Synchronization of frontal brain networks by the respiratory rhythm during exploratory behavior in rats

dc.contributor.advisorLaplagne, Diego Andres
dc.contributor.advisor-co1Tort, Adriano Bretanha Lopes
dc.contributor.advisor-co1IDhttps://orcid.org/0000-0002-9877-7816pt_BR
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3181888189086405pt_BR
dc.contributor.advisorIDhttps://orcid.org/0000-0001-5860-1667pt_BR
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/0293416967746987pt_BR
dc.contributor.authorAlves, Joseph Andrews Belo
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/2208463804201457pt_BR
dc.contributor.referees1Leão, Emelie Katarina Svahn
dc.contributor.referees2Pereira, Rodrigo Neves Romcy
dc.contributor.referees3Lima, Ramón Hypolito
dc.contributor.referees4Mourão, Rochele Vasconcelos Castelo Branco
dc.date.accessioned2024-11-18T20:31:32Z
dc.date.available2024-11-18T20:31:32Z
dc.date.issued2024-07-25
dc.description.abstractBreathing is a fundamental physiological process, yet its significance extends beyond cellular respiration. The rhythmic control of respiration has been associated with cognitive enhancement, increased self-awareness, and relaxation. However, how the breathing pattern relates to the brain and behavior remains unclear. Rodents synchronize sensorimotor rhythms to respiration during active sensing, such as head and whisker movements, suggesting that the breathing cycle could be relevant for environmental neural coding. Here, we characterize how the breathing cycle modulates frontal brain activity during active spontaneous behavior in rats investigating social and object stimuli. To do so, we looked for episodes in which the brain and breathing synchronize in these contexts, called respiratory-coupled oscillations (RCOs). We conducted our experiments in an apparatus composed of two opposing platforms separated by a gap (gap paradigm), where they could interact spontaneously with an object or social stimulus at different times. During the experiments, we simultaneously recorded video, intranasal pressure, and frontal brain electrical activity. First, we analyzed the behavioral variables by tracking the head positions over time to extract occupancy and head speed during resting and active states. During activity, animals were more prone to stay over the gap in social than object contexts. These events were characterized by rats guiding their heads toward the opposite platform while maintaining high respiratory rates (> 5 Hz) characteristic of active sniffing. We performed coherence analysis to measure RCOs in the local-field potentials of the olfactory bulb (OB) and medial-orbital (MO), pre-limbic (PRL), and anterior cingulate (CG) cortices. This revealed levels of coherence to breathing in all brain regions, both in resting and active states, with values generally decreasing from the anterior-most (OB) to the posterior-most regions (CG). Our results show that these areas are distinctly modulated by the breathing cycle across exploratory contexts. We conclude that the breathing cycle is relevant to rat exploratory behavior and that the RCOs could mediate the coordination between respiration, behavior, and cognition.pt_BR
dc.description.resumoA respiração é um processo fisiológico fundamental, mas sua relevância vai além da respiração a nível celular. O controle rítmico da respiração tem sido associado ao aprimoramento cognitivo, ao aumento da autoconsciência e ao relaxamento. No entanto, ainda não está claro como o padrão respiratório se relaciona com o cérebro e o comportamento. Os roedores sincronizam os ritmos sensório-motores com a respiração durante o sensoriamento ativo, como movimentos da cabeça e o batimento das vibrissas. Isso sugere que o ciclo respiratório pode ser relevante para a codificação neural do ambiente. Aqui, caracterizamos como o ciclo respiratório modula a atividade cerebral frontal durante o envolvimento do animal em estados ativos. Para tanto, procuramos episódios nos quais o cérebro e a respiração se sincronizam nesses contextos, nomeadas de oscilações acopladas à respiração (RCOs). Conduzimos os nossos experimentos em um aparato composto por duas plataformas opostas separadas por um vão (gap paradigm), onde eles poderiam interagir espontaneamente com objeto ou estímulo social em momentos diferentes. Durante os experimentos, registramos simultaneamente o comportamento dos ratos, a pressão intranasal e a atividade elétrica cerebral frontal. Primeiro, analisamos as variáveis comportamentais rastreando as posições da cabeça ao longo do tempo para extrair a ocupação espacial e a velocidade da cabeça durante os estados de repouso e ativo. Quando ativos, os animais estavam mais propensos a investigar o vão nos contextos sociais do que nos objetos. Esses eventos foram caracterizados por ratos guiando suas cabeças em direção à plataforma oposta exibindo altas frequências respiratórias (> 5 Hz). Também observamos episódios de investigação distantes do vão, principalmente na parede oposta a essa. Realizamos análise de coerência para identificar oscilações acopladas à respiração nos potenciais de campo local do bulbo olfatório (OB) e dos córtices orbital medial (MO), pré-límbico (PRL) e cingulado anterior (CG). Isso revelou níveis de coerência à respiração acima do acaso em todas as regiões do cérebro, tanto em repouso como em estado ativo, geralmente em valores decrescentes desde a região mais anterior (OB) para a região mais posterior (CG). Juntos, os nossos resultados mostram que essas áreas são moduladas de forma distinta pelo ciclo respiratório durante contextos exploratórios. Concluímos que o ciclo respiratório é relevante para o comportamento exploratório dos ratos e que as oscilações acopladas à respiração poderiam mediar a coordenação entre respiração, comportamento e cognição.pt_BR
dc.identifier.citationALVES, Joseph Andrews Belo. Synchronization of frontal brain networks by the respiratory rhythm during exploratory behavior in rats. Orientador: Dr. Diego Andrés Laplagne. 2024. 95f. Tese (Doutorado em Neurociências) - Instituto do Cérebro, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2024.pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/60653
dc.languagept_BRpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do Rio Grande do Nortept_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.initialsUFRNpt_BR
dc.publisher.programPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM NEUROCIÊNCIASpt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectBreathingpt_BR
dc.subjectRespiratory-coupled oscillationspt_BR
dc.subjectAnimal behaviorpt_BR
dc.subjectActive Sensingpt_BR
dc.subjectPrefrontal Cortexpt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::OUTROS::CIENCIASpt_BR
dc.titleSynchronization of frontal brain networks by the respiratory rhythm during exploratory behavior in ratspt_BR
dc.typedoctoralThesispt_BR

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