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5-MeO-DMT induces sleep-like LFP spectral signatures in the hippocampus and prefrontal cortex of awake rats
(Springer Science and Business Media LLC, 2024-05) Souza, Annie da Costa; Souza, Bryan da Costa; França, Arthur Sergio Cavalcanti de; Moradi, Marzieh; Souza, Nicholy C.; Leão, Emelie Katarina Svahn; Tort, Adriano Bretanha Lopes; Leao, Richardson Naves; Santos, Vítor Lopes dos; Ribeiro, Sidarta Tollendal Gomes
5-methoxy-N,N-dimethyltryptamine (5-MeO-DMT) is a potent classical psychedelic known to induce changes in locomotion, behaviour, and sleep in rodents. However, there is limited knowledge regarding its acute neurophysiological effects. Local field potentials (LFPs) are commonly used as a proxy for neural activity, but previous studies investigating psychedelics have been hindered by confounding effects of behavioural changes and anaesthesia, which alter these signals. To address this gap, we investigated acute LFP changes in the hippocampus (HP) and medial prefrontal cortex (mPFC) of freely behaving rats, following 5-MeO-DMT administration. 5-MeO-DMT led to an increase of delta power and a decrease of theta power in the HP LFPs, which could not be accounted for by changes in locomotion. Furthermore, we observed a dose-dependent reduction in slow (20–50 Hz) and mid (50–100 Hz) gamma power, as well as in theta phase modulation, even after controlling for the effects of speed and theta power. State map analysis of the spectral profile of waking behaviour induced by 5-MeO-DMT revealed similarities to electrophysiological states observed during slow-wave sleep (SWS) and rapid-eye-movement (REM) sleep. Our findings suggest that the psychoactive effects of classical psychedelics are associated with the integration of waking behaviours with sleep-like spectral patterns in LFPs
An investigation of Hebbian phase sequences as assembly graphs
(2014-04) Almeida-Filho, Daniel G.; Lopes-dos-Santos, Vitor; Vasconcelos, Nivaldo A. P.; Miranda, José G.; Tort, Adriano Bretanha Lopes; Ribeiro, Sidarta Tollendal Gomes
Aplicações de processos estocásticos à Biomedicina
(2005-11-27) Tort, Adriano Bretanha Lopes; Lopes, Artur O.
A presente dissertação, como já indicado no próprio título, versa sobre exemplos de aplicações da teoria dos processos estocásticos a problemas oriundos de biologia e medicina. É inegável o imenso auxílio que a matemática prestou e vem prestando no desenvolvimento de conhecimentos de diversas áreas de pesquisa ao longo da história da ciência. Em particular, numa estreita relação simbiótica com a física, modelos matemáticos realizaram grandes proezas ao descrever e predizer satisfatoriamente diversos fenômenos , fazendo até mesmo com que a matemática fosse valorizada a um nível de linguagem própria da natureza, principalmente no início do século passado com as grandes revoluções da física teórica. Em grande parte inspirados por tal sucesso, muitos matemáticos têm se voltado para estudar e tentar descrever os fenômenos biológicos. A biologia matemática, que podemos dizer ser uma ciência relativamente nova, é hoje em dia um dos ramos de aplicação da matemática que mais cresce, e que tem ganho cada vez mais respeito e adeptos. Principalmente a partir da metade do último século, vários problemas de áreas biomédicas têm sido cada vez mais atacados com o auxílio sistemático da matemática. Geralmente, os pesquisadores experimentais das áreas biomédicas reportam um grande número de resultados e dados empíricos. A matemática entra para tentar fazer uma costura de tais resultados, de maneira a sintetizá-los numa teoria unificadora. Como aplicações em outras áreas, os modelos são mais elegantes quando não só podem descrever resultados já conhecidos, como também são capazes de predizer resultados futuros. Embora ainda seja uma área de garimpo e muitos modelos estão ainda num estágio de primeira aproximação, a biologia matemática já mostra importantes utilidades de aplicações reais no entendimento dos processos biológicos, e inclusive alguns prêmios Nobel já foram distribuídos a fisiologistas que utilizaram matemática nas suas pesquisas.
