Descending pain modulation in a Kaolin-induced hydrocephalus rat model

Pain transmission at the spinal cord is modulated by descending actions that arise from supraspinal areas which collectively form the endogenous pain control system. Two key areas involved of the endogenous pain control system have a circunventricular location, namely the periaqueductal grey (PAG) and the locus coeruleus (LC). The PAG plays a crucial role in descending pain modulation as it conveys the input from higher brain centers to the spinal cord. As to the LC, it is involved in descending pain inhibition by direct noradrenergic projections to the spinal cord. In the context of neurological defects, several diseases may affect the structure and function of the brain. Hydrocephalus is a congenital or acquired disease characterized by an enlargement of the ventricles which leads to a distortion of the adjacent tissues, including the PAG and LC. Usually, patients suffering from hydrocephalus present dysfunctions in learning and memory and also motor deficits. It remains to be evaluated if lesions of the periventricular brain areas involved in pain control during hydrocephalus may affect descending pain control and, herein, affect pain responses. The studies included in the present thesis used an experimental model of hydrocephalus (the rat injected in the cisterna magna with kaolin) to study descending modulation of pain, focusing on the two circumventricular regions referred above (the PAG and the LC). In order to evaluate the effects of kaolin injection into the cisterna magna, we measured the degree of ventricular dilatation in sections encompassing the PAG by standard cytoarquitectonic stanings (thionin staining). For the LC, immunodetection of the noradrenaline-synthetizing enzyme tyrosine hydroxylase (TH) was performed, due to the noradrenergic nature of the LC neurons. In general, rats with kaolin-induced hydrocephalus presented a higher dilatation of the 4th ventricle, along with a tendency to a higher area of the PAG. Due to the validated role of detection the c-fos protooncogene as a marker of neuronal activation, we also studied neuronal activation in the several subnuclei which compose the PAG, namely the dorsomedial, dorsolateral, lateral and ventrolateral (VLPAG) parts. A decrease in the numbers of neurons immunoreactive for Fos protein (the product of activation of the c-fos protooncogene) was detected in rats injected with kaolin, whereas the remaining PAG subnuclei did not present changes in Fos-immunoreactive nuclei. Increases in the levels of TH in the LC, namely at the rostral parts of the nucleus, were detected in hydrocephalic animals. The following pain-related parameters were measured, namely 1) pain behavioural responses in a validated pain inflammatory test (the formalin test) and 2) the nociceptive activation of spinal cord neurons. A decrease in behavioral responses was detected in rats with kaolin-induced hydrocephalus was detected, namely in the second phase of the test (inflammatory phase). This is the phase of the formalin test in which the motor behaviour is less important, which is important since a semi-quantitative analysis of the motor performance of rats injected with kaolin indicates that these animals may present some motor impairments. Collectively, the results of the behavioral studies indicate that rats with kaolin-induced hydrocephalus exhibit hypoalgesia. A decrease in Fos expression was detected at the superficial dorsal layers of the spinal cord in rats with kaolin-induced hydrocephalus, further indicating that hydrocephalus decreases nociceptive responses. It remains to be ascertained if this is due to alterations in the PAG and LC in the rats with kaolin-induced hydrocephalus, which may affect descending pain modulation. It remains to be evaluated what are the mechanisms underlying the increased pain inhibition at the spinal dorsal horn in the hydrocephalus rats. Regarding the VLPAG, the decrease in neuronal activity may impair descending modulation. Since the LC has higher levels of TH in rats with kaolininduced hydrocephalus, which also appears to increase the noradrenergic innervation in the spinal dorsal horn, it is possible that an increase in the release of noradrenaline at the spinal cord accounts for pain inhibition. Our studies also determine the need to study in detail patients with hydrocephalus namely in what concerns their thresholds to pain and to perform imaging studies focused on the structure and function of pain control areas in the brain.

