAs não codificantes intergênicos longos (lincRNAs). Assim, o presente trabalho integrou dados públicos para catalogar o vasto panorama dos efeitos regulatórios dos miRNAs e dos lincRNAs no genoma humano. Através de uma análise de expression Quantitative Trait Loci (eQTL) foram identificadas variações que tivessem efeito putativo na expressão gênica. Redes de associação também foram criadas relacionando os resultados da análise eQTL com tratos de relevância clínica e/ou farmacológica. Por meio dessa, foram reveladas associações que podem continuar despertando o interesse de novos estudos envolvendo o tema. Distúrbios mentais e coronários, além do câncer, foram os tratos com maior evidência nos resultados do estudo.
Dinâmica da Plasticidade Sináptica em neurônios do hipocampo durante ciclos de sono: um estudo computacional
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2012-03-26) Figuerola, Wilfredo Blanco; Dória Neto, Adrião Duarte; Ribeiro, Sidarta Tollendal Gomes; ; http://lattes.cnpq.br/0649912135067700; ; http://lattes.cnpq.br/1987295209521433; ; http://lattes.cnpq.br/9912829629195282; Guerreiro, Ana Maria Guimarães; ; http://lattes.cnpq.br/8556144121380013; Hernandez, Emilio Del Moral; ; http://lattes.cnpq.br/2614557064095059; Silva, Mauro Copelli Lopes da; ; http://lattes.cnpq.br/9400915429521069
Diversas linhas de pesquisa demonstram que o sono favorece a consolidação de memórias e o aprendizado. Tem sido proposto que o papel cognitivo do sono deriva de um redimensionamento global dos pesos sinápticos, capaz de restabelecer homeostaticamente a capacidade de aprender coisas novas, apagando memórias durante a noite. Tal fenômeno seria típico do sono de ondas lentas ( slow wave sleep , SWS) e caracterizado por mecanismos não-Hebbianos, isto é, independentes da atividade neuronal sincrônica. Outra abordagem postula que o sono desencadeia também um realce de conexões sinápticas específicas, levando a um entalhamento de certos traços mnemônicos no âmbito de uma matriz de pesos sinápticos redimensionados a cada noite. Tal entalhamento é entendido como a combinação de mecanismos Hebbianos e não-Hebbianos, capazes respectivamente de aumentar e diminuir os pesos sinápticos em circuitos complementares, levando à melhoria seletiva de memórias e a uma reestruturação da configuração sináptica ( synaptic configuration , SC) que pode ser crucial para a geração de novos comportamentos ( insights ). Os achados empíricos indicam que a indução de plasticidade Hebbiana durante o sono acontece na transição do SWS para o estágio de movimento rápido dos olhos ( rapid eye movement , REM), possivelmente devido às grandes diferenças entre os regimes das taxas de disparos entre os estados e à regulação positiva de fatores envolvidos na plasticidade sináptica de longo prazo. Neste estudo, as teorias da homeostase e do entalhamento foram comparadas usando uma rede neural artificial ( artificial neural network , ANN) alimentada com potenciais de ação registrados no hipocampo de ratos durante todo o ciclo sono-vigília. Na simulação em que a ANN não aplicou mecanismos de plasticidade de longo prazo durante o sono (transição SWS-REM), a distribuição pesos sinápticos foram inexoravelmente re-escalada para uma media proporcional à taxa de disparo das entradas, apagando eventualmente o padrão de pesos sinápticos inicialmente estabelecido. Em contraste, quando a plasticidade de longo prazo foi modelada durante a transição SWS-REM, o aumento dos pesos sinápticos foi observado em toda a gama de valores iniciais, efetivamente redistribuindo os pesos de modo a reforçar um subconjunto de sinapses ao longo do tempo. Os resultados sugerem que uma regulação positiva proveniente da plasticidade de longo prazo pode alterar completamente o papel do sono: sua ausência leva ao esquecimento, sua presença leva a uma mudança mnemônica positiva
Efeitos da nicotina no complexo do septo medial na via septo hipocampal em camundongos anestesiados por Ketamina
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2015-02-24) Góis, José Henrique Targino Dias; Leão, Richardson Naves; Tort, Adriano Bretanha Lopes; ; http://lattes.cnpq.br/3181888189086405; ; http://lattes.cnpq.br/0683942077872227; ; http://lattes.cnpq.br/8071490159397863; Nascimento, George Carlos do; ; http://lattes.cnpq.br/1489371044894987; Figuerola, Wilfredo Blanco; ; http://lattes.cnpq.br/9912829629195282