Asymmetry of the temporal code for space by hippocampal place cells
(2017-08-17) Souza, Bryan C.; Tort, Adriano Bretanha Lopes
Hippocampal place cells convey spatial information through spike frequency (“rate coding”) and spike timing relative to the theta phase (“temporal coding”). Whether rate and temporal coding are due to independent or related mechanisms has been the subject of wide debate. Here we show that the spike timing of place cells couples to theta phase before major increases in firing rate, anticipating the animal’s entrance into the classical, rate-based place field. In contrast, spikes rapidly decouple from theta as the animal leaves the place field and firing rate decreases. Therefore, temporal coding has strong asymmetry around the place field center. We further show that the dynamics of temporal coding along space evolves in three stages as the animal traverses the place field: phase coupling, sharp precession and phase decoupling. These results suggest that independent mechanisms may govern rate and temporal coding.
Beta2 oscillations (23–30 Hz) in the mouse hippocampus during novel object recognition
(Federation of European Neuroscience Societies and John Wiley & Sons, 2014-09-01) Franc a, Arthur S. C.; Nascimento, George Carlos do; Lopes-dos-Santos, Vıtor; Muratori, Larissa; Ribeiro, Sidarta Tollendal Gomes; Soares, Bruno Lobão; Tort, Adriano Bretanha Lopes
Caracterização da atividade de assembleias hipocampais
(2014-09) Tort, Adriano Bretanha Lopes; Santos, Vítor Lopes dos
Introdução Embora seja uma das ideias mais influentes em Neurociências, a teoria das assembleias neuronais, consagrada por Hebb(1949), não pôde ser testada por décadas devido a limitações técnicas. O desenvolvimento tecnológico recente possibilitou que populações neuronais sejam registradas simultaneamente, porém revelou a carência de ferramentas para analisar dados de alta dimensionalidade típicos de tais registros. Aqui, apresentamos um método para extrair assembleias imersas em registros de grandes populações, possibilitando a análise de grupos de células como um todo, substituindo a análise de células individuais. Objetivos 1) Desenvolver um método para detectar e extrair padrões de co-ativação de registros de população neuronais, 2) aplicar o método para entender os mecanismos para a organização de atividade de assembleias no hipocampo. Métodos Nosso algoritmo detecta correlações de alta ordem nas atividades de subgrupos de células e usa Análise de Componentes Independentes (do inglês, ICA) para extrair suas assinaturas. Essas assinaturas representam padrões de co-ativação que podem ser usados para estimar a atividade dessas assembleias com alta resolução temporal. Todos os passos do método foram validados em atividades de neurônios simulados. Em seguida, aplicamos o método para analisar a atividade de células piramidais da região CA1 do hipocampo de ratos enquanto eles forrageavam em campo aberto. Resultados e Conclusões Nosso resultados demonstram que assembleias formadas por células piramidais de CA1 estão mais acopladas às oscilações teta hipocampais do que os neurônios que as compuseram analisados individualmente (teste t, p<0,01). Esse resultado favorece a teoria de que as oscilações teta podem estar relacionadas com a organização de células anatomicamente dispersas. Além disso, também encontramos que as assembleias neuronais disparam após aumentos transientes na energia de oscilações: gama-lento (30-50 Hz) e gama-rápido (70-100 Hz), com defasagem de aproximadamente 10-ms e 20-ms, respectivamente. Teorizamos que essas oscilações gama são epifenômenos de mecanismos usados pelo hipocampo para sincronizar subgrupos de células.
