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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Several research lines show that sleep favors memory consolidation and learning. It has been proposed that the cognitive role of sleep is derived from a global scaling of synaptic weights, able to homeostatically restore the ability to learn new things, erasing memories overnight. This phenomenon is typical of slow-wave sleep (SWS) and characterized by non-Hebbian mechanisms, i.e., mechanisms independent of synchronous neuronal activity. Another view holds that sleep also triggers the specific enhancement of synaptic connections, carrying out the embossing of certain mnemonic traces within a lattice of synaptic weights rescaled each night. Such an embossing is understood as the combination of Hebbian and non-Hebbian mechanisms, capable of increasing and decreasing respectively the synaptic weights in complementary circuits, leading to selective memory improvement and a restructuring of synaptic configuration (SC) that can be crucial for the generation of new behaviors ( insights ). The empirical findings indicate that initiation of Hebbian plasticity during sleep occurs in the transition of the SWS to the stage of rapid eye movement (REM), possibly due to the significant differences between the firing rates regimes of the stages and the up-regulation of factors involved in longterm synaptic plasticity. In this study the theories of homeostasis and embossing were compared using an artificial neural network (ANN) fed with action potentials recorded in the hippocampus of rats during the sleep-wake cycle. In the simulation in which the ANN did not apply the long-term plasticity mechanisms during sleep (SWS-transition REM), the synaptic weights distribution was re-scaled inexorably, for its mean value proportional to the input firing rate, erasing the synaptic weights pattern that had been established initially. In contrast, when the long-term plasticity is modeled during the transition SWSREM, an increase of synaptic weights were observed in the range of initial/low values, redistributing effectively the weights in a way to reinforce a subset of synapses over time. The results suggest that a positive regulation coming from the long-term plasticity can completely change the role of sleep: its absence leads to forgetting; its presence leads to a positive mnemonic change 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

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES 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. Songbirds are considered one of the best animal models to investigate the neurobiological basis of vocal learning. As in humans, these animals have distinct phases for vocal learning that are influenced by social and motor experiences. More specifically, social deprivation in songbirds can generate deficits in the individual's vocal production, whereas singing prevention delays vocal maturation. However, it is not completely clear whether limited experience during development can affect the animal's auditory discrimination abilities, a well-known phenomenon in humans. To address this question, we manipulate social and motor practice experiences in zebra finches, the most widely used songbird species. We first confirmed that our manipulation altered vocal learning, without grossly affecting development. More precisely, socially deprived animals showed abnormal songs, typical of animals lacking a song model. In contrast, juvenile animals where singing practice was limited continued to produce immature vocalizations as adults. Notably, behavioral experiments demonstrated that control animals, i.e., animals with normal social experiences, showed a lower performance in auditory discrimination tasks compared to isolated and juvenile animals. Conversely, sing-limited did not differ from control birds. These results suggest that early development auditory experiences may influence the discriminatory capacity in adult zebra finches, while vocal practice appears to have little influence in the performance of adult birds. That is, birds that are exposed to normal social experiences during postnatal development may have diminished ability to discriminate conspecific songs. Such interpretation is in agreement with the increased specificity observed in auditory neurons, and would parallel the perceptual losses observed during speech acquisition in humans.

