Caracterização de regiões encefálicas no cérebro normal por tensor de difusão e aplicação à epilepsia pós-traumática

Mestrado em Radiações Aplicadas às Tecnologias da Saúde.

Effect of oxidative stress upon absorption of glucose by the human placenta: in vitro studies with BeWo cells

Pregnancy is a dynamic state and the placenta is a temporary organ that, among other important functions, plays a crucial role in the transport of nutrients and metabolites between the mother and the fetus, which is essential for a successful pregnancy. Among these nutrients, glucose is considered a primary source of energy and, therefore, fundamental to insure proper fetus development. Several studies have shown that glucose uptake is dependent on several morphological and biochemical placental conditions. Oxidative stress results from the unbalance between reactive oxygen species (ROS) and antioxidants, in favor of the first. During pregnancy, ROS, and therefore oxidative stress, increase, due to increased tissue oxygenation. Moreover, the relation between ROS and some pathological conditions during pregnancy has been well established. For these reasons, it becomes essential to understand if oxidative stress can compromise the uptake of glucose by the placenta. To make this study possible, a trophoblastic cell line, the BeWo cell line, was used. Experiments regarding glucose uptake, either under normal or oxidative stress conditions, were conducted using tert-butylhydroperoxide (tBOOH) as an oxidative stress inducer, and 3H-2-deoxy-D-glucose (3H-DG) as a glucose analogue. Afterwards, studies regarding the involvement of glucose facilitative transporters (GLUT) and the phosphatidylinositol 3-kinases (PI3K) and protein kinase C (PKC) pathways were conducted, also under normal and oxidative stress conditions. A few antioxidants, endogenous and from diet, were also tested in order to study their possible reversible effect of the oxidative effect of tBOOH upon apical 3H-DG uptake. Finally, transepithelial studies gave interesting insights regarding the apical-to-basolateral transport of 3H-DG. Results showed that 3H-DG uptake, in BeWo cells, is roughly 50% GLUT-mediated and that tBOOH (100 μM; 24h) decreases apical 3H-DG uptake in BeWo cells by about 33%, by reducing both GLUT- (by 28%) and non-GLUT-mediated (by 40%) 3H-DG uptake. Uptake of 3H-DG and the effect of tBOOH upon 3H-DG uptake are not dependent on PKC and PI3K. Moreover, the effect of tBOOH is not associated with a reduction in GLUT1 mRNA levels. Resveratrol, quercetin and epigallocatechin-3-gallate, at 50 μM, reversed, by at least 45%, the effect of tBOOH upon 3H-DG uptake. Transwell studies show that the apical-to-basolateral transepithelial transport of 3H-DG is increased by tBOOH.In conclusion, our results show that tBOOH caused a marked decrease in both GLUT and non-GLUT-mediated apical uptake of 3H-DG by BeWo cells. Given the association of increased oxidative stress levels with several important pregnancy pathologies, and the important role of glucose for fetal development, the results of this study appear very interesting.

Neural mechanisms of stimulus generalization in auditory fear conditioning

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Neuroscience Instituto de Tecnologia Química e Biológica, Universidade Nova de Lisboa

Neural Mechanisms of Exercise: Anti-Depression, Neurogenesis, and Serotonin Signaling

Depression is associated with decreased serotonin metabolism and functioning in the central nervous system, evidenced by both animal models of depression and clinical patient studies. Depression is also accompanied by decreased hippocampal neurogenesis in diverse animal models. Neurogenesis is mainly defined in dentate gyrus of hippocampus as well as subventricular zone. Moreover, hypothalamus, amygdala, olfactory tubercle, and piriform cortex are reported with evidences of adult neurogenesis. Physical exercise is found to modulate adult neurogenesis significantly, and results in mood improvement. The cellular mechanism such as adult neurogenesis upregulation was considered as one major mood regulator following exercise. The recent advances in molecular mechanisms underlying exercise-regulated neurogenesis have widen our understanding in brain plasticity in physiological and pathological conditions, and therefore better management of different psychiatric disorders.