A administração de nicotina em seres humanos e roedores é pensada como um melhorador de memória e atenção, também pelo seu efeito positivo na Doença de Alzheimer. O complexo do Septo Medial / Banda Diagonal de Broca (MS/DBB) é um dos principais sistemas colinérgicos – massivamente projetado para o hipocampo através da Fímbria-Fórnix, via esta chamada de via septo-hipocampal. Foi demonstrado que o MS/DBB afeta diretamente o potencial de campo local (LFP) e a organização rítmica do hipocampo, especialmente na geração do ritmo teta - um LFP rítmico intrinsecamente relacionado com a função mnemônica do hipocampo. Experimentos in vitro deram evidências de que a nicotina aplicada no MS/DBB pode gerar um ritmo teta na rede local do MS/DBB. Assim, o presente estudo se propõe a elucidar a função da nicotina no MS/DBB sobre a via septo-hipocampal. Experimentos in vivo, comparando o efeito de microinfusões no MS/DBB de solução salina (n = 5) ou nicotina (n = 8) em camundongos anestesiados por ketamina/xilazina mostraram um aumento na densidade de potência no espectro banda de gama (35 a 55 Hz) em ambas as estruturas (teste de Wilcoxon Rank-Sum, p = 0,038), mas sem alterar a coerência entre as estruturas na mesma banda (teste de Wilcoxon Rank-Sum, p = 0,60). Houve também uma diminuição na densidade potência na banda delta (1-3 Hz) – oscilação induzida pela ketamina. Realizamos também experimentos in vitro sobre o efeito da nicotina na voltagem de membrana e no potencial de ação de neurônios do MS/DBB. Registramos neurônios (n=22) em current-clamp antes e depois da presença de nicotina no meio extracellular; 12 neurônios responderam à nicotina, metade aumentou a taxa de potenciais de ação; outros seis diminuíram, diferindo significativamente no limiar do potencial de ação (- 47,3 ± 0,9 mV vs. -41 ± 1,9 mV, respectivamente, p = 0,007) e na largura do disparo (1,6 ± 0,08 vs. 2 ms ± 0,12 ms, respectivamente, p = 0,01). Além disso, realizamos outro conjunto de experimentos in vitro, relativo à conectividade das três grandes populações neuronais de MS / DBB que usam a acetilcolina, GABA ou glutamato como neurotransmissores. O registro pareado de patch-clamp mostrou que neurônios glutamatérgicos e GABAérgicos realizam contatos intra-septais capazes de produzir correntes sinápticas em neurônios pós-sinápticos do MS/DBB. A probabilidade da conectividade entre diferentes populações neuronais foi implementada em um modelo realista que corrobora que a rede é altamente sensível à geração de ritmo gama. Juntamente com os dados disponíveis, o conjunto completo de experiências corrobora que a nicotina pode atuar como potenciador cognitivo, e um substrato eletrofisiológico provável é através da indução de oscilação gama no circuito local do MS/DBB.
Estratégias evolutivas aplicadas a redes de regulação gênicas artificiais
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2021-09-29) Moreira, André Luiz de Lucena; Costa, César Renno; Moioli, Renan Cipriano; 30911587802; http://lattes.cnpq.br/3898958813303048; http://lattes.cnpq.br/9222565820639401; http://lattes.cnpq.br/6656095826945524; Figuerola, Wilfredo Blanco; http://lattes.cnpq.br/9912829629195282; Pata, Diogo Santos
Redes de regulação gênica (GRNs) influenciam a resposta comportamental dos indivíduos quando submetidos a diferentes contextos, além de participarem de processos extremamente importantes para a vida, como diferenciação celular, metabolismo e evolução. Modelos computacionais de redes de regulação gênica, associados à inteligência artificial, possibilitam-nos criar soluções adaptáveis e independentes de contexto. Neste trabalho, simulamos a evolução de GRNs com o objetivo de avaliar como eventos de variação de ambiente e crescimento de rede impactam na capacidade de aprendizado do modelo. Para isso, criamos populações de indivíduos representados por redes de regulação gênicas artificiais (AGRNs), com características físicas e comportamentos baseados em bactérias. Submetemos então essas populações às tarefas: “Orientação a Objetivo”, “Fototaxia” e “Fototaxia com Obstáculos”, avaliando como os eventos de duplicação de gene único, duplicação de genoma completo e mudança de contexto afetam a evolução da população. Os resultados indicaram que um aumento gradual de complexidade das tarefas realizadas é benéfico para a evolução do modelo. Além disso, vimos que redes de regulação gênica maiores são necessárias para tarefas mais complexas, sendo a duplicação de gene único uma boa estratégia evolutiva para o crescimento dessas redes, ao contrário da duplicação de genoma completo. Estudar como GRNs evoluíram em meio biológico nos possibilita não só melhorar os modelos computacionais produzidos, como também prover insights sobre aspectos e eventos que influenciaram o desenvolvimento da vida na terra.