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
Caracterização funcional de pares e assembleias de neurônios intra- e inter-hemisféricos no córtex visual primário
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2023-06-12) Frota, Beatriz Carvalho; Schmidt, Kerstin Erika; Ocazionez, Sérgio Andrés Conde; http://lattes.cnpq.br/7159531395590165; http://lattes.cnpq.br/4902752912395893; http://lattes.cnpq.br/2930959007397988; Ocazionez, Sérgio Andrés Conde; Tort, Adriano Bretanha Lopes; https://orcid.org/0000-0002-9877-7816; http://lattes.cnpq.br/3181888189086405; Takahashi, Daniel Yasumasa; Santos, Natanael Antônio dos
Em primatas e carnívoros, o córtex visual primário contém conexões horizontais seletivas de longo alcance que contribuem para o agrupamento de elementos locais da imagem de acordo com sua orientação, direção do movimento e alinhamento colinear. Esses circuitos seletivos também podem ser decisivos para manter vieses na atividade cortical espontânea que condicionam as respostas neuronais ao facilitar as prováveis conjunções de formas ou trajetórias de movimento antes que tal estímulo chegue. Assim, as interações funcionais em curso devem refletir a topografia seletiva das conexões. Perto da borda do córtex visual primário, essas conexões se estendem através do corpo caloso com a mesma seletividade para orientação, direção do movimento e colinearidade para ligar locais homotópicos nos dois hemisférios e unificar a imagem dividida em duas metades na linha média vertical do campo visual. Devido a essa ação central das conexões calosas visuais, é possível comparar as interações inter-hemisféricas e intra-hemisféricas espontâneas e evocadas pelo mesmo estímulo e investigar se elas representam formas e direções de movimento que cruzam a linha média vertical. Para abordar as assinaturas neuronais dessas interações funcionais, estudamos a atividade dos neurônios que representam estímulos que cruzam a linha média nos dois córtices visuais, registrando simultaneamente de 2 x 16 eletrodos separados espacialmente. Esses eletrodos foram colocados em partes homotópicas do córtex visual, ou seja, a zona de transição entre a área 17 e 18, em gatos (n = 4). Para implantar eletrodos em locais corticais direta ou indiretamente ligados pelo corpo caloso, realizamos imagens de sinal intrínseco para definir com precisão a área da borda. Posteriormente, obtivemos registros eletrofisiológicos extracelulares durante a estimulação visual com gratings e cenas naturais desenhados para estudar a integração. Como uma medida eficiente de interação funcional, usamos coerência espontânea e evocada por estímulo entre pares de taxas de disparo na banda de low-gamma, focando em pares de neurônios com campos receptivos sobrepostos. Para restringir a análise a neurônios com resposta otimizada, aplicamos um teste de sinal e um critério de seletividade de orientação e direção. Observamos coerência significativa da banda low-gamma espontânea e evocada (30-59 Hz) na maioria dos pares inter-hemisféricos (n=131) e intra-hemisféricos (n=132) de unidades únicas com RFs sobrepostos, mas com amplitudes maiores entre as unidades intra-hemisféricas. Dentro do mesmo hemisfério, a coerência decaiu com a distância cortical entre os neurônios da mesma preferência de orientação (ISO) e atingiu o pico novamente em um intervalo de cerca de 800 μm de acordo com o agrupamento de conexões horizontais de longo alcance. A coerência espontânea intra - e inter-hemisférica e a coerência evocada por estímulos foram maiores para pares com seletividade a mesma orientação ou direção de movimento (ISO) do que com a seletividade oposta (CROSS). No geral, a horizontal (± 45 graus) evocou maior coerência do que os gratings verticais (± 45 graus). Surpreendentemente, esse viés foi o mesmo para pares intra - e inter-hemisféricos. Com estimulação de cena natural, a coerência intra-hemisférica foi maior para pares de seletividade de direção oposta (CROSSdir), em contraste dos gratings, mas para pares inter-hemisféricos de seletividade de mesma direção (ISOdir). Também em contraste aos gratings, as coerências foram maiores para direções de movimento cruzando (para esquerda, para direita) a linha média vertical do que para direções paralelas a ela (para cima e para baixo). Durante a estimulação com gratings e cenas naturais, observamos ambos os tipos de assembleias, tanto restritas à população de neurônios intra-hemisféricos quanto inter-hemisféricos. Com gratings, as assembleias intra-hemisféricas foram significativamente mais frequentemente ativadas do que as inter-hemisféricas. No entanto, semelhante ao viés na coerência, a estimulação com gratings horizontais (± 45 graus) produziu taxas de ativação das assembleias inter-hemisféricas significativamente maiores do que com as verticais. Curiosamente, com a estimulação de cena natural, as assembleias intra e inter-hemisféricas não diferem na taxa de ativação nem na seletividade ao estímulo, indicando que, nessas condições, ambas as populações estão funcionalmente interconectadas em um único circuito horizontal que inclui os dois hemisférios. Em conclusão, confirmamos que a atividade espontânea e evocada por estímulos de redes intra - e inter-hemisféricas reflete a seletividade de axônios de longo alcance para ligar neurônios de propriedades de resposta semelhantes em distâncias mais longas. As interações neuronais seletivas podem ser vistas tanto na atividade de coerência na faixa de low-gamma quanto na atividade de populações simultaneamente ativas de neurônios abrangendo um ou ambos os córtices visuais. Os resultados são compatíveis com a interpretação de que essas conexões servem para antecipar e mediar prováveis operações de agrupamento entre neurônios que representam o meridiano vertical, como aquelas causadas por movimentos de cruzamento, frequentemente observados em cenas naturais, ou formas como o caso em gratings. Eles também confirmam que as conexões intra - e inter-hemisféricas dentro da representação do campo visual central no córtex visual primário provavelmente não são circuitos com funções distintas, mas formam uma única rede horizontal que continua até o outro hemisfério através do corpo caloso.