Estudio de las respuestas neurofisiológicas y conductuales integradas en el sistema límbico: participación de los neuropéptidos derivados de la pre pro MCH y Angiotensina II

Numerosos estudios indican que la amígdala, se encuentra estrechamente ligada a la generación y modulación de los procesos emocionales. Aunque el complejo de la amígdala generalmente se define por varios grupos distintos de células, los núcleos de la amígdala basolateral que se conectan con el núcleo central y el núcleo de la estría terminal son los que proyectan a las áreas del sistema nervioso central involucradas en el control de las respuestas autónomas, los procesos cognitivos y la respuesta emocional. Además de los ampliamente estudiados sistemas glutamatérgico, gabaérgico, endorfinérgico, CRH, CCK entre otros, en estas áreas de la amígdala se encuentran receptores AT1 del sistema renina-angiotensina cerebral y llegan fibras del sistema de la pre-pro-hormona MCH (ppMCH) de la que se derivan la hormona concentradora de melanina (MCH) y otros dos péptidos biológicamente activos: el neuropéptido glicina (G)-ácido glutámico (E) (NGE) y el neuropéptido glutamina (E)- isoleucina (I) (NEI). Entre las áreas a las que se proyectan los núcleos de la amígdala se destaca la inervación de núcleos dopaminérgicos a través del área tegmental ventral y su influencia sobre la función del eje hipotálamo-hipófiso-adrenal (HHA) por la modulación de la descarga de ACTH a través de la inervación del núcleo hipotalámico paraventricular. Este proyecto tiene como objetivo evaluar los efectos de los neuropéptidos derivados de la ppMCH y Angiotensina II en la amígdala basolateral, sobre: el estado de ansiedad, conducta de exploración, activación del eje HHA y la trasmisión dopaminérgica en las áreas de proyección de la amígdala. Se empleará un modelo de miedo potenciado en ratas, que provoca una mayor activación de la amígdala y el establecimiento de un estado de ansiedad por la exposición previa a una situación de estrés. En este modelo se desencadenan respuestas similares a las encontradas en pacientes que sufren desórdenes de ansiedad, lo que nos permite estudiar el rol de los neuromoduladores en su fisiopatogenia.

Vitamina D y homeostasis del calcio extra e intracelular

La vitamina D es uno de los principales reguladores de la homeostasis del calcio extracelular. El intestino es un importante "blanco" de acción de la vitamina desencadenándose allí un aumento de la absorción del catión que permite mantener la calcemia en los valores adecuados. El presente proyecto esta dirigido a conocer el papel del glutatión intestinal y de las oxidorreductasas del ciclo de Krebs durante ese proceso de incremento del transporte de calcio estimulado por la vitamina D. Para ello se estudiarán la absorción intestinal de Ca, la captación de Ca en vesículas de membrana basolateral del enterocito y actividades de enzimas relacionadas a la homeostasis del Ca (Ca-ATPasa, fostotasa alcalina) en animales raquíticos y tratados con vitamina D. Se usará DL-butionina-S, R-sulfoximina para disminuir el contenido intestinal de glutatión. Se emplearán metabolitos derivados de la vitamina D "in vivo" e "in vitro" e inhibidores de mecanismos de señales hormonales para dilucidar las vías usadas por la vitamina D para incrementar las actividades de la oxidoreductasas ligadas a NAD del ciclo de Krebs. La relación de la vitamina D con la homeostasis intracelular de CA se estudiará en el sistema visual del pollo desde retina (target de vitamina D) a corteza visual. Para ello se determinará la distribución de proteínas involucradas en el manejo del Ca intracelular (Ca-ATPasa de membrana plasmática, calbindina D28k y receptor de vitamina D o VDR) como los niveles de ARNm de las mismas en los diferentes niveles de organización del sistema visual.

Mecanismos neurobiologicos involucrados en la sensibilizacion emocional inducida por abstinencia a drogas de abuso y estrés. Neurobiological mechanisms involved in emotional sensitization induced by withdrawal from drugs of abuse and stress.

