Transdural motor cortex stimulation reverses neuropathic pain in rats: A profile of neuronal activation

Motor cortex stimulation (MCS) has been used to treat patients with neuropathic pain resistant to other therapeutic approaches; however, the mechanisms of pain control by MCS are still not clearly understood. We have demonstrated that MCS increases the nociceptive threshold of naive conscious rats, with opioid participation. In the present study, the effect of transdural MCS on neuropathic pain in rats subjected to chronic constriction injury of the sciatic nerve was investigated. In addition, the pattern of neuronal activation, evaluated by Fos and Zif268 immunolabel, was performed in the spinal cord and brain sites associated with the modulation of persistent pain. MCS reversed the mechanical hyperalgesia and allodynia induced by peripheral neuropathy. After stimulation, Fos immunoreactivity (Fos-IR) decreased in the dorsal horn of the spinal cord and in the ventral posterior lateral and medial nuclei of the thalamus, when compared to animals with neuropathic pain. Furthermore, the MCS increased the Fos-IR in the periaqueductal gray, the anterior cingulate cortex and the central and basolateral amygdaloid nuclei. Zif268 results were similar to those obtained for Fos, although no changes were observed for Zif268 in the anterior cingulate cortex and the central amygdaloid nucleus after MCS. The present findings suggest that MCS reverts neuropathic pain phenomena in rats, mimicking the effect observed in humans, through activation of the limbic and descending pain inhibitory systems. Further investigation of the mechanisms involved in this effect may contribute to the improvement of the clinical treatment of persistent pain. (c) 2010 European Federation of International Association for the Study of Pain Chapters. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Environmental modulation of ethanol-induced locomotor activity: Correlation with neuronal activity in distinct brain regions of adolescent and adult Swiss mice

Drug abuse is a concerning health problem in adults and has been recognized as a major problem in adolescents. induction of immediate-early genes (IEG), such as c-Fos or Egr-1, is used to identify brain areas that become activated in response to various stimuli, including addictive drugs. It is known that the environment can alter the response to drugs of abuse. Accordingly, environmental cues may trigger drug-seeking behavior when the drug is repeatedly administered in a given environment. The goal of this study was first to examine for age differences in context-dependent sensitization and then evaluate IEG expression in different brain regions. For this, groups of mice received i.p. ethanol (2.0 g/kg) or saline in the test apparatus, while other groups received the solutions in the home cage, for 15 days. One week after this treatment phase, mice were challenged with ethanol injection. Acutely, ethanol increased both locomotor activity and IEG expression in different brain regions, indistinctly, in adolescent and adult mice. However, adults exhibited a typical context-dependent behavioral sensitization following repeated ethanol treatment, while adolescent mice presented gradually smaller locomotion across treatment, when ethanol was administered in a paired regimen with environment. Conversely, ethanol-treated adolescents expressed context-independent behavioral sensitization. Overall, repeated ethanol administration desensitized IEG expression in both adolescent and adult mice, but this effect was greatest in the nucleus accumbens and prefrontal cortex of adolescents treated in the context-dependent paradigm. These results suggest developmental differences in the sensitivity to the conditioned and unconditioned locomotor effects of ethanol. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

A multi-GPU algorithm for large-scale neuronal networks

Large-scale simulations of parts of the brain using detailed neuronal models to improve our understanding of brain functions are becoming a reality with the usage of supercomputers and large clusters. However, the high acquisition and maintenance cost of these computers, including the physical space, air conditioning, and electrical power, limits the number of simulations of this kind that scientists can perform. Modern commodity graphical cards, based on the CUDA platform, contain graphical processing units (GPUs) composed of hundreds of processors that can simultaneously execute thousands of threads and thus constitute a low-cost solution for many high-performance computing applications. In this work, we present a CUDA algorithm that enables the execution, on multiple GPUs, of simulations of large-scale networks composed of biologically realistic Hodgkin-Huxley neurons. The algorithm represents each neuron as a CUDA thread, which solves the set of coupled differential equations that model each neuron. Communication among neurons located in different GPUs is coordinated by the CPU. We obtained speedups of 40 for the simulation of 200k neurons that received random external input and speedups of 9 for a network with 200k neurons and 20M neuronal connections, in a single computer with two graphic boards with two GPUs each, when compared with a modern quad-core CPU. Copyright (C) 2010 John Wiley & Sons, Ltd.