Evidências comportamentais de um estado análogo ao sono REM em polvos
(2019-08-26) Medeiros, Sylvia Lima de Souza; Ribeiro, Sidarta Tollendal Gomes; ; ; Araújo, John Fontenele; ; Figuerola, Wilfredo Blanco;
O sono é um comportamento que se apresenta em diversos táxons do reino animal, o que sugere que o mesmo surgiu primitivamente na cadeia evolutiva dos metazoários. Apesar de ser um comportamento bastante estudado em vertebrados, principalmente nos mamíferos e nas aves, sabe-se que alguns invertebrados também apresentam este estado de quiescência. O polvo é um dos invertebrados no qual este comportamento se mostrou de forma complexa, havendo registros eletrofisiológicos de que a atividade cerebral aumenta quando o animal se encontra no estado de repouso. Contudo, estes dados foram observados apenas em 4 animais, devido a desafios técnicos de realizar registros eletrofisiológicos no meio aquático que dificultam esse tipo de experimento. No entanto, o estudo do sono pode ser realizado utilizando os critérios comportamentais usados para identificar esse estado nos vertebrados. Assim, este trabalho teve como objetivo investigar, classificar e descrever em detalhes os estados de quiescência observados no Octopus insularis e Octopus cf. vulgaris através de quantificação comportamental abrangente usando gravações em vídeo. Além disso, para avaliar potenciais diferenças no limiar de excitação de cada estado, os O. insularis foram expostos a estímulos visuais e vibratórios durante cada estado identificado de sono-vigília. Os resultados mostraram que O. insularis e Octopus cf. vulgaris possuem variações comportamentais conspícuas durante quiescência. Algumas delas já foram citadas na literatura, como apresentar padrão corporal meio a meio (QHH), pupila dos olhos estreita ou completamente fechada (QCP). Outras não haviam sido descritas, como alteração do padrão corporal para cor escura (observado apenas no O. cf. vulgaris), movimento de um dos olhos (QOEM) (observado nas 2 espécies) e um comportamento análogo ao REM dos vertebrados (QEMBPC) (observado apenas no O. insularis), em que ocorre movimento dos dois olhos enquanto o animal muda a cor e a textura da pele, ocorrendo também contrações do corpo semelhantes a espasmos musculares e movimento das ventosas. O teste para avaliar o limiar de excitação de cada estado mostrou diferença significativa entre os estados, sendo a maior latência observada no estado QEMBPC, seguido pelo QPC, QHH e, por fim, o Alerta, com o menor limiar de excitabilidade. Estes resultados sugerem a existência de diferentes estados de sono no polvo, o que torna a quiescência deste animal ainda mais semelhante com o sono dos vertebrados. Por exemplo, o estado "QCP" parece ser análogo ao sono de ondas lentas, enquanto o QEMBPC parece ser análogo ao sono REM. Além disso, o QOEM pode ser uma evidência de sono unihemisférico, o qual é uma adaptação comumente observada em mamíferos marinhos e aves. Assim, este trabalho sugere investigar se, além das semelhanças comportamentais observadas, o sono desses cefalópodes possui também as mesmas funções fisiológicas que desempenha nos vertebrados. Isso será possível com o aprimoramento de técnicas para realizar eletrofisiologia em meio aquático ou sem o uso de fios, bem como pela investigação de genes imediatos que possam estar associados ao de sono desses animais.
Experiências auditivas na juventude alteram a discriminação auditiva no Mandarim-Diamante (Taeniopygia guttata)
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2021-03-25) Barbalho, Gabriela Peixoto; Velho, Tarciso André Ferreira; ; http://lattes.cnpq.br/8194534389725093; ; http://lattes.cnpq.br/7907565884329843; Pichorim, Mauro; ; http://lattes.cnpq.br/5696697654544552; Figuerola, Wilfredo Blanco; ; http://lattes.cnpq.br/9912829629195282
As aves canoras são consideradas um dos melhores modelos animais para investigar as bases neurobiológicas do aprendizado vocal. Assim como nós humanos, esses animais apresentam fases distintas do aprendizado vocal durante o desenvolvimento, que são influenciadas por experiências sociais e motoras. Além disso, a privação social em aves canoras pode gerar defeitos na produção vocal do indivíduo, enquanto que o impedimento da prática vocal retarda a maturação do canto. No entanto, não está totalmente claro se a experiência limitada durante o desenvolvimento pode afetar as habilidades de discriminação auditiva do animal, um fenômeno bem conhecido em humanos. Para responder a essa questão, manipulamos a experiência social e a prática motora em mandarins, a espécie de ave canora mais utilizada. Confirmamos primeiro que nossa manipulação alterou o aprendizado vocal, sem afetar grosseiramente o desenvolvimento. Mais precisamente, os animais em privação social exibiram canções anormais, típicas de animais sem um modelo vocal. Por outro lado, os animais jovens onde a prática do canto foi limitada continuaram a produzir vocalizações imaturas quando adultos. Notadamente, experimentos comportamentais demonstraram que animais controle, i.e., animais com experiências sociais normais, apresentaram um desempenho inferior em tarefas de discriminação auditiva em comparação com animais isolados e juvenis. Em contraste, animais com o canto limitado não diferiram dos controles. Esses resultados sugerem que experiências auditivas no início do desenvolvimento podem influenciar a capacidade discriminatória em mandarins adultos, enquanto que a prática vocal parece ter pouca influência no desempenho de aves adultas. Ou seja, as aves que são expostas à experiência social normal durante o desenvolvimento pós-natal podem ter uma capacidade diminuída de discriminar cantos coespecíficos. Tal interpretação está de acordo com o aumento da especificidade observada nos neurônios auditivos do mandarim, e seria semelhante às perdas perceptuais observadas durante a aquisição da fala em humanos.