El objetivo principal de este proyecto es estudiar los mecanismos neurobiológicos involucrados en el proceso de sensibilización emocional inducido por la abstinencia a drogas de abuso o por la exposición a un estímulo estresante de caracteristicas incontrolables. El modelo animal de sensibilización a utilizar en este proyecto es la facilitación en la formación de memoria de miedo producida por dichos tratamientos. Nuestra hipótesis sugiere que este proceso es el resultado de un mecanismo desinhibitorio de las interneuronas GABAérgicas del complejo basolateral de la amigdala. Por lo tanto se proponen los siguientes experimentos: 1) El estudio del curso temporal del efecto facilitador sobre la formación de una nueva memoria de miedo luego de la abstinencia a drogas o la exposición a un estímulo estresante (inmovilización). 2) La evaluación de la liberación"in vivo" de dopamina del complejo basolateral de la amigdala durante la adquisición y la expresión de la memoria de miedo en animales previamente expuestos a la abstinencia o al estres. 3) El estudio de la infusión local de antagonistas de receptores dopaminérgicos en el complejo basolateral de la amígdala (BLA) o en el nucleo central de la amígdala (CeA) antes del estrés sobre la adquisición y la expresión de una memoria de miedo. 4) La determinación de la actividad de ERK 1/2 y CREB en el complejo basolateral de la amigdala o en el nucleo central de la amígdala durante la adquisición y la expresión de una memoria de miedo en animales abstinentes o estresados. 5)El estudio de la infusión local de inhibidores de la MEK 1/2 en el complejo basolateral de la amigdala o en el nucleo central de la amígdala antes del estrés sobre la adquisición y la expresión de una memoria de miedo. La facilitación para generar memorias de miedo podría ser un componente crítico del síndrome de abstinencia al etanol responsable de las altas tasas de recurrencia asociadas con el alcoholismo. Por lo tanto se investigará el efecto de la evocación de la memoria de miedo sobre la autoadministración de etanol utilizando un paradigma de libre elección entre agua y soluciones de concentración creciente de etanol en animales en abstinencia al etanol. Con el objeto de investigar si las propiedades reforzantes del etanol están involucradas en el potencial aumento de la ingesta de etanol inducido por la evocación de una memoria de miedo, se evaluará el efecto reforzante de etanol utilizando el paradigma de preferencia por un contexto asociado al etanol.

Bases neurobiológicas del efecto de grelina sobre ansiedad, memoria e ingesta. Neurobiological mechanisms of ghrelin effect on anxiety, memory and food intake.

El objetivo de este proyecto es investigar el sustrato neurobiológico que subyace a los efectos centrales de grelina (Gr) en estructuras extrahipotalámicas tales como núcleo dorsal del rafe (NDR), hipocampo(Hi) y amígdala(Am) donde hemos demostrado que el péptido incrementa la memoria e ingesta, Los mecanismos neurales, neurotrasmisores(nt), segundos mensajeros, etc., involucrados en estos procesos fisiológicos, inducidos por el péptido, necesitan aun ser esclarecidos. Hemos demostrado que grelina incrementa la retención de la memoria cuando es inyectado en Hi, NDR y Am. También incrementa la ingesta al ser administrado en Hi y NDR pero no así en Am. En Hi los efectos de Gr sobre la memoria se correlacionan con incremento en los niveles tisulares de óxido nítrico (NO) y con la disponibilidad del nt 5-HT. En lo que a electrofisiología se refiere hemos demostrado que Gr disminuye el umbral para generar potenciación a largo plazo (LTP). A fin de aportar nuevas evidencias que contribuyan a esclarecer los efectos del péptido sobre memoria e ingesta utilizaremos estudios conductuales, determinaciones bioquímicas y determinaciones electrofisiológicas. En lo que a ingesta se refiere intentaremos esclarecer el papel de los núcleos central y basolateral de la Am en aspectos hedónicos de la ingesta inducida por Gr En esta etapa, más específicamente nos proponemos:1) Determinar si los efectos de grelina sobre ingesta y memoria demostrados en hipocampo y NDR después de la su administración se correlacionan con modificaciones en la liberación de serotonina utilizando cortes de hipocampo precargados con 5HT tritiada en presencia y ausencia del péptido.2) Evaluar si el incremento de óxido nítrico inducido por grelina en hipocampo se correlaciona con cambios en la expresión de nNOS, utilizando Western-blot y la importancia de NOS/NO en la acción de grelina repitiendo los experimentos previo tratamiento de las ratas con inhibidores de NOS. 3)Estudiar la participación del nt glutamato en los efectos hipocampales de Gr sobre la memoria. Analizando a) si grelina modifica la liberación del nt a partir de sinaptosomas aislados de hipocampo de ratas pretratadas con Gr.b) la participación de los receptores NMDA y GABAa en los efectos de grelina previo bloqueo farmacológico del mencionado receptor y el test step down.c) la participación de los receptores NMDA y GABAa en los efectos de grelina utilizando electrofisiología y Western Blot. 4) Estudiar el efecto de la administración de Gr en Amigdala Central y Basolateral sobre aspectos hedónicos de la ingesta utilizando diferentes paradigmas conductuales en animales. Estudiaremos:a) si Gr modifica el consumo de alimento de diferente palatabilidad en animales y si afecta el componente motivacional de la conducta de ingesta paradigma de "runway".

Estudio de las respuestas neurofisiológicas y conductuales integradas en el sistema límbico: participación de los neuropéptidos derivados de la pre­pro mch y angiotensina II.