Characterizing speed cells in the rat hippocampus
(2018-11-13) Góis, Zé Henrique T. D.; Tort, Adriano Bretanha Lopes
Spatial navigation relies on visual landmarks as well as on self-motion information. In familiar environments, both place and grid cells maintain their firing fields in darkness, suggesting that they continuously receive information about locomotion speed required for path integration. Consistently, "speed cells" have been previously identified in the hippocampal formation and characterized in detail in the medial entorhinal cortex. Here we investigated speed-correlated firing in the hippocampus. We show that CA1 has speed cells that are stable across contexts, position in space, and time. Moreover, their speed-correlated firing occurs within theta cycles, independently of theta frequency. Interestingly, a physiological classification of cell types reveals that all CA1 speed cells are inhibitory. In fact, while speed modulates pyramidal cell activity, only the firing rate of interneurons can accurately predict locomotion speed on a sub-second timescale. These findings shed light on network models of navigation.
Classification of dentate spikes based on their waveforms
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2023-09-06) Santiago, Rodrigo Marques de Melo; Tort, Adriano Bretanha Lopes; https://orcid.org/0000-0002-9877-7816; http://lattes.cnpq.br/3181888189086405; https://orcid.org/0000-0001-8112-5494; http://lattes.cnpq.br/1741093993574099; Belchior, Hindiael Aeraf; https://orcid.org/0000-0002-6898-3985; http://lattes.cnpq.br/2815729240392635; Aguiar, Cleiton Lopes; Barbosa, Flavio Freitas; Moioli, Renan Cipriano
Descargas excitatórias síncronas do córtex entorrinal (CE) para o giro denteado (GD) geram padrões rápidos e proeminentes no potencial de campo local (PCL) do hilo, chamados de espículas denteadas (EDs). Assim como o complexo de ondulações rápidas em onda lenta aguda na região CA1, as EDs ocorrem mais provavelmente em estados comportamentais de quietude, quando acredita-se ocorrer a consolidação de memórias. No entanto, seu papel nos processos mnemônicos ainda não foi elucidado. A classificação das EDs em tipos 1 ou 2 é determinada por sua origem no CE lateral ou medial, conforme revelado pela análise de densidade de fonte de corrente (DFC), que requer registros a partir de sondas lineares com múltiplos eletrodos abrangendo as camadas do GD. De modo a permitir a investigação do papel funcional de cada tipo de ED em dados obtidos a partir de registros de eletrodo único e tetrodo, que são abundantes no campo, desenvolvemos um método não supervisionado usando modelos de misturas gaussianas para classificar tais eventos com base em suas formas de onda. Nossa abordagem de classificação alcançou alta acurácia (> 80%) quando validada em 8 camundongos com perfis laminares do GD. As medidas das DFCs médias, dos perfis das formas de onda, das taxas e das larguras dos tipos de ED obtidos por meio de nosso método se assemelharam àquelas derivadas da classificação baseada em DFC. Como uma aplicação, usamos a técnica para analisar PCLs de eletrodos únicos de camundongos inseridos com os genes que expressam a apolipoproteína (apo) E3 e a apoE4. Observamos que este último grupo, que serve de modelo para a doença de Alzheimer, exibiu EDs de ambos os tipos mais amplas desde tenra idade, com um tamanho de efeito maior para as EDs do tipo 2, provavelmente refletindo alterações patofisiológicas precoces na rede CE-GD, como hiperatividade. Além da aplicabilidade do método na expansão do estudo dos tipos de ED, nossos resultados mostram que suas formas de onda carregam informação sobre suas origens, sugerindo diferentes dinâmicas de rede subjacentes e funções no processamento de memórias.