Alpha7 Nicotinic Acetylcholine Receptor Expression and Activity During Neuronal Differentiation of PC12 Pheochromocytoma Cells

Nicotinic acetylcholine receptors (nAChR) exert pivotal roles in synaptic transmission, neuroprotection and differentiation. Particularly, homomeric alpha 7 receptors participate in neurite outgrowth, presynaptic control of neurotransmitter release and Ca(2+) influx. However, the study of recombinant alpha 7 nAChRs in transfected cell lines is difficult due to low expression of functional receptor channels. We show that PC12 pheochromocytoma cells induced to differentiation into neurons are an adequate model for studying differential nAChR gene expression and receptor activity. Whole-cell current recording indicated that receptor responses increased during the course of differentiation. Transcription of mRNAs coding for alpha 3, alpha 5, alpha 7, beta 2 and beta 4 subunits was present during the course of differentiation, while mRNAs coding for alpha 2, alpha 4 and beta 3 subunits were not expressed in PC12 cells. alpha 7 subunit expression was highest following 1 day of induction to differentiation. Activity of alpha 7 nAChRs, however, was most elevated on day 2 as revealed by inhibition experiments in the presence of 10 nM methyllycaconitine, rapid current decay and receptor responsiveness to the alpha 7 agonist choline. Increased alpha 7 receptor activity was noted when PC12 were induced to differentiation in the presence of choline, confirming that chronic agonist treatment augments nAChR activity. In summary, PC12 cells are an adequate model to study the role and pharmacological properties of this receptor during neuronal differentiation.

Amígdala medial póstero-ventral : caracterização ultra-estrutural e volume somático neuronal em ratos machos e fêmeas ao longo do ciclo estral

A amígdala medial póstero-ventral (MePV) é uma estrutura encefálica onde os hormônios gonadais têm um efeito neurotrófico nos ratos. Os objetivos deste trabalho foram: 1) estimar e comparar o volume somático neuronal da MePV de machos (n=5) e fêmeas nas fases de diestro, proestro e estro (n=5 em cada fase) do ciclo ovariano, além de avaliar o possível efeito na lateralidade em ambos os hemisférios cerebrais. Para tanto utilizou-se a reconstrução estereológica de cortes seriados. 2) Caracterizar os aspectos ultra-estruturais neuronais e descrever a ultra-estrutura dos contatos sinápticos nas diferentes porções de tais células (dendritos, espinhos dendríticos, soma e axônio) da mesma região de ratos machos (n=8) e fêmeas em diestro (n=8). Todos os animais foram manipulados de acordo com os procedimentos éticos, anestesiados e perfundidos por via transcardíaca, tendo seus encéfalos sido removidos, pós-fixados e processados para a microscopia eletrônica. No primeiro experimento, as estimativas do volume somático médio de neurônios da MePV esquerda e direita foram realizadas usando-se o método de Cavalieri associado à técnica de contagem de pontos. Os dados foram comparados entre os grupos usando-se o teste de análise de variância (ANOVA) de duas vias para medidas repetidas e pelo teste post-hoc das mínimas diferenças significativas. O nível de significância estatística foi estabelecido em p < 0,05. A análise estatística dos dados mostrou que houve uma diferença no volume somático da MePV entre os grupos experimentais, machos, fêmeas em diestro, proestro e estro [F(3,16) = 3,42; p = 0,043], mas não houve diferença quanto à lateralidade [F(1,16) = 0,19; p = 0,668] nem na interação entre grupos e lateralidade [F(3,16) = 0,99; p = 0,421]. As comparações post-hoc mostraram que a média do volume dos machos não diferem quando comparados com fêmeas em diestro (p > 0,05), mas foi significativamente maior do que em fêmeas em proestro e em estro (p < 0,05 em ambos os casos). Quando foram comparadas as médias do volume somático da MePV nas diferentes fases do ciclo estral das fêmeas, não houve diferença significativa entre esses todos (p > 0,05). No segundo experimento, secções ultrafinas (70-80 nm) foram analisadas e a ultra-estrutura da MePV descrita. No neuropilo da MePV de machos e fêmeas em diestro, neurônios e suas organelas, dendritos com e sem espinho, processos axonais, feixes axônicos não-mielinizados e poucos axônios mielinizados, processos gliais e vasos sangüíneos foram identificados. Além disso, foram observadas sinapses axo-dendríticas supostamente excitatórias com suas regiões pré-sinápticas contendo vesículas claras arredondadas com algumas achatadas e outras de centro denso. Os dendritos algumas vezes recebem vários terminais axonais sobre um mesmo ramo e axônios contatando com mais de uma estrutura pós-sináptica também foram observados. Os espinhos dendríticos apresentavam diferentes morfologias e geralmente recebiam um único contato sináptico, ainda que se tenha observado espinhos com mais de um terminal em aposição a sua membrana. Sinapses simétricas supostamente inibitórias também foram observadas e geralmente no soma neuronal. Os presentes resultados demonstram que: 1) o volume somático neuronal é um parâmetro sexualmente dimórfico na MePV, sendo maior em machos do que em fêmeas em proestro e estro, mas não em fêmeas em diestro. 2) para evidenciar portanto, os efeitos dos hormônios gonadais nos neurônios da MePV é relevante considerar os estágios do ciclo estral das ratas. 3) o volume somático neuronal não mostrou lateralidade nem interação entre os grupos e lateralidade. 4) as peculiaridades nucleares e citoplasmáticas dos neurônios da MePV de ratos machos e fêmeas em diestro não diferem entre si e são semelhantes àquelas de outras áreas encefálicas. 5) espinhos dendríticos formam somente sinapses assimétricas (tipo I), aparentemente excitatórias, e podem ter mais de um contato sináptico. 6) sinapses simétricas (tipo II), aparentemente inibitórias, ocorrem somente sobre ramos dendríticos proximais e somas neuronais. 7) os terminais axonais formando sinapses foram observadas vesículas claras arredondadas e algumas achatadas e ocasionalmente algumas de centro denso. 8) aparentemente as fêmeas apresentaram maior quantidade de vesículas de centro denso do que em machos. O presente trabalho acrescenta novos achados que são importantes para o estudo da organização celular e sináptica da MePV e que podem se associar a outros dados morfológicos previamente descritos na literatura de modo a aumentar a compreensão que se tem a respeito da atividade funcional dessa área do encéfalo de ratos machos e fêmeas, ainda pouco explorada.