Numerosos estudios indican que la amígdala, se encuentra estrechamente ligada a la generación y modulación de los procesos emocionales. Aunque el complejo de la amígdala generalmente se define por varios grupos distintos de células, los núcleos de la amígdala basolateral que se conectan con el núcleo central y el núcleo de la estría terminal son los que proyectan a las áreas del sistema nervioso central involucradas en el control de las respuestas autónomas, los procesos cognitivos y la respuesta emocional. Además de los ampliamente estudiados sistemas glutamatérgico, gabaérgico, endorfinérgico, CRH, CCK entre otros, en estas áreas de la amígdala se encuentran receptores AT1 del sistema renina-angiotensina cerebral y llegan fibras del sistema de la pre-pro-hormona MCH (ppMCH) de la que se derivan la hormona concentradora de melanina (MCH) y otros dos péptidos biologicamente activos: el neuropéptido glicina (G)-ácido glutámico (E) (NGE) y el neuropéptido glutamina (E)- isoleucina (I) (NEI). Entre las áreas a las que se proyectan los núcleos de la amígdala se destaca la inervación de núcleos dopaminérgicos a través del área tegmental ventral y su influencia sobre la función del eje hipotálamo-hipófiso-adrenal (HHA) por la modulación de la descarga de ACTH a través de la inervación del núcleo hipotalámico paraventricular. Este proyecto tiene como objetivo evaluar los efectos de los neuropéptidos derivados de la ppMCH y Angiotensina II en la amígdala basolateral, sobre: el estado de ansiedad, conducta de exploración, activación del eje HHA y la trasmisión dopaminérgica en las áreas de proyección de la amígdala. Se empleará un modelo de miedo potenciado en ratas, que provoca una mayor activación de la amígdala y el establecimiento de un estado de ansiedad por la exposición previa a una situación de estrés. En este modelo se desencadenan respuestas similares a las encontradas en pacientes que sufren desórdenes de ansiedad, lo que nos permite estudiar el rol de los neuromoduladores en su fisiopatogenia.

mögliche Rolle CGRP-immunreaktiver thalamo-amygdalärer Projektionen bei der durch Emotionen hervorgerufenen Veränderung vegetativer Parameter

CGRP amygdala thalamus fear blood pressure heart rate body temperature telemetry tracing projections

Transport of methotrexate by the in vitro isolated rabbit proximal tubule.

The tubular transport of [3H]methotrexate was studied in isolated nonperfused and perfused superficial proximal tubular segments of rabbit kidneys. Reabsorption represented only 5% of perfused methotrexate, and appeared to be mostly of passive nature inasmuch as it was not modified by reducing the temperature or by ouabain. Cellular accumulation in nonperfused segments and secretion in perfused tubules were highest in the S2 segment and lower in the S3 and S1 segments. Secretion against a bath-to-lumen concentration gradient was observed only in S2 segments (with a maximum methotrexate secretory rate of 478 +/- 48 fmol/mm.min and an apparent Km of transport of 363 +/- 32 microM), and was inhibited by probenecid and folate. The low capacity for methotrexate secretion may be explained by a low capacity of transport across the basolateral membrane of the proximal cell as methotrexate was accumulated only to a low extent in nonperfused tubules (tissue water to medium concentration ratio of 8.2 +/- 1 in S2 segments). During secretion a small amount of methotrexate was metabolized; the nature of the metabolite(s) remains to be defined.

Ear acupuncture and fMRI: a pilot study for assessing the specificity of auricular points.

In recent years research explored different acupuncture stimulation techniques but interest has focused primarily on somatic acupuncture and on a limited number of acupoints. As regards ear Acupuncture (EA) there is still some criticism about the clinical specificity of auricular points/areas representing organs or structures of the body. The aim of this study was to verify through (Functional magnetic resonance imaging) fMRI the hypothesis of EA point specificity using two auricular points having different topographical locations and clinical significance. Six healthy volunteers underwent two experimental fMRI sessions: the first was dedicated to the stimulation of Thumb Auricular Acupoint (TAA) and the second to the stimulation of Brain Stem Auricular Acupoint (BSAA). The stimulation of the needle placed in the TAA of the left ear produced an increase in activation bilaterally in the parietal operculum, region of the secondary somatosensory area SII. Stimulation of the needle placed in the BSAA of the left ear showed a pattern that largely overlapped regions belonging to the pain matrix, as shown to be involved in previous somatic acupuncture studies but with local differences in the left amygdala, anterior cingulate cortex, and cerebellum. The differences in activation patterns between TAA and BSAA stimulation support the specificity of the two acupoints. Moreover, the peculiarity of the regions involved in BSAA stimulation compared to those involved in the pain matrix, is in accordance with the therapeutic indications of this acupoint that include head pain, dizziness and vertigo. Our results provide preliminary evidence on the specificity of two auricular acupoints; further research is warranted by means of fMRI both in healthy volunteers and in patients carrying neurological/psychiatric syndromes.