O impacto das intervenções não farmacêuticas governamentais durante o primeiro surto pandêmico de SARS-CoV-2: um estudo de modelagem computacional baseado em agentes na cidade de Natal
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2021-10-25) Carlos, Paulo Henrique Lopes; Figuerola, Wilfredo Blanco; http://lattes.cnpq.br/9912829629195282; http://lattes.cnpq.br/4298391946397790; Costa, César Renno; http://lattes.cnpq.br/9222565820639401; Moioli, Renan Cipriano; http://lattes.cnpq.br/3898958813303048; Almeida, Leandro de
A primeira onda da pandemia de síndrome respiratória aguda grave coronavírus 2 (SARS- CoV-2) atingiu quase todas as cidades do Brasil no primeiro trimestre de 2020 e durou vários meses. Apesar do esforço dos governos estaduais e municipais, uma resposta não homogênea em todo o país resultou em um número de mortos entre os mais altos registrados globalmente. Para avaliar o impacto das intervenções governamentais não farmacêuticas aplicadas por diferentes cidades - como o fechamento de escolas e empresas em geral - na evolução e propagação da epidemia de SARS-CoV-2, construímos um modelo epidemiológico baseado em agentes ajustado às singularidades de cidades isoladas. O modelo incorpora informações demográficas detalhadas, redes de mobilidade segregadas por segmentos econômicos e leis de restrição promulgadas durante o período pandêmico. Como estudo de caso, analisamos como a cidade de Natal - uma capital de médio porte - reagiu à pandemia. Embora nossos resultados indiquem que a resposta governamental foi efetiva (os atos restritivos de mobilidade salvaram muitas vidas), nossas simulações mostraram que a paralisação das atividades escolares foram fundamentais para evitar um elevado número de óbitos (o aumento seria em torno de 514.65%). O fechamento efetivo das atividades trabalhistas diminuiria o número de óbitos em aproximadamente 70.52% e a religiosa em torno de 11.19%. A falta de intervenção teria resultado num cenário catastrófico de 6779 óbitos, esse valor corresponde a cerca de 0.91% da população natalense. As simulações mostram que uma análise compartimental dos cenários alternativos pode informar os formuladores de políticas sobre as medidas mais impactantes para novos surtos de pandemia e apoiar decisões futuras à medida que a pandemia avança.
Integração de dados e desenvolvimento de métricas escalável para análise de fatores de transcrição
(2018-03-28) Silva, Lucas Felipe da; Souza, Jorge Estefano Santana de; ; ; Dalmolin, Rodrigo Juliani Siqueira; ; Figuerola, Wilfredo Blanco;
Atualmente há diversas ferramentas propostas para análise de Fatores de Transcrição (TF), tais como TFCheckpoint, JASPAR, SSTAR, GTRD, Enrichr. No entanto, nenhuma dessas ferramentas oferece uma experiência completa, em que se possa avaliar a confiabilidade do TF, ou seja, se de fato uma proteína analisada é um TF e a sua associação com o gene alvo. Ao longo do tempo, foram construídas inúmeras bases de dados, todas elas com riquíssimas informações, porém a complexidade intrínseca do dado, o volume de informações, problemas de nomenclatura dos genes e diversos outros fatores fizeram com que tais ferramentas não oferecessem um espectro completo da análise. Por outro lado, para se trabalhar com um grande volume de dados, se requer conhecimentos avançados de computação. Entretanto, o grande público interessado em analisar esses dados são os profissionais procedentes das áreas biológicas, configurando-se como uma barreira, uma vez que a formação acadêmica desta área não oferece em seus componentes curriculares disciplinas de programação. Diante desta situação, este trabalho tem como objetivo criar uma ferramenta web destinada exclusivamente para análise dos TFs. Desse modo, foi idealizado e desenvolvido o Transcription Factor Analysis Tools (TFAT), contendo a integração de diferentes bases de dados e um conjunto de scripts para manipular estas informações, juntamente com os parâmetros cruciais definidos pelo usuário em sua análise. O cerne desta ferramenta é a análise para identificar os TFs chaves na modularização da transcrição gênica, ou seja, o enriquecimento dos TFs reguladores de uma lista de genes submetida pelo usuário, que através dos componentes da ferramenta, consulta sua base de dados, identificam os TFs que estão associados aos genes da lista e calcula o p-valor de enriquecimento. Além disso, a ferramenta verifica a confiabilidade do TF, disponibiliza as predições realizadas e converte os itens de uma lista para o GeneID ou Symbol do Entrez Gene. Outro recurso presente neste trabalho é a utilização da confiabilidade do TF aplicado em toda a ferramenta. Esse grau de confiabilidade leva em consideração evidências de diferentes bases de dados, experimentos, predições e outras características dos TFs. Este recurso de confiabilidade possui um modo padrão e um modo com parâmetros definidos pelo próprio usuário, que permite toda uma personalização por meio de filtros nas consultas e controle de análise para o usuário final.