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. Non-coding RNAs are molecules that play decisive roles in several types of gene regulation. Identifying them is necessary for understanding the genetics of a species. Several factors, such as: low level of expression, the broad spectrum of subtypes, diverse attributes, heterogeneous functions and absence of homology between species; make the detection of ncRNAs genes a challenge. The latest bioinformatics strategies for detecting ncRNA genes have tried to identify their locations in the genomes and their secondary structures, using covariance models and artificial intelligence. The co-expression of these genes has been computationally analyzed in order to reveal their functional annotations. However, there is no consensus on which metrics and parameters to use in the process of predicting the functions of these molecules. In organisms little known, such as Arapaima gigas, the lack of reference information increases the difficulty. Additionally, even for known long non-coding RNAs, there is little functional information, which makes it difficult to explain the roles of these genes. In this work, we describe a software for discovering the non-coding genes, including their diverse types, and their functions in eukaryotic genomes. It was validated by annotating a model species (Mus musculus) and then used to explore the landscape of ncRNA in Arapaima gigas. Comparing the similarity between the functions of co-expressed genes allowed us to define confidence levels for the metrics that measure co-expression, and thus, develop a pipeline for predicting lncRNA functions, which includes metrics for non-linear correlations. The described software suite made 63307 non-coding annotations in A. gigas, including 11 types of ncRNA and 4 types of cis-regulatory regions. Of these annotations, only 706 are similar to ncRNAs already known in other species and the remaining were never described before. The exploratory analysis of lncRNA also revealed 19854 tissue specific lncRNAs and 256 lncRNAs ubiquitously expressed. Predicting the functions of these molecules revealed RNAs involved in skin pigmentation, sex differentiation, growth and defense against tumors.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES 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. The hippocampus has been linked to memory encoding and spatial navigation, while the prefrontal cortex is associated with cognitive functions such as decision-making. These regions are hypothesized to communicate in tasks that demand both spatial navigation and decision-making processes. However, the electrophysiological signatures underlying this communication remain to be better elucidated. To investigate the dynamics of the hippocampal-prefrontal interactions, we have analyzed local field potentials and spikes recorded from rats performing an odor-cued spatial alternation task in an 8-shaped maze. We found that the phase coherence of both theta (6-10 Hz) and beta (23-30 Hz) peaked around the choice point area of the maze. Moreover, Granger causality revealed a hippocampus->prefrontal cortex directionality of information flow at theta frequency, peaking at starting areas of the maze, and on the reverse direction at delta frequency, peaking near the turn onset. Additionally, the patterns of phaseamplitude cross-frequency coupling within and between the regions showed spatial selectivity. Lastly, we found that the theta rhythm dynamically modulated neurons in both regions; interestingly, prefrontal cortex neurons were more strongly modulated by the hippocampal theta rhythm than by its LFP. In all, our results reveal maximum electrophysiological interactions between the hippocampus and the prefrontal cortex near the decision-making period of the spatial alternation task. These results corroborate the hypothesis that a dynamic interplay between these regions takes place during spatial decisions.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) 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. Data science is historically a complex field, not only because of the huge amount of data and its variety of formats, but also because the necessity of collaboration between several specialists to retrieve valuable information. In this context, we created Bio-DIA, an online software to build data science workflow process focused in the integration of data and algorithms. Bio-DIA also facilitates the reusability of information/results obtained in previous process without the need of specific skills from the computer science field. The software was created with Angular at the front-end, Django at the back-end together with Spark to handle and process a variety of big data formats. The workflow/project is specified through XML file. Bio-DIA application facilitated the collaboration among users, allowing researcher ́ s groups to share data, scripts and information.