Normal kinetics of intestinal glucose absorption in the absence of GLUT2: evidence for a transport pathway requiring glucose phosphorylation and transfer into the endoplasmic reticulum.

Glucose is absorbed through the intestine by a transepithelial transport system initiated at the apical membrane by the cotransporter SGLT-1; intracellular glucose is then assumed to diffuse across the basolateral membrane through GLUT2. Here, we evaluated the impact of GLUT2 gene inactivation on this transepithelial transport process. We report that the kinetics of transepithelial glucose transport, as assessed in oral glucose tolerance tests, was identical in the presence or absence of GLUT2; that the transport was transcellular because it could be inhibited by the SGLT-1 inhibitor phlorizin, and that it could not be explained by overexpression of another known glucose transporter. By using an isolated intestine perfusion system, we demonstrated that the rate of transepithelial transport was similar in control and GLUT2(-/-) intestine and that it was increased to the same extent by cAMP in both situations. However, in the absence, but not in the presence, of GLUT2, the transport was inhibited dose-dependently by the glucose-6-phosphate translocase inhibitor S4048. Furthermore, whereas transport of [(14)C]glucose proceeded with the same kinetics in control and GLUT2(-/-) intestine, [(14)C]3-O-methylglucose was transported in intestine of control but not of mutant mice. Together our data demonstrate the existence of a transepithelial glucose transport system in GLUT2(-/-) intestine that requires glucose phosphorylation and transfer of glucose-6-phosphate into the endoplasmic reticulum. Glucose may then be released out of the cells by a membrane traffic-based pathway similar to the one we previously described in GLUT2-null hepatocytes.

Bihippocampal damage with emotional dysfunction: impaired auditory recognition of fear.

A right-handed man developed a sudden transient, amnestic syndrome associated with bilateral hemorrhage of the hippocampi, probably due to Urbach-Wiethe disease. In the 3rd month, despite significant hippocampal structural damage on imaging, only a milder degree of retrograde and anterograde amnesia persisted on detailed neuropsychological examination. On systematic testing of recognition of facial and vocal expression of emotion, we found an impairment of the vocal perception of fear, but not that of other emotions, such as joy, sadness and anger. Such selective impairment of fear perception was not present in the recognition of facial expression of emotion. Thus emotional perception varies according to the different aspects of emotions and the different modality of presentation (faces versus voices). This is consistent with the idea that there may be multiple emotion systems. The study of emotional perception in this unique case of bilateral involvement of hippocampus suggests that this structure may play a critical role in the recognition of fear in vocal expression, possibly dissociated from that of other emotions and from that of fear in facial expression. In regard of recent data suggesting that the amygdala is playing a role in the recognition of fear in the auditory as well as in the visual modality this could suggest that the hippocampus may be part of the auditory pathway of fear recognition.

Looming signals reveal synergistic principles of multisensory integration.

Multisensory interactions are a fundamental feature of brain organization. Principles governing multisensory processing have been established by varying stimulus location, timing and efficacy independently. Determining whether and how such principles operate when stimuli vary dynamically in their perceived distance (as when looming/receding) provides an assay for synergy among the above principles and also means for linking multisensory interactions between rudimentary stimuli with higher-order signals used for communication and motor planning. Human participants indicated movement of looming or receding versus static stimuli that were visual, auditory, or multisensory combinations while 160-channel EEG was recorded. Multivariate EEG analyses and distributed source estimations were performed. Nonlinear interactions between looming signals were observed at early poststimulus latencies (∼75 ms) in analyses of voltage waveforms, global field power, and source estimations. These looming-specific interactions positively correlated with reaction time facilitation, providing direct links between neural and performance metrics of multisensory integration. Statistical analyses of source estimations identified looming-specific interactions within the right claustrum/insula extending inferiorly into the amygdala and also within the bilateral cuneus extending into the inferior and lateral occipital cortices. Multisensory effects common to all conditions, regardless of perceived distance and congruity, followed (∼115 ms) and manifested as faster transition between temporally stable brain networks (vs summed responses to unisensory conditions). We demonstrate the early-latency, synergistic interplay between existing principles of multisensory interactions. Such findings change the manner in which to model multisensory interactions at neural and behavioral/perceptual levels. We also provide neurophysiologic backing for the notion that looming signals receive preferential treatment during perception.