Interações hipocampo-prefrontais durante a tomada de decisão espacial
(2020-02-28) Tavares, Lucas Caiã de Souza; Tort, Adriano Bretanha Lopes; ; ; Rodrigues Neto, Abner Cardoso; ; Costa, César Renno; ; Figuerola, Wilfredo Blanco;
O hipocampo tem sido relacionado com a codificação de memórias bem como com a navegação espacial, enquanto que o córtex pré-frontal é associado a funções cognitivas como a tomada de decisões. Supõe-se que ambas as áreas interajam entre si em tarefas que exijam tanto a navegação no espaço quanto processos de tomada de decisão. Entretanto, as assinaturas eletrofisiológicas por trás dessa comunicação carecem de uma melhor elucidação. Para investigar as dinâmicas das interações hipocampo-prefrontais, nós analisamos potenciais de campo local registrados em ratos desempenhando uma tarefa de alternação espacial num labirinto em formato de oito. Observamos que a coerência de fases nas bandas oscilatórias teta (6-10 Hz) e beta (23-30 Hz) atingem seu pico próximo à região da tomada de decisão do labirinto. Ademais, análises de causalidade de Granger apontam para um fluxo informacional de direcionalidade hipocampo -> córtex pré-frontal na banda teta com maior intensidade em áreas iniciais do labirinto, e na direcionalidade oposta na banda delta, com um pico no início da curva. Adicionalmente, mostramos que os padrões de acoplamento fasefrequência intra e inter-regionais apresentam seletividade espacial. Análises de acoplamento de disparos mostraram que neurônios individuais do córtex pré-frontal são mais moduladas pelo ritmo teta hipocampal que pelo ritmo equivalente da sua própria região. Nossos resultados demonstram maiores níveis de interações eletrofisiológicas entre o hipocampo e o córtex pré-frontal situados próximos à área de decisão do labirinto numa tarefa de alternação espacial. Essas observações corroboram a hipótese de que uma comunicação dinâmica entre essas duas regiões acontece durante decisões espaciais.
Interface para tecnologia assistiva baseada em eletrooculografia
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2014-10-29) Roza, Valber César Cavalcanti; Matamoros, Efrain Pantaleón; ; http://lattes.cnpq.br/5336356193599447; ; http://lattes.cnpq.br/5265799442614752; Gonçalves, Luiz Marcos Garcia; ; http://lattes.cnpq.br/1562357566810393; Alsina, Pablo Javier; ; http://lattes.cnpq.br/3653597363789712; Figuerola, Wilfredo Blanco; ; http://lattes.cnpq.br/9912829629195282
Propomos neste trabalho, um novo método de organização conceitual das áreas que envolvem a tecnologia assistiva, categorizando-as de forma lógica e simples; além disso, propomos também a implementação de uma interface baseada em eletrooculografia, capaz de gerar comandos de alto-nível, para acionar dispositivos robóticos, computacionais e eletromecânicos. Para a validação da interface ocular, foi desenvolvido um circuito eletrônico associado a um programa computacional que capturou os sinais gerados pelos movimentos dos olhos dos usuários, gerando comandos de alto nível, capazes de acionar uma órtese ativa e diversos outros sistemas eletromecânicos. Os resultados mostraram que foi possível comandar sistemas eletromecânicos diversos, através apenas dos movimentos dos olhos. A interface apresentou-se como uma forma viável para a executar das tarefas propostas, podendo ser aprimorada no quesito de análise de sinais a nível digital. O modelo diagramático desenvolvido, apresentou ser uma ferramenta de fácil uso e entendimento, suprindo as necessidades de organização conceitual da área de tecnologia assistiva.