Communication subspace dynamics of the canonical olfactory pathway
(2024-12) Gonzalez, Joaquín; Torterolo, Pablo; Bolding, Kevin A.; Tort, Adriano Bretanha Lopes
Understanding how different brain areas communicate is crucial for elucidating the mechanisms underlying cognition. A possible way for neural populations to interact is through a communication subspace, a specific region in the state-space enabling the transmission of behaviorally relevant spiking patterns. In the olfactory system, it remains unclear if different populations employ such a mechanism. Our study reveals that neuronal ensembles in the main olfactory pathway (olfactory bulb to olfactory cortex) interact through a communication subspace, which is driven by nasal respiration and allows feedforward and feedback transmission to occur segregated along the sniffing cycle. Moreover, our results demonstrate that subspace communication depends causally on the activity of both areas, is hindered during anesthesia, and transmits a low-dimensional representation of odor
Communication through coherence by means of cross-frequency coupling
(Elsevier, 2020-09) González, Joaquín; Cavelli, Matias; Mondino, Alejandra; Rubido, Nicolás; Tort, Adriano Bretanha Lopes; Torterolo, Pablo
The theory of communication through coherence (CTC) posits the synchronization of brain oscillations as a key mechanism for information sharing and perceptual binding. In a parallel literature, hippocampal theta activity (4 - 10 Hz) has been shown to modulate the appearance of neocortical fast gamma oscillations (100 - 150 Hz), a phenomenon known as cross-frequency coupling (CFC). Even though CFC has also been previously associated with information routing, it remains to be determined whether it directly relates to CTC. In particular, for the theta-fast gamma example at hand, a critical question is to know if the phase of the theta cycle influences gamma synchronization across the neocortex. To answer this question, we combined CFC (modulation index) and CTC (phase-locking value) metrics in order to detect the modulation of the cross-regional high-frequency synchronization by the phase of slower oscillations. Upon applying this method, we found that the inter-hemispheric synchronization of neocortical fast gamma during REM sleep depends on the instantaneous phase of the theta rhythm. These results show that CFC is likely to aid long-range information transfer by facilitating the synchronization of faster rhythms, thus consistent with classical CTC views
Contribuições para o estudo do código neural
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2015-02-25) Santos, Vitor Lopes dos; Ribeiro, Sidarta Tollendal Gomes; Tort, Adriano Bretanha Lopes; ; http://lattes.cnpq.br/3181888189086405; ; http://lattes.cnpq.br/0649912135067700; ; http://lattes.cnpq.br/6484208511184541; Lima, Bruss Rebouças Coelho; ; http://lattes.cnpq.br/5980898319479714; Mohan, Madras Viswanathan Gandhi; ; http://lattes.cnpq.br/1995273890709490; Moraes, Márcio Flávio Dutra; ; http://lattes.cnpq.br/3132451355090021; Leão, Richardson Naves; ; http://lattes.cnpq.br/0683942077872227
Os recentes avanços técnicos das duas últimas décadas para o registro de sinais neuroeletrofisiológicos foram essenciais para que se testassem hipóteses há muito propostas acerca de como células nervosas processam e armazenam informação. No entanto, ao permitir maior detalhamento dos dados coletados, as novas tecnologias levam inevitavelmente ao aumento de sua complexidade estatística e, consequentemente, à necessidade de novas ferramentas matemático-computacionais para sua análise. Nesta tese, apresentamos novos métodos para a análise de dois componentes fundamentais nas atuais teorias da codificação neural: (1) assembleias celulares, definidas pela co-ativação de subgrupos neuronais; e (2) o padrão temporal de atividade de neurônios individuais. Em relação a (1), desenvolvemos um método baseado em análise de componentes independentes para identificar e rastrear padrões de co-ativação significativos com alta resolução temporal. Superamos limitações de métodos anteriores, ao efetivamente isolar assembleias e abrir a possibilidade de analisar simultaneamente grandes populações neuronais. Em relação a (2), apresentamos uma nova técnica para a extração de padrões de atividade em trens de disparo baseada na decomposição wavelet. Demonstramos, por meio de simulações e de aplicação a dados reais, que nossa ferramenta supera as mais utilizadas atualmente para decodificar respostas de neurônios e estimar a informação de Shannon entre trens de disparos e estímulos externos.