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES 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. Edward Tolman postulou a existência de mapas cognitivos no cérebro para explicar a capacidade animal de navegar pelo espaço. Desde então, neurocientistas buscam descrever componentes cerebrais que suportam essa capacidade. No presente trabalho, descrevemos avanços na caracterização de uma sub-população neural que participa na representação da velocidade escalar na locomoção de ratos. Através da análise de um banco de dados aberto, nós re-descobrimos a existência do correlato de velocidade na taxa de emissão de potenciais de ação de neurônios da região CA1 do hipocampo dorsal de ratos. Essa correlação é independente da frequência da oscilação de theta (4-12 Hz) e é estável através do espaço e tempo; além disso, essa correlação persiste em diferentes arenas. A classificação de neurônios entre prováveis excitatórios ou inibitórios revelou que, ao utilizar o coeficiente r de Pearson (índice de velocidade) como métrica de representação de velocidade nos neurônios, somente neurônios inibitórios apresentaram-se como altamente correlacionados com a velocidade na arena quadrada, embora os neurônios excitatórios apresentem uma modulação na média da taxa de emissão de potenciais de ação. Intrigantemente, na arena linear a mesma métrica tornou indistinguiveis as classificações neurais pela correlação com a velocidade. Então, formulamos a hipótese que a aparente correlação com a velocidade dos neurônios excitatórios na arena linear é espúria – um subproduto da correlação de velocidade com o espaço. Para testar essa hipótese, simulei neurônios artificiais que emitem potenciais de ação influenciados pelo comportamento locomotor do animal; essas simulações codificam velocidade ou espaço. As simulações replicaram a classificação pelo índice de velocidade encontrados nos dados reais – ou seja, código de posição não correlaciona com velocidade na arena quadrada mas sim na arena linear. Para solucionar essa interdependência etológica, nós adotamos uma nova métrica de correlação com a velocidade: a razão da diferença da acurácia de predição dos modelos linear-não-linear baseados em velocidade e posição sobre a acurácia de predição do modelo das duas variáveis. Essa análise resolveu o problema etológico, classificou satisfatoriamente as simulações e confirmou a hipótese da correlação espúria na arena linear e a prevalencia da correlação nos neurônios inibitórios. Os resultados deste trabalho demonstra uma correlação genuina da velocidade de locomoção nos neurônios inibitórios na área CA1 do hipocampo dorsal de ratos.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES 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. With the advent of new sensors, the amount of data being analyzed has increased more than the ability to process them in real time. If we consider joining data from different sensors to display simultaneously, it becomes a complicated task to perform using conventional visualization algorithms and techniques. In this work, we explore methods to process data in real time and visualize multivariate massive data within interactive time using Geosciences as background. The use of several devices and methods are part of the daily activities of this knowledge niche and both faster processing and interactive visualization bring new analysis and interpretation possibilities of these massive datasets.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) 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. Sleep is a behavior that occurs in several taxa of the animal kingdom, suggesting that sleep emerged primarily in the evolutionary chain of metazoans. Despite being a widely studied behavior in vertebrates, mainly mammals and birds, it is known that some invertebrates also present this quiescence state. Octopus is one of the invertebrates in which this behavior is expressed in a complex way, with electrophysiological records showing that brain activity increases when the animal is resting. However, these data were observed only in 4 Octopus vulgaris, due to technical challenges of conducting electrophysiological records in the aquatic environment that make this type of experiment difficult. However, sleep studies can be performed using the behavioral criteria used to identify this state in vertebrates. Thus, this work aimed to investigate, classify and describe in detail the quiescence states observed in Octopus insularis and Octopus cf. vulgaris through comprehensive behavioral quantification using video recordings. In addition, to assess potential differences in the arousal threshold of each state, O. insularis were exposed to visual and vibratory stimuli during each identified sleep-wake state. The results showed that O. insularis and O. cf. vulgaris have conspicuous behavioral variations during quiescence. Some of them have been cited in the literature, such as presenting half-andhalf body pattern (QHH) and narrow or completely closed eye pupil (QCP). But other changes in the quiescent state have not been described yet: The change in body pattern to dark color (observed only in O. cf. vulgaris); one eye movement (QOEM) (observed in both species); and a REM-like sleep of vertebrates (QEMBPC) (observed only in O. insularis). In this last, occurs movement of both eyes while the animal changes the skin color and texture, accompanied by contractions of the body similar to muscular spasms and random movement of the suckers. The test to evaluate the arousal threshold of each state showed significant difference between the states, with the highest latency observed in the QEMBPC state, followed by the QPC, QHH and, finally, the alert, with the lowest arousal threshold. These results suggest the existence of different sleep states in the octopus, which makes the quiescence of this animal even more similar with the vertebrates sleep. For example, the "QCP" state appears to be analogous to slow wave sleep, while QEMBPC appears to be analogous to REM sleep. In addition, the QOEM state may be an evidence of uni-hemispheric sleep, which is an adaptation commonly observed in marine mammals and birds. Thus, this work suggests investigating whether, in addition to the behavioral similarities observed, the sleep of these cephalopods also have the same physiological functions that it performs in vertebrates. This will be possible with the improvement of techniques for conducting electrophysiology in the aquatic environment or without the use of wires, as well as by investigating immediate early genes that may be associated with the sleep of these animals.