Investigando fenótipos comportamentais e eletrofisiológicos associados ao estresse social
(2015-12-16) Alves, Aron de Miranda Henriques; Queiroz, Cláudio Marcos Teixeira de; ; http://lattes.cnpq.br/3384801391828521; ; http://lattes.cnpq.br/1531296839709463; Laplagne, Diego Andres; ; http://lattes.cnpq.br/0293416967746987; Quadros, Isabel Marian Hartmann de; ; http://lattes.cnpq.br/3982014468609862; Leão, Richardson Naves; ; http://lattes.cnpq.br/0683942077872227; Figuerola, Wilfredo Blanco; ; http://lattes.cnpq.br/9912829629195282
Os objetivos desta tese foram os de investigar padrões comportamentais e eletrofisiológicos associados à resiliência e suscetibilidade ao estresse social induzido em camundongos. Para isso, utilizamos um protocolo de indução de estresse crônico contínuo a partir de derrotas sociais baseado no paradigma residente-intruso. Os resultados da tese são apresentados em dois estudos. No primeiro estudo, camundongos C57BL/6J submetidos a episódios repetidos de derrota social apresentaram motivação tardia para interagir com um camundongo desconhecido em sessões prolongadas (10 min) do teste de interação social. Utilizando uma abordagem etológica associada à análise computacional de vídeos foi possível rastrear precisamente a posição dos camundongos durante a realização de comportamentos de investigação social. Analisamos ainda a expressão detalhada de comportamentos defensivos, tais como investigação em postura estendida e fugas, ambos associados ao comportamento de investigação social. A partir dessas análises demonstramos que a realização do comportamento de investigação social em postura estendida era significativamente maior para o grupo derrotado comparado ao grupo controle. Ainda, um subgrupo de camundongos derrotados apresentou investigação social em postura estendida de forma persistente e sem habituação. Utilizando uma medida da distância de investigação durante as investigações sociais calculamos um índice de aproximação (IA) para cada animal e separamos um subgrupo apresentando fenótipo relacionado à ansiedade. A incidência de fugas também foi maior no grupo derrotado em comparação com os controles. A persistência na ocorrência desse comportamento foi observada em um subgrupo de camundongos submetidos às derrotas sociais. Calculamos então um índice de fugas (IF) que se correlacionou inversamente com a preferência por sacarose, sendo útil para identificar animais anedônicos. No segundo estudo, foram combinados análise etológica e registros eletrofisiológicos com tetrodos na área tegmentar ventral de camundongos submetidos à derrotas sociais. Utilizando critérios eletrofisiológicos e farmacológicos classificamos unidades na área tegmentar ventral como supostos neurônios dopaminérgicos e não-dopaminérgicos. Durante o comportamento de investigação social foi observado que a modulação da taxa de disparo dessas subpopulações neuronais distintas ocorreu de maneira oposta em animais suscetíveis e resilientes ao estresse social. Em suma, propomos que sessões prolongadas associadas à análise etológica detalhada durante os testes de interação social podem prover informação para classificação de camundongos em resilientes e susceptíveis após repetidas derrotas sociais. Ainda, a expressão do fenótipo suscetível parece estar associada ao comprometimento do sistema dopaminérgico mesolímbico na atribuição de valor de incentivo às interações sociais normalmente associadas ao aumento da atividade neuronal mesolímbica.
Modelagem dos efeitos da irradiação luminosa no cérebro de camundongos e rastreamento de neurônios durante experimentos de microscopia de fluorescência
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2015-07-31) Peixoto, Helton Maia; Guerreiro, Ana Maria Guimarães; ; http://lattes.cnpq.br/8556144121380013; ; http://lattes.cnpq.br/8709900833456787; Dória Neto, Adrião Duarte; ; http://lattes.cnpq.br/1987295209521433; Leite, Cicilia Raquel Maia; ; http://lattes.cnpq.br/9378258073324535; Soares, Heliana Bezerra; ; http://lattes.cnpq.br/5057165446370629; Leão, Richardson Naves; ; http://lattes.cnpq.br/0683942077872227; Figuerola, Wilfredo Blanco; ; http://lattes.cnpq.br/9912829629195282
As proteínas fluorescentes constituem uma ferramenta fundamental em vários campos da biologia, pois permitem enxergar o desenvolvimento de estruturas e processos dinâmicos de células em tecido vivo, com o auxílio da microscopia de fluorescência. A Optogenética é outra técnica que atualmente ganha destaque na Neurociências e que, de forma geral, permite ativar/desativar neurônios a partir da irradiação luminosa de certos comprimentos de onda sobre as células que possuem canais iônicos sensíveis à luz, e ainda pode ser utilizada concomitantemente com as proteínas fluorescentes. Esta tese possui dois objetivos principais. Inicialmente, são estudados os efeitos da interação da luz e o cérebro de camundongos para aplicações em experimentos de Optogenética. Nesta etapa, são modelados, a partir de características do cérebro de camundongos e utilizando a teoria de Kulbelka-Munk, os efeitos de absorção e espalhamento da luz, em comprimentos de onda específicos, em função da distância de penetração no tecido cerebral. Além disso, são modeladas as variações de temperatura utilizando o método dos elementos finitos na resolução da equação de bioaquecimento de Pennes, com o