A disfunção redox espinhal na dor neuropática

As espécies reativas de oxigénio (ROS) estão envolvidas no desenvolvimento de dor neuropática. No entanto, a aplicação clínica de moléculas antioxidantes no tratamento desta patologia tem demonstrado pouca eficácia. A inibição da NADPH oxidase (NOX), uma das principais fontes de ROS, poderá ser uma boa estratégia terapêutica. O nosso grupo verificou que a apocinina (inibidor da NOX) melhora parcialmente os sintomas de dor neuropática e a disfunção redox espinhal no modelo SNI (spared nerve injury). De forma a melhorar este efeito terapêutico, o presente estudo insere-se num projeto maior, que visa identificar as isoformas da NOX envolvidas na fisiopatologia da doença e avaliar o efeito da administração de inibidores específicos para essas isoformas. Assim, propusemo-nos a avaliar a disfunção redox espinhal em fases precoces dador neuropática periférica induzida pelo modelo SNI no Rato, relacionando-a com os comportamentos de dor demonstrados pelos animais. Foram constituídos três grupos experimentais: SNI, sham e naïve, com subgrupos testados e sacrificados aos dias 1, 3, 7 e 14 após a cirurgia. Avaliou-se a sensibilidade mecânica (vonFrey e pinprick) e ao frio (acetona) dos animais, sacrificaram-se e recolheram-se as medulas espinhais para análise imunohistoquímica, com marcadores de dano oxidativo no DNA e de dano nitrosativo. Ao contrário dos animais sham, que demonstraram um comportamento muito próximo dos naïve, os animais SNI desenvolveram alodínia mecânica e ao frio e hiperalgesia mecânica na pata ipsilateral. No entanto, o dano oxidativo no corno dorsal ipsilateral da medula espinhal apresentou-se idêntico nos grupos SNI e sham ao longo dos 14 dias de estudo, não havendo também diferenças entre os cornos ipsi e contralateral à lesão nervosa. É possível que o desenvolvimento de dor neuropática nos animais SNI não se faça acompanhar de disfunção redox espinhal, pelo menos até aos 14 dias pós indução. O facto de a lesão nervosa no modelo SNI se localizar numa porção distal do ciático, ao contrário de outros modelos em que o stresse oxidativo espinhal foi já descrito, poderia explicar essas diferenças. Em todo o caso, considerando que os resultados comportamentais obtidos indicam que as cirurgias SNI e sham causam diferentes níveis de sensibilização nos animais, parece-nos fulcral prolongar os tempos de neuropatia, e executar uma avaliação do estado redox com outros marcadores, de forma a elucidar se, de facto, existem ROS envolvidas nesta sensibilização e, em caso positivo, poder identificar essas espécies, bem como as suas fontes.

Análise de risco em sequenciamento de actividades com restrições de recursos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Área de Especialização em Sistemas e Planeamento Industrial.

Modelling and segmentation of the vocal tract during speech production by using deformable models in magnetic resonance images

The first and second authors would like to thank the support of the PhD grants with references SFRH/BD/28817/2006 and SFRH/PROTEC/49517/2009, respectively, from Fundação para a Ciência e Tecnol ogia (FCT). This work was partially done in the scope of the project “Methodologies to Analyze Organs from Complex Medical Images – Applications to Fema le Pelvic Cavity”, wi th reference PTDC/EEA- CRO/103320/2008, financially supported by FCT.

Influence of long-term wearing of unstable shoes on compensatory control of posture: An electromyography-based analysis