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. Variations in the level of gene expression are among the main causes of phenotypic diversity in organisms, including the development of pathologies and response to drugs in humans. Non-coding RNAs (ncRNAs) play an important role in the complex mechanism of regulatory networks. Although not yet fully understood, two representatives of the ncRNAs emerge in recent researches as protagonists in the development of clinical conditions. They are the microRNAs (miRNAs) and the long intergenic non-coding RNAs (lincRNAs). Thus, the present work integrated public data to catalog the vast landscape of the regulatory effects of miRNAs and lincRNAs in the human genome. Through expression Quantitative Trait Loci (eQTL) analysis, variations that had a putative effect on gene expression were identified. Association networks were also created relating the eQTL analysis results to traits of clinical and/or pharmacological relevance. Through this, associations that may continue to arouse the interest of new studies involving the theme were revealed. Mental and coronary disorders, in addition to cancer, were the most evidenced traits in the study results.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) A zona subgranular (SGZ) do giro denteado (DG) é uma das poucas regiões do cérebro em que a neurogênese é mantida na fase adulta. Acredita-se que os neurônios recém-nascidos nesta região codifiquem informações temporais sobre memórias contextuais parcialmente sobrepostas. Sabe-se que diversas moléculas são capazes de interferir com o ciclo de produção destes neurônios. A 5-metoxi-N, N-dimetiltriptamina (5-MeO-DMT) é um composto natural capaz de induzir um poderoso estado psicodélico. Recentemente, foi observado que os análogos de N,N-Dimetiltriptamina (DMT) podem ser usados no tratamento de transtornos de humor. Devido à forte ligação entre alterações na neurogênese e transtornos do humor, testamos se a 5- MeO-DMT é capaz de aumentar a neurogênese no DG in vivo. No presente trabalho mostramos que uma única injeção intracerebroventricular de 5-MeO-DMT aumenta a proliferação celular no DG de camundongos, como evidenciado pela marcação por 5-bromo-2’-desoxiuridina (BrdU). Além disso, utilizando um animal transgênico que expressa Cre-recombinase dependente de tamoxifeno sob controle de promotor de doublecortin (DCX) para marcar as novas células granulares do DG, observamos que estas desenvolvem morfologia dendrítica mais complexa após a 5-MeO-DMT. Além disso, as novas células granulares apresentam potenciais de hiperpolarização (AHP) mais longos e um menor limiar de disparo quando comparado ao tratamento com 5-MeO-DMT. Nossos resultados mostram que o 5-MeO-DMT afeta a neurogênese e este efeito pode contribuir para as propriedades antidepressivas conhecidas dos compostos derivados da DMT. The subgranular zone (SGZ) of dentate gyrus (DG) is one of the few brain regions in which neurogenesis is maintained throughout adulthood. It is believed that newborn neurons in this region encode temporal information about partially overlapping contextual memories. The 5- Methoxy-N,N-dimethyltryptamine (5-MeO-DMT) is a naturally occurring compound capable of inducing powerful psychedelic states. Recently, it has been suggested that N,NDimethyltryptamine (DMT) analogues can be used in the treatment of mood disorders. Due to the strong link between altered neurogenesis and mood disorders, we tested whether 5-MeODMT is capable of increasing DG neurogenesis in vivo. We show that a single intracerebroventricular injection of 5-MeO-DMT increases cell proliferation in the DG, as evinced by 5-Bromo-2′-deoxyuridine (BrdU) staining. Moreover, using a transgenic mouse that expresses tamoxifen-dependent Cre recombinase under doublecortin (DCX) promoter control, we found that newborn DG granule cells have more complex dendritic morphology after 5-MeODMT. Moreover, newborn granule cells display longer afterhyperpolarization potentials (AHP) and lower action potential threshold when compared to 5-MeO-DMT treated. Our findings show that 5-MeO-DMT affects neurogenesis and this effect may contribute to the known antidepressant properties of DMT-derived compounds.

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. Gamma oscillation is present in several areas of the brain, such as the hippocampus, playing an important mechanism for memory functioning. We found several models capable of explaining the generation of the gamma oscillations and explain their two functionalities, that of synchronously grouping the synapses of the neurons and of selecting which neurons must trigger in each cycle of this synchronism. These functionalities impart a computational character of neural processing to this system, such as the separation of patterns and the formation of neural assemblies. However, the analysis of these existent models shows to be very sensitive to the variations of the cerebral activities, being strongly affected by variations and their layers of entrance, in order to appear not to have a good robustness, generating much variation of their frequency of exit, as in between these neurons. However, when considering an important part of the biological circuit not considered in previous studies, a fed-in inhibition network enabled us to create a new model. Based on the Izhikevich neuron model, we generated a new model with greater robustness to the variations in the input layer, as well as a reduced computational cost and proximity of the biological model. In the possession of this new model, it will be possible to create neural networks with greater capacity of neurons, with reduced computational cost, besides the possibility of analyzing the individual behavior in each neuron of the model.

