Phase transitions and nonlinear phenomena in neuronal network models

Communication and cooperation between billions of neurons underlie the power of the brain. How do complex functions of the brain arise from its cellular constituents? How do groups of neurons self-organize into patterns of activity? These are crucial questions in neuroscience. In order to answer them, it is necessary to have solid theoretical understanding of how single neurons communicate at the microscopic level, and how cooperative activity emerges. In this thesis we aim to understand how complex collective phenomena can arise in a simple model of neuronal networks. We use a model with balanced excitation and inhibition and complex network architecture, and we develop analytical and numerical methods for describing its neuronal dynamics. We study how interaction between neurons generates various collective phenomena, such as spontaneous appearance of network oscillations and seizures, and early warnings of these transitions in neuronal networks. Within our model, we show that phase transitions separate various dynamical regimes, and we investigate the corresponding bifurcations and critical phenomena. It permits us to suggest a qualitative explanation of the Berger effect, and to investigate phenomena such as avalanches, band-pass filter, and stochastic resonance. The role of modular structure in the detection of weak signals is also discussed. Moreover, we find nonlinear excitations that can describe paroxysmal spikes observed in electroencephalograms from epileptic brains. It allows us to propose a method to predict epileptic seizures. Memory and learning are key functions of the brain. There are evidences that these processes result from dynamical changes in the structure of the brain. At the microscopic level, synaptic connections are plastic and are modified according to the dynamics of neurons. Thus, we generalize our cortical model to take into account synaptic plasticity and we show that the repertoire of dynamical regimes becomes richer. In particular, we find mixed-mode oscillations and a chaotic regime in neuronal network dynamics.

Osteossarcoma, quimioterapia HDMTX e reflexos laboratoriais

O osteossarcoma ou sarcoma osteogénico (OS) é o tumor maligno primário mais comum de origem óssea que ocorre em crianças e adultos jovens. Este tumor surge a partir de células mesenquimais e é histologicamente caracterizado pela presença de células fusiformes e formação aberrante de osteóide. A incidência desta neoplasia apresenta uma distribuição bimodal, com um primeiro pico na adolescência e um segundo pico a ocorrer entre a 6ª e a 7ª década de vida. A maioria dos pacientes apresenta doença localizada à data do diagnóstico, e destes, aproximadamente 15 a 20% apresentam metástases detectáveis, em especial, pulmonares. A abordagem terapêutica ao OS engloba quimioterapia pré-operatória (neoadjuvante) seguida de ressecção cirúrgica do tumor primário e de todas as metástases visíveis e de quimioterapia pós-operatória (adjuvante). Historicamente, muitos agentes foram testados e usados no tratamento do OS, mas desde os anos 90 até à actualidade, o esquema de tratamento baseia-se na utilização de três agentes: Metotrexato (MTX), Doxorrubicina (A) e Ciclofosfamida (P), podendo ou não ser incluído um 4º agente, a Ifosfamida (I) ou o Ectopósido (E). Para surtir efeito, o MTX é administrado em alta dose, habitualmente de 12g/m2, podendo ir até 20g/m2, apresentando vários efeitos adversos. Como tal, outros agentes quimioterápicos têm sido testados, assim como outros tipos de tratamento e alvos, com o intuito de melhorar a performance e a sobrevida sem recorrência. A identificação de biomarcadores que permitam o diagnóstico, prognóstico e monitorização da terapia tem sido outra das principais linhas de investigação relacionadas com o OS. O objetivo deste trabalho centra-se na revisão da importância do tratamento neoadjuvante enquanto fator prognóstico do OS, e da monitorização laboratorial na utilização do MTX por forma a evitar efeitos secundários.

Osteossarcoma, quimioterapia HDMTX e reflexos laboratoriais

O osteossarcoma ou sarcoma osteogénico (OS) é o tumor maligno primário mais comum de origem óssea que ocorre em crianças e adultos jovens. Este tumor surge a partir de células mesenquimais e é histologicamente caracterizado pela presença de células fusiformes e formação aberrante de osteóide. A incidência desta neoplasia apresenta uma distribuição bimodal, com um primeiro pico na adolescência e um segundo pico a ocorrer entre a 6ª e a 7ª década de vida. A maioria dos pacientes apresenta doença localizada à data do diagnóstico, e destes, aproximadamente 15 a 20% apresentam metástases detectáveis, em especial, pulmonares. A abordagem terapêutica ao OS engloba quimioterapia pré-operatória (neoadjuvante) seguida de ressecção cirúrgica do tumor primário e de todas as metástases visíveis e de quimioterapia pós-operatória (adjuvante). Historicamente, muitos agentes foram testados e usados no tratamento do OS, mas desde os anos 90 até à actualidade, o esquema de tratamento baseia-se na utilização de três agentes: Metotrexato (MTX), Doxorrubicina (A) e Ciclofosfamida (P), podendo ou não ser incluído um 4º agente, a Ifosfamida (I) ou o Ectopósido (E). Para surtir efeito, o MTX é administrado em alta dose, habitualmente de 12g/m2, podendo ir até 20g/m2, apresentando vários efeitos adversos. Como tal, outros agentes quimioterápicos têm sido testados, assim como outros tipos de tratamento e alvos, com o intuito de melhorar a performance e a sobrevida sem recorrência. A identificação de biomarcadores que permitam o diagnóstico, prognóstico e monitorização da terapia tem sido outra das principais linhas de investigação relacionadas com o OS. O objetivo deste trabalho centra-se na revisão da importância do tratamento neoadjuvante enquanto fator prognóstico do OS, e da monitorização laboratorial na utilização do MTX por forma a evitar efeitos secundários.