auxílio do COMSOL Multiphysics Modeling Software 4.4, onde são simulados protocolos de estimulação luminosa, tipicamente utilizados em Optogenética. Posteriormente, são desenvolvidos algoritmos computacionais capazes de reduzir a exposição das células nervosas à irradiação luminosa necessária à visualização da fluorescência emitida por elas. Nesta etapa, são descritas as técnicas de processamento digital de imagens desenvolvidas para uso em microscopia de fluorescência, com o intuito de reduzir a exposição das amostras de cérebro à luz contínua, responsável pela excitação dos fluorocromos. As técnicas de processamento de imagens desenvolvidas e utilizadas são capazes de rastrear, em tempo real, uma região de interesse (ROI) e substituir a fluorescência emitida pelas células por uma máscara virtual, como resultado da sobreposição da ROI que está sendo rastreada e a informação de fluorescência previamente armazenada, mantendo a localização das células independentemente do tempo de exposição à luz fluorescente. Em resumo, esta tese pretende entender os efeitos da irradiação luminosa no cérebro, no contexto da Optogenética, além de fornecer uma ferramenta computacional que possa auxiliar certos experimentos em microscopia de fluorescência na redução do desvanecimento (bleaching) das amostras e dos danos (photodamage) causados ao tecido devido à intensa exposição das estruturas fluorescentes à luz.
Neuronal correlates of locomotion speed in the dorsal CA1 of the rat hippocampus: new insights on the speed cells
(2019-12-06) Góis, José Henrique Targino Dias; Tort, Adriano Bretanha Lopes; ; ; Takahashi, Daniel Yasumasa; ; Pereira, Rodrigo Neves Romcy; ; Treptow, Werner; ; Figuerola, Wilfredo Blanco;
Edward Tolman postulated the existence of cognitive maps in the brain to explain the animal capability of spatial navigation. Since then, neuroscience seeks to describe brain components underlying this capability. In the present work, we describe advancements in the characterization of a neural sub-population engaged in coding the scalar velocity of rat locomotion. Upon analyzing an open database, we re-discovered the existence of a velocity correlation present in the rate of emission of action potentials of neurons in the dorsal hippocampus. we found that this correlation is independent of theta oscillation frequency (4- 12 Hz) and stable over space and time; moreover, it also persists in different arenas. We then classified the neurons as excitatory and inhibitory by the action potential waveform shapes, the rate of emission of action potentials, and the temporal inter-dependency of action potential emission between pairs of neurons. This classification revealed that, by using Pearson’s r coefficient (speed score) as a correlation metric, in the square open-field arena, only inhibitory neurons high-correlated with locomotion speed (henceforth, speed), even though there was a modulation of the average of the excitatory neurons. Intriguingly, when checking speed correlates in the linear arena, speed score made indistinguishable the correlation among neuronal classes. We then formulated the hypothesis that the apparent locomotion speed correlation of pyramidal neurons in the linear arena is spurious, due to a by-product of their spatial code. To prove this, we simulated artificial neurons that emitted action potentials influenced by the actual animal behavior; the simulated neurons coded either speed or space. The simulation replicated real data Pearson’s r coefficient classifications – true positives in the square arena and false positives in the linear arena for those cells encoding speed. To solve this ethological interdependency, we adopted a new metric of speed correlation – the ratio of the difference of linear-non-linear models prediction accuracy based on speed and position over the prediction accuracy of the two-variable model. This analysis disentangled the ethological issue, satisfactorily classifying the simulated neurons and confirming the spurious hypothesis correlates, and the prevalence of speed correlates in interneurons. The results of the present work demonstrated that a genuine speed correlation is present in the dorsal CA1 of the hippocampus of rats in inhibitory neurons.
Real-time data processing and multimodal interactive visualization using GPU and data structures for geology and geophysics
(2019-08-30) Leandro, Waldson Patrício do Nascimento; Carvalho, Bruno Motta de; Santos, Selan Rodrigues dos; ; ; ; Cavalcante Neto, Joaquim Bento; ; Kreutz, Márcio Eduardo; ; Figuerola, Wilfredo Blanco;
Com o advento de novos sensores, a quantidade de dados a ser analisada aumentou mais do que a capacidade de processá-los em tempo real. E quando levamos em consideração a junção de dados de diferentes sensores para uma visualização única, esta se torna uma tarefa complicada de se realizar utilizando algoritmos e técnicas convencionais de visualização. Neste trabalho, nós exploramos métodos para processar em tempo real e visualizar interativamente dados multivariados massivos, usando como plano de fundo a área de Geociências. A utilização de diversos dispositivos e métodos fazem parte das atividades cotidianas deste nicho do conhecimento e tanto o processamento rápido quanto a visualização interativa trazem novas possibilidades de análise e interpretação destes dados massivos.