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. Currently there are several tools proposed for analysis of Transcription Factors (TF), such as TFCheckpoint, JASPAR, SSTAR, GTRD, Enrichr. However, none of these tools offer a complete experience in assessing the reliability of TF, checking if an analyzed protein is a TF and its association with the target gene. Over time, numerous databases were built, all of them with rich information, but the intrinsic complexity of the data, the volume of information, problems of nomenclature of the genes and several other factors led these tools to do not offer a complete spectrum of analyses. On the other hand, working with a large volume of data requires advanced computer skills. However, the general public interested in analyzing these data are professionals from the biological areas, forming a barrier since the academic formation of this area does not offer in its curricular components programming disciplines. From this situation, this work aims to create a web tool exclusively for the analysis of TFs. In this way, the Transcription Factor Analysis Tools (TFAT) was conceived and developed, containing the integration of different databases and a set of scripts to manipulate this information, along with the crucial parameters defined by the user in the analysis. The core of this tool is the analysis to identify the key TFs in the modulation of gene transcription, namely the enrichment of the regulatory TFs of a user-submitted gene list, which through the components of the tool, consults its database, identifies the TFs that are associated with those genes and computes the p-value of enrichment. In addition, the tool verifies TF reliability, makes available predictions, and converts items from a list to the Entrez Gene's GeneID or Symbol. Another feature of this work is the use of TF reliability applied throughout the tool. This degree of reliability takes into account evidences from different databases, experiments, predictions and other characteristics of TFs. This reliability feature has a standard mode and a userdefined parameter mode, which allows full customization through filters in the queries and analysis control for the end user.

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. In humans, the processing of sound information allowed the appearance of speech and music. The pitch - which allows the melody of a song and prosody in spoken discourse - is one of these attributes. Pitch perception is a universal skill, however, just a few individuals are able to identify or produce a tone at a particular pitch without an external tonal reference, an ability known as the Absolute Pitch (AP). However, the neural mechanisms responsible for such ability are not yet fully understood. The present work has the objective to contribute to the understanding of the neural processes involved in the perception of pitch in AP possessors. In the first study, we evaluated AP prevalence in a local population of musicians (School of Music, UFRN). For this, we used psychophysical tools and a questionnaire. This first work showed that AP is not an "all-or-nothing" process, but rather that it has different levels of performance: from people that perform below chance, until it increases gradually to 100% of correct answers. While traditional thresholds (~85%) showed a prevalence of AP similar to that observed in musicians in Europe and the United States, the application of a statistical threshold resulted in the detection of a greater number of individuals with some degree of AP. In addition, we showed that AP possessors hit more the natural notes (those with the whitekeys of the piano) than those that are accidental (flat or sharp, i.e. the black keys of the piano). We also observed that AP possessors present an earlier onset of musical training. Finally, we showed that AP was more prevalent in a high proficiency group in comparison to the average proficiency group. In a second study, we used the auditory brainstem evoked potentials (ABR) to quantify the activation of brainstem nuclei in the processing of heights of individuals with OA. In this work, we showed that sustained responses (but not the transient ones) present a higher energy in individuals with AP than in control musicians. We also found that the amplitude of this sustained response correlates with the reaction time in a pitch naming test. These results suggest that individuals with AP have an increased refinement in the processing of acoustic information in the early stages of auditory processing, which would thus contribute to a greater automation of pitch identification. We believe that this thesis will contribute to the understanding of the relationship between nervous system development and musical learning, thus contributing to the development of new music teaching techniques and training programs.