Coordenação de ritmos sensório-motores durante comportamento exploratório em ratos
(2016-08-17) Alves, Joseph Andrews Belo; Laplagne, Diego Andres; ; http://lattes.cnpq.br/0293416967746987; ; http://lattes.cnpq.br/2208463804201457; Tort, Adriano Bretanha Lopes; ; http://lattes.cnpq.br/3181888189086405; Barbosa, Flávio Freitas; ; http://lattes.cnpq.br/3611261597113820
Ao explorar ativamente o ambiente, ratos exibem comportamentos sensório-motores rítmicos com frequência na faixa teta (5-10 Hz). Dentre esses estão o sniffing (respiração ativa e rápida), o whisking (movimento das vibrissas faciais) e as vocalizações ultrassônicas. Estudos recentes mostraram formas de sincronicidades entre tais ritmos: a protração e retração das vibrissas estão associadas em fase, respectivamente, à inalação e exalação respiratória; a constrição das cordas vocais necessária para a produção vocal, por sua vez, está condicionada à fase exalante do sniffing e de retração do whisking. Embora essas e outras observações indiquem uma interação entre ritmos e geradores de padrões no tronco encefálico aos quais são atribuídos os movimentos orais, faciais e respiratórios. Com o intuito de adquirir melhor compreensão acerca das hierarquias concernentes aos circuitos neurais envolvidos em tais atividades, nós gravamos simultaneamente o whisking, sniffing e as vocalizações em ratos durante livre exploração social. Para este propósito, oito eletrodos foram inseridos cirurgicamente para a aquisição de sinais eletromiográficos bilaterais dos músculos que controlam as vibrissas e uma cânula foi implantada por meio de uma perfuração no osso nasal para o registro do ciclo respiratório. Após recuperação e habituação, dois ratos (um implantado e outro de estímulo) foram posicionados sobre duas plataformas separadas por uma fenda onde possibilitava a exploração mútua dos animais. Esses episódios foram filmados através de uma câmera de alta velocidade (250 Hz) para a captura dos movimentos das vibrissas. As vocalizações ultrassônicas foram detectadas por um microfone suspenso. Nós conduzimos análises de fase e frequência para validar os sinais registrados e caracterizar as ações recíprocas entre esses ciclos em contextos sociais. Os resultados confirmaram que ambos o whisking e o sniffing ocorrem em turnos nas frequências teta durante exploração social. Além disso, a esperada relação em anti-fase entre os sinais dos grupos musculares que controlam a protração e retração das vibrissas assim como a forte sincronia com o ciclo respiratório foram observadas. Interessantemente, nossos dados sugerem que esta sincronia é imediatamente dissipada durante a emissão de vocalizações ultrassônicas. Em vez disso, nós presenciamos um novo comportamento de whisking, que consiste em retração e protração ativas e independentes do ciclo respiratório.
Corticalização de memória dependente do hipocampo durante o sono REM - Investigando as janelas temporais precoce (0 - 3 h) e tardia (8 - 16 h) após o aprendizado
(2019-02-25) Almeida Filho, Daniel Gomes de; Ribeiro, Sidarta Tollendal Gomes; ; ; Tort, Adriano Bretanha Lopes; ; Sameshima, Koichi; ; Moraes, Márcio Flávio Dutra; ; Pereira, Rodrigo Neves Romcy;
Sono e memória são dois aspectos essenciais na vida da maioria dos seres vivos. Durante o sono, nossos músculos e nossos órgãos internos repousam, o gasto de energia é reduzido, nosso sistema imunológico é recuperado e os metabólitos produzidos nos nossos cérebros durante a vigília são expurgados; todas atividades necessárias na preparação do nosso corpo para o próximo dia de experiências. Simultaneamente, a memória é uma função cognitiva que nos permite caracterizar padrões, armazená-los, construir e desenvolver ideias e definir quem somos. Curiosamente, as últimas décadas de pesquisa levaram à noção de que esses dois importantes processos fisiológicos podem andar de mãos dadas; ou seja, que a função do sono na memória não é meramente limpar informações desnecessárias e ajudar passivamente aumentando a relação sinal-ruído. As novas evidências sugerem um protagonismo do sono em trabalhar ativamente no processamento de memória. Além do abundante conjunto de evidências implicando uma fase específica do sono chamada de sono não-REM (movimento ocular rápido, do inglês rapid eye movement – REM) na consolidação da memória, o presente trabalho se concentra no entendimento do mecanismo pelo qual o sono REM beneficia o processamento de memória dependente do hipocampo. Fizemos uma extensa revisão da literatura, projetamos, realizamos e analisamos experimentos visando avançar na compreensão do papel do sono REM no processo de fazer memórias dependentes do hipocampo