Reconstrução de cenários evolutivos de sistemas genéticos em larga escala: introduzindo o algoritmo Bridge
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2024-03-08) Campos, Leonardo René dos Santos; Dalmolin, Rodrigo Juliani Siqueira; Souza, Jorge Estefano de Santana; https://orcid.org/0000-0002-1688-6155; http://lattes.cnpq.br/4065178015615979; https://orcid.org/0000-0003-2937-0147; http://lattes.cnpq.br/5477636628791124; Costa, César Rennó; https://orcid.org/0000-0003-0417-8108; http://lattes.cnpq.br/9222565820639401; Sequerra, Eduardo Bouth; Farias, Sávio Torres de; Figuerola, Wilfredo Blanco
As metodologias de reconstrução de cenários evolutivos são importantes ferramentas que auxiliam na investigação do funcionamento de sistemas genéticos sob a perspectiva de sua conservação ao longo da evolução e de suas origens. O conceito primário para a compreensão dessas técnicas está nas relações estabelecidas comparando os genomas de diferentes espécies para formar famílias de genes conhecidas como grupos de ortólogos. Ortólogos são genes de espécies distintas originários de um ancestral comum que, tipicamente, desempenham funções similares nos respectivos organismos. Observando-se a distribuição dos ortólogos numa árvore de espécies é possível determinar em que ponto da evolução mais provavelmente emergiu a característica funcional representada por aquele grupo de ortólogos. Embora este processo seja trivial quando empregado a um único gene, sua aplicação em larga escala permanecia desafiadora. Nesta tese, introduzimos o algoritmo Bridge, implementado na linguagem R através do pacote GeneBridge, o qual permite interrogar simultaneamente milhares de grupos de ortólogos – atribuindo uma raiz evolutiva a cada um, bem como calcular a consistência e a confiabilidade estatística das inferências realizadas. Também desenvolvemos uma metodologia para construção sistemática de conjuntos de dados de entrada para as análises de enraizamento evolutivo a partir de bancos de ortólogos, disponibilizada através do pacote de anotações GeneBridge-Data. Assim, com a grande quantidade informações de ortologias disponíveis atualmente, as ferramentas apresentadas nesta tese destacam-se como alternativas viáveis para abordar a reconstrução de cenários evolutivos nesta escala.
RNA-Gatherer: uma ferramenta computacional para anotação de RNAs não-codificantes
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2021-01-29) Alves Sobrinho, Pitágoras de Azevedo; Figuerola, Wilfredo Blanco; Souza, Jorge Estefano Santana de; ; ; ; http://lattes.cnpq.br/0435510237375618; Santos, Ândrea Kely Campos Ribeiro dos;
RNAs não-codificantes são moléculas que desempenham papéis decisivos na regulação de genes, então identificá-los é essencial para entender a genética de uma espécie. Diversos fatores, como: baixo nível de expressão, amplo espectro de subtipos, atributos diversos, funções heterogêneas e ausência de homologia entre espécies; fazem a detecção de ncRNAs um desafio. Recentemente, novas estratégias de bioinformática vem tentando vencer esses desafios usando modelos de covariância e inteligência artificial. A co-expressão desses genes também vem sendo analisada computacionalmente para revelar quais são suas funções. No entanto, não há consenso sobre quais métricas e parâmetros usar no processo de prever funções. Em organismos pouco conhecidos, como Arapaima gigas, a falta de informações de referência aumenta essa dificuldade. Além disso, principalmente para RNAs longos não-codificantes, há poucas funções conhecidas, o que torna difícil explicar os papéis desses genes e avaliar a qualidade das predições. Neste trabalho, é descrito um software para descobrir os genes não-codificantes, de diversos tipos, e suas funções em espécies de eucariotos. Este foi validado com uma espécie modelo, o camundongo, e utilizado para explorar o panorama de ncRNAs numa espécie pouco estudada, o Arapaima gigas. A comparação da semelhança entre funções de genes co-expressos nos permitiu definir níveis de confiança para as métricas de calcular co-expressão, e assim, desenvolver uma pipeline de predição funções para lncRNA, a qual inclui métricas para calcular correlações não-lineares. O pacote de software descrito aqui fez 63307 anotações não-codificantes em A. gigas, incluindo 11 tipos de ncRNA e 4 de regiões cis-regulatórias. Dessas anotações, apenas 706 eram similares a ncRNAs já conhecidos em outras espécies e os restantes não haviam sido descritos anteriormente. A análise exploratória dos lncRNAs também revelou 19854 lncRNAs de tecido específico e 256 lncRNAs expressos de forma onipresente. Prever as funções dessas moléculas também revelou que elas estão envolvidas na pigmentação da pele, diferenciação sexual, crescimento e defesa contra tumores.

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