A segmentação precisa de tecidos pulmonares é de grande importância em várias tarefas de diagnóstico. Um simples e rápido algoritmo para segmentação de tecidos pulmonares é proposto aqui. O método combina várias operações simples de processamento de imagem para alcançar a segmentação final e pode ser dividido em dois problemas. O primeiro é a segmentação pulmonar, que consiste na identificação de regiões como fundo, traqueia, veias, pulmões esquerdo e direito, que é um processo dificultado pela presença de ruído, artefatos, baixo contraste, e doenças e remoções cirúrgicas. O segundo é a segmentação dos lóbulos pulmonares, onde o pulmão esquerdo deve ser dividido em dois lóbulos, superior e inferior, e o pulmão direito deve ser dividido em três lóbulos, superior, inferior e médio. Essa segundo problema é dificultado devido ao fato de que a membrana que separa os lóbulos, a pleura visceral, ser muito delicada e não ser claramente visível nos exames de tomografia computadorizada, além da ocorrência de procedimentos de lobectomia (remoção cirúrgica de lóbulos), doenças que degradam a qualidade da imagem, ou ruído na aquisição da imagem. Ambos os métodos foram desenvolvidos de forma a tornar todo o procedimento automático, tendo bons resultados já publicados na área de segmentação pulmonar, utilizando a metodologia de teste do desafio de sementação de pulmões LOLA11. The accurate segmentation of pulmonary tissue is of great importance for several diagnostic tasks. A simple and fast algorithm for performing lung segmentation is proposed here. The method combines several simple image processing operations to achieve the nal segmentation and can be divided into two problems. The srt is the lung segmentation, that identi es regions such as backgroung, trachea, vessels, and left and right lungs, and it is complicated by the presence of noise, artifacts, low contrast and diseases. The second is the lobe segmentation, where the left lung is divided into two lobes, the upper and lower lobes, and the right into three lobes, the upper, middle and lower lobes. This second problem is harder due to the fact that the membranes dividing the lobes, the pleurae, are very thin and are not clearly visualized in the computerized tomography exams, besides the possible occurence of lobectomies (surgical lobe removal), diseases that may degrade the image qulaity, or noise during image acquisition. Both methods were developed in order to produce an authomatic method, and we have already produced results similar to the ones produced by other studies for the rst problem, using the testing methodology of the lung segmentation challenge LOLA11.

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. The aims of this thesis were to investigate behavioral and electrophysiological patterns associated to resilience and susceptibility to social stress in mice. For this, we used a chronic social defeat stress protocol based on the resident-intruder paradigm. The results are presented here in two studies. In the first study, C57BL/6J mice submitted to repeated social defeat episodes showed delayed motivation to interact with an unfamiliar conspecific in long duration (10 min) sessions of the social interaction test. By using an ethological approach combined with computational video analysis, it was possible to track precisely the mouse position during social investigation behavior performance. With that approach, it was analyzed the detailed expression of defensive behaviors, such as stretched attended postures and flights, both associated to social investigation behaviors. From these analyzes, it was demonstrated that social investigation behaviors based on stretched attend postures were significantly higher in defeated mice in comparison to controls. Still, a subpopulation of defeated mice showed persistently and non-habituating stretched attend postures during social investigation. By using a measure based on the investigation distance during social investigations, it was possible to compute an approach index (AI) to each animal and separate a subpopulation showing an anxiety-related phenotype. The flight incidence was also increased in defeated group as compared with controls. The persistent occurrence of this behavior was observed in a subpopulation of defeated mice. We calculated a flight index (FI) that inversely correlated with sucrose preference, showing to be useful to identify anhedonic animals. In the second study, we combined ethological approach and electrophysiological recordings in the ventral tegmental area of mice submitted to chronic social defeat stress. By using electrophysiological and pharmacological criteria, single-units recorded from the ventral tegmental area were classified as putative dopaminergic and non-dopaminergic neurons. During the social investigation behavior it was observed that firing rate modulations of distinct neuronal subpopulations occurred in opposite manner in social defeat susceptible and resilient mice. In summary, this work proposes that longer sessions of the social interaction test associated to ethological approach can provide information for the behavioral classifications of resilient and susceptible mice after social defeat stress. Furthermore, the expression of susceptible phenotype could be related to the midbrain dopaminergic system impairment in the incentive value assignment to social interactions normally associated with increased mesolimbic neuronal activity.