persistirem e dependerem gradualmente de estruturas neocorticais (corticalização) ao longo do tempo. Nossos resultados indicam que existem janelas temporais especiais relacionadas ao sono REM que auxiliam na promoção da plasticidade e corticalização do traço de memória após o aprendizado, com atenção especial para uma janela precoce 3 a 4 horas após o treinamento, e uma tardia cerca de 12 horas depois. Mostramos evidências de uma interação entre o hipocampo e o córtex retrosplenial (duas regiões intimamente relacionadas ao processamento de memória) durante o sono REM, e que essa interação durante a janela precoce está correlacionada com a expressão da memória. Nós também exibimos evidências que sugerem que o aumento da expressão de genes relacionados à plasticidade sináptica durante o período tardio, que tem sido consistentemente implicados na persistência da memória, pode depender do sono REM. Ao todo, os resultados relatados no presente trabalho suportam a noção de que as janelas de sono REM após o treinamento são importantes para o processamento de memória offline e para a corticalização. Eles também sugerem que os mecanismos da ação do sono REM compreendem a interação entre regiões corticais e subcorticais relacionadas à memória, e promover a expressão gênica induzida pelo aprendizado necessária para a remodelação otimizada de redes corticais, a fim de introduzir novas experiências no cabedal de conhecimento preexistente.
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.
Detecting cell assemblies in large neuronal populations
(Elsevier, 2013-07) Lopes-dos-Santos, Vitor; Ribeiro, Sidarta Tollendal Gomes; Tort, Adriano Bretanha Lopes
Diazepam causes sedative rather than anxiolytic effects in C57BL/6J mice
(Springer Science and Business Media LLC, 2021-04-29) Reis, Marina Pádua; Ferreira, Diana Aline Nôga Morais; Tort, Adriano Bretanha Lopes; Blunder, Martina
Diazepam has been broadly accepted as an anxiolytic drug and is often used as a positive control in behavioral experiments with mice. However, as opposed to this general assumption, the effect of diazepam on mouse behavior can be considered rather controversial from an evidence point of view. Here we revisit this issue by studying the effect of diazepam on a benchmark task in the preclinical anxiety literature: the elevated plus maze. We evaluated the minute-by-minute time-course of the diazepam effect along the 10 min of the task at three different doses (0.5, 1 and 2 mg/kg i.p. 30 min before the task) in female and male C57BL/6J mice. Furthermore, we contrasted the effects of diazepam with those of a selective serotoninergic reuptake inhibitor (paroxetine, 10 mg/kg i.p. 1 h before the task). Diazepam had no anxiolytic effect at any of the tested doses, and, at the highest dose, it impaired locomotor activity, likely due to sedation. Noteworthy, our results held true when examining male and female mice separately, when only examining the first 5 min of the task, and when animals were subjected to one hour of restrain-induced stress prior to diazepam treatment. In contrast, paroxetine significantly reduced anxiety-like behavior without inducing sedative effects. Our results therefore suggest that preclinical studies for screening new anxiolytic drugs should be cautious with diazepam use as a potential positive control
Distinct features of fast oscillations in phasic and tonic rapid eye movement sleep
(2012-03-28) BRANKACˇ K, JURI J; SCHEFFZU¨ K, CLAUDIA; KUKUSHKA, VALERIY I .; VYSSOTSKI, ALEX E I L .; Tort, Adriano Bretanha Lopes; DRAGUHN, ANDREAS
Spatiotemporal activity patterns of neurones are organized by different types of coherent network oscillations. Frequency content and crossfrequency coupling of cortical oscillations are strongly state-dependent, indicating that different patterns of wakefulness or sleep, respectively, support different cognitive or mnestic processes. It is therefore crucial to analyse specific sleep patterns with respect to their oscillations, including interaction between fast and slow rhythms. Here we report the oscillation profile of phasic rapid eye movement (REM), a form of REM sleep which has been implicated in hippocampus-dependent memory processing. In all analysed frequency bands (theta, gamma and fast gamma, respectively) we find higher frequencies and higher power in phasic REM compared to tonic REM or wakefulness. Theta-phase coupling of fast oscillations, however, was highest in tonic REM, followed by phasic REM and wakefulness. Our data suggest different roles of phasic and tonic REM for information processing or memory formation during sleep.

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