Purpose: This study investigated the influence of long-term wearing of unstable shoes (WUS) on compensatory postural adjustments (CPA) to an external perturbation. Methods: Participants were divided into two groups: one wore unstable shoes while the other wore conventional shoes for 8 weeks. The ground reaction force signal was used to calculate the anterior– posterior (AP) displacement of the centre of pressure (CoP) and the electromyographic signal of gastrocnemius medialis (GM), tibialis anterior (TA), rectus femoris (RF) and biceps femoris (BF) muscles was used to assess individual muscle activity, antagonist co-activation and reciprocal activation at the joint (TA/GM and RF/(BF + GM) pairs) and muscle group levels (ventral (TA + RF)/dorsal (GM + BF) pair) within time intervals typical for CPA. The electromyographic signal was also used to assess muscle latency. The variables described were evaluated before and after the 8-week period while wearing the unstable shoes and barefoot. Results: Long-term WUS led to: an increase of BF activity in both conditions (barefoot and wearing the unstable shoes); a decrease of GM activity; an increase of antagonist co-activation and a decrease of reciprocal activation level at the TA/GM and ventral/dorsal pairs in the unstable shoe condition. Additionally, WUS led to a decrease in CoP displacement. However, no differences were observed in muscle onset and offset. Conclusion: Results suggest that the prolonged use of unstable shoes leads to increased ankle and muscle groups’ antagonist co-activation levels and higher performance by the postural control system.

Properties of tantalum oxynitride thin films produced by magnetron sputtering: the influence of processing parameters

The main purpose of this work is to present and to interpret the change of structure and physical properties of tantalum oxynitride (TaNxOy) thin films, produced by dc reactive magnetron sputtering, by varying the processing parameters. A set of TaNxOy films was prepared by varying the reactive gases flow rate, using a N2/O2 gas mixture with a concentration ratio of 17:3. The different films, obtained by this process, exhibited significant differences. The obtained composition and the interpretation of X-ray diffraction results, shows that, depending on the partial pressure of the reactive gases, the films are: essentially dark grey metallic, when the atomic ratio (N + O)/Ta < 0.1, evidencing a tetragonal β-Ta structure; grey-brownish, when 0.1 < (N + O)/Ta < 1, exhibiting a face-centred cubic (fcc) TaN-like structure; and transparent oxide-type, when (N + O)/Ta > 1, evidencing the existence of Ta2O5, but with an amorphous structure. These transparent films exhibit refractive indexes, in the visible region, always higher than 2.0. The wear resistance of the films is relatively good. The best behaviour was obtained for the films with (N + O)/Ta ≈ 0.5 and (N + O)/Ta ≈ 1.3.

Cutting forces and wear analysis of Si3N4 diamond coated tools in high speed machining

Si3N4 tools were coated with a thin diamond film using a Hot-Filament Chemical Vapour Deposition (HFCVD) reactor, in order to machining a grey cast iron. Wear behaviour of these tools in high speed machining was the main subject of this work. Turning tests were performed with a combination of cutting speeds of 500, 700 and 900 m min−1, and feed rates of 0.1, 0.25 and 0.4 mm rot−1, remaining constant the depth of cut of 1 mm. In order to evaluate the tool behaviour during the turning tests, cutting forces were analyzed being verified a significant increase with feed rate. Diamond film removal occurred for the most severe set of cutting parameters. It was also observed the adhesion of iron and manganese from the workpiece to the tool. Tests were performed on a CNC lathe provided with a 3-axis dynamometer. Results were collected and registered by homemade software. Tool wear analysis was achieved by a Scanning Electron Microscope (SEM) provided with an X-ray Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) system. Surface analysis was performed by a profilometer.

A atividade dos estabilizadores da omoplata e movimento compensatório do tronco no gesto de alcance em indivíduos pós AVE