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. The fluorescent proteins are an essential tool in many fields of biology, since they allow us to watch the development of structures and dynamic processes of cells in living tissue, with the aid of fluorescence microscopy. Optogenectics is another technique that is currently widely used in Neuroscience. In general, this technique allows to activate/deactivate neurons with the radiation of certain wavelengths on the cells that have ion channels sensitive to light, at the same time that can be used with fluorescent proteins. This dissertation has two main objectives. Initially, we study the interaction of light radiation and mice brain tissue to be applied in optogenetic experiments. In this step, we model absorption and scattering effects using mice brain tissue characteristics and Kubelka-Munk theory, for specific wavelengths, as a function of light penetration depth (distance) within the tissue. Furthermore, we model temperature variations using the finite element method to solve Pennes’ bioheat equation, with the aid of COMSOL Multiphysics Modeling Software 4.4, where we simulate protocols of light stimulation tipically used in optogenetics. Subsequently, we develop some computational algorithms to reduce the exposure of neuron cells to the light radiation necessary for the visualization of their emitted fluorescence. At this stage, we describe the image processing techniques developed to be used in fluorescence microscopy to reduce the exposure of the brain samples to continuous light, which is responsible for fluorochrome excitation. The developed techniques are able to track, in real time, a region of interest (ROI) and replace the fluorescence emitted by the cells by a virtual mask, as a result of the overlay of the tracked ROI and the fluorescence information previously stored, preserving cell location, independently of the time exposure to fluorescent light. In summary, this dissertation intends to investigate and describe the effects of light radiation in brain tissue, within the context of Optogenetics, in addition to providing a computational tool to be used in fluorescence microscopy experiments to reduce image bleaching and photodamage due to the intense exposure of fluorescent cells to light radiation.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq 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. Nicotine administration in humans and rodents enhances memory and attention, and also has a positive effect in Alzheimer's Disease. The Medial Septum / Diagonal Band of Broca complex (MS/DBB) – a main cholinergic system – massively projects to the hippocampus through the fimbria-fornix, and this pathway is called the septohippocampal pathway. It has been demonstrated that the MS/DBB acts directly on the local field potential (LFP) rhythmic organization of the hippocampus, especially in the rhythmogenesis of Theta (4-8Hz) – an oscillation intrinsically linked to hippocampus mnemonic function. In vitro experiments gave evidence that nicotine applied to the MS/DBB generates a local network Theta rhythm within the MS/DBB. Thus, the present study proposes to elucidate the function of nicotine in the MS/DBB on the septo-hippocampal pathway. In vivo experiments compared the effect of MS/DBB microinfusion of saline (n=5) and nicotine (n=8) on Ketamine/Xylazine anaesthetized mice. We observed power spectrum density in the Gamma range (35 to 55 Hz) increasing in both structures (Wilcoxon Rank-Sum test, p=0.038) but with no change in coherence between these structures in the same range (Wilcoxon Rank-Sum test, p=0.60). There was also a decrease in power of the ketamineinduced Delta oscillation (1 to 3 Hz). We also performed in vitro experiments on the effect of nicotine on membrane voltage and action potential. We patch-clamped 22 neurons in current-clamp mode; 12 neurons were responsive to nicotine, half of them increased firing rate and other 6 decreased, and they significantly differed in action potential threshold (-47.3±0.9 mV vs. -41±1.9 mV, respectively, p=0.007) and halfwidth time (1.6±0.08 ms vs. 2±0.12 ms, respectively, p=0.01). Furthermore, we performed another set of in vitro experiments concerning the connectivity of the three major neuronal populations of MS/DBB that use acetylcholine, GABA or glutamate as neurotransmitter. Paired patch-clamp recordings found that glutamatergic and GABAergic neurons realize intra-septal connections that produce sizable currents in MS/DBB postsynaptic neurons. The probability of connectivity between different neuronal populations gave rise to a MS/DBB topology that was implemented in a realistic model, which corroborates that the network is highly sensitive to the generation of Gamma rhythm. Together, the data available in the full set of experiments suggests that nicotine may act as a cognitive enhancer, by inducing gamma oscillation in the local circuitry of the MS/DBB.

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. We propose in this work, a new method of conceptual organization of areas involving assistive technology, categorizing them in a logical and simple manner; Furthermore, we also propose the implementation of an interface based on electroculography, able to generate high-level commands, to trigger robotic, computer and electromechanical devices. To validate the eye interface, was developed an electronic circuit associated with a computer program that captured the signals generated by eye movements of users, generating high-level commands, able to trigger an active bracing and many other electromechanical systems. The results showed that it was possible to control many electromechanical systems through only eye movements. The interface is presented as a viable way to perform the proposed task and can be improved in the signals analysis in the the digital level. The diagrammatic model developed, presented as a tool easy to use and understand, providing the conceptual organization needs of assistive technology