Introdução: Lesões como o AVE interferem com a capacidade de recrutar níveis adequados de atividade muscular, podendo levar ao aparecimento de movimentos compensatórios como a excessiva translação anterior do tronco, associada ao gesto de alcance. Objetivos: Descrever a relação entre a atividade dos estabilizadores da omoplata e o movimento compensatório do tronco no gesto de alcance, em 4 indivíduos pós AVE. Pretendeu-se também analisar o papel dos estabilizadores da omoplata na função do membro superior. Métodos: Quatro indivíduos com diagnóstico de AVE, que apresentavam alterações no nível de actividade dos estabilizadores da omoplata contralesional, foram sujeitos a uma avaliação realizada em três momentos, antes (M0), durante (M1) e após (M2) e a um período de intervenção, segundo os princípios do Conceito de Bobath. Recorreu-se à electromiografia de superfície para avaliar a atividade e o timming dos músculos grande dorsal, trapézio superior e trapézio inferior do hemicorpo contralesional e ao software de Avaliação Postural (SAPO) para analisar o deslocamento do tronco no sentido anterior, associados à realização do gesto de alcance. Foram aplicadas as escalas RPS e MESUPES para avaliar as componentes de movimento do gesto de alcance e a função do membro superior, respetivamente. Recorreu-se ao registo fotográfico para análise dos componentes de movimento na posição de sentado e em pé.Resultados: Os dados eletromiográficos registam atividade dos estabilizadores da omoplata unicamente num indivíduo em M2. A análise do deslocamento anterior do tronco revela melhorias em M1 em todos os indivíduos, sendo que em M2 essa evolução positiva não foi observada em três dos participantes. Entre M0 e M2, na escala RPS registam-se melhorias de 7 a 9 pontos no alvo próximo e de 5 a 10 pontos no alvo distante. Na escala MESUPES verificam-se melhorias entre 5 a 18 pontos na sub-escala braço e entre 5 a 8 pontos na sub-escala mão, em M2. A avaliação do registo fotográfico revela modificações nos componentes de movimento dos quatro indivíduos, nomeadamente na integração dos MI na base de suporte, na atividade do tronco inferior e superior e no alinhamento do MS contralesional. Conclusão: A melhoria do nível da atividade dos estabilizadores dinâmicos da omoplata sugere ter influência na diminuição do movimento compensatório do tronco no gesto de alcance e parece ter um papel na melhoria da eficácia distal do MS do mesmo lado.

Desenvolvimento de um fantoma cerebral para ressonância magnética

O controlo da qualidade em ressonância magnética (RM) passa pela realização de diversos testes ao equipamento e calibrações diárias, onde os fantomas desempenham um papel fundamental. Este trabalho teve como objetivo principal o desenvolvimento de um fantoma cerebral para um sistema de RM de intensidade 3.0 Tesla. Com base na literatura existente, escolheram-se como reagentes o cloreto de gadolínio (III) (GdCl3), a agarose, e o gelificante carragena, tendo sido ainda acrescentado o conservante químico azida de sódio (NaN3) de forma a inibir a degradação da solução. Realizaram-se vários testes com diferentes concentrações dos materiais selecionados até obter as misturas adequadas a suscetibilidade magnética das substâncias branca e cinzenta cerebrais. Os tempos de relaxação T1 das diversas substâncias desenvolvidas foram medidos, apresentando o fantoma final uns tempos de T1 de 702±10 ms, quando a concentração de GdCl3 foi de 100 µmol (substância branca) e 1179±23 ms quando a concentração foi de 15 µmol (substância cinzenta). Os valores de T1 do fantoma foram comparados estatisticamente com os tempos de relaxação conseguidos a partir de um cérebro humano, obtendo-se uma correlação de 0.867 com significância estatística. No intuito de demonstrar a aplicabilidade do fantoma, este foi sujeito a um protocolo de RM, do qual constaram as sequências habitualmente usadas no estudo cerebral. Como principais resultados constatou-se que, nas sequências ponderadas em T1, o fantoma apresenta uma forte associação positiva (rs > 0.700 p = 0.072) com o cérebro de referência, ainda que não sejam estatisticamente significativos. As sequências ponderadas em T2 demonstraram uma correlação positiva moderada e fraca, sendo a ponderação densidade protónica a única a apresentar uma associação negativa. Desta forma, o fantoma revelou-se um ótimo substituto do cérebro humano. Este trabalho culminou na criação de um modelo cerebral tridimensional onde foram individualizadas as regiões das substâncias branca e cinzenta, de forma a posteriormente serem preenchidas pelas correspondentes substâncias desenvolvidas, obtendo-se um fantoma cerebral antropomórfico.