Implementação em hardware de uma Rede Neuronal com ummicroprocessador embebido em FPGA

O objectivo deste trabalho é a implementação em hardware de uma Rede Neuronal com um microprocessador embebido, podendo ser um recurso valioso em várias áreas científicas. A importância das implementações em hardware deve-se à flexibilidade, maior desempenho e baixo consumo de energia. Para esta implementação foi utilizado o dispositivo FPGA Virtex II Pro XC2VP30 com um MicroBlaze soft core, da Xilinx. O MicroBlaze tem vantagens como a simplicidade no design, sua reutilização e fácil integração com outras tecnologias. A primeira fase do trabalho consistiu num estudo sobre o FPGA, um sistema reconfigurável que possui características importantes como a capacidade de executar em paralelo tarefas complexas. Em seguida, desenvolveu-se o código de implementação de uma Rede Neuronal Artificial baseado numa linguagem de programação de alto nível. Na implementação da Rede Neuronal aplicou-se, na camada escondida, a função de activação tangente hiperbólica, que serve para fornecer a não linearidade à Rede Neuronal. A implementação é feita usando um tipo de Rede Neuronal que permite apenas ligações no sentido de saída, chamado Redes Neuronais sem realimentação (do Inglês Feedforward Neural Networks - FNN). Como as Redes Neuronais Artificiais são sistemas de processamento de informações, e as suas características são comuns às Redes Neuronais Biológicas, aplicaram-se testes na implementação em hardware e analisou-se a sua importância, a sua eficiência e o seu desempenho. E finalmente, diante dos resultados, fez-se uma análise de abordagem e metodologia adoptada e sua viabilidade.

Neuronal Assembly Detection and Cell Membership Specification by Principal Component Analysis

LOPES-DOS-SANTOS, V. , CONDE-OCAZIONEZ, S. ; NICOLELIS, M. A. L. , RIBEIRO, S. T. , TORT, A. B. L. . Neuronal assembly detection and cell membership specification by principal component analysis. Plos One, v. 6, p. e20996, 2011.

Detecting cell assemblies in large neuronal populations

Recent progress in the technology for single unit recordings has given the neuroscientific community theopportunity to record the spiking activity of large neuronal populations. At the same pace, statistical andmathematical tools were developed to deal with high-dimensional datasets typical of such recordings.A major line of research investigates the functional role of subsets of neurons with significant co-firingbehavior: the Hebbian cell assemblies. Here we review three linear methods for the detection of cellassemblies in large neuronal populations that rely on principal and independent component analysis.Based on their performance in spike train simulations, we propose a modified framework that incorpo-rates multiple features of these previous methods. We apply the new framework to actual single unitrecordings and show the existence of cell assemblies in the rat hippocampus, which typically oscillate attheta frequencies and couple to different phases of the underlying field rhythm

Neuronal vacuolation and spongiform lesions in young Rottweiler dogs

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Dor: aspectos atuais da sensibilização periférica e central

JUSTIFICATIVA E OBJETIVOS: As pesquisas recentes têm focalizado a plasticidade bioquímica e estrutural do sistema nervoso decorrente da lesão tissular. Os mecanismos envolvidos na transição da dor aguda para crônica são complexos e envolvem a interação de sistemas receptores e o fluxo de íons intracelulares, sistemas de segundo mensageiro e novas conexões sinápticas. O objetivo deste artigo foi discutir os novos mecanismos que envolvem a sensibilização periférica e central. CONTEÚDO: A lesão tissular provoca aumento na resposta dos nociceptores, chamada de sensibilização ou facilitação. Esses fenômenos iniciam-se após a liberação local de mediadores inflamatórios e a ativação de células do sistema imune ou de receptores específicos no sistema nervoso periférico e central. CONCLUSÕES: As lesões do tecido e dos neurônios resultam em sensibilização de nociceptores e facilitação da condução nervosa central e periférica.

Effects of indoramin in rat vas deferens and aorta: concomitant alpha(1)-adrenoceptor and neuronal uptake blockade

1 the actions of the alpha(1)-adrenoceptor antagonist indoramin have been examined against the contractions induced by noradrenaline in the rat vas deferens and aorta taking into account a putative neuronal uptake blocking activity of this antagonist which could. result in self-cancelling actions.2 Indoramin behaved as a simple competitive antagonist of the contractions induced by noradrenaline in the vas deferens and aorta yielding pA(2) values of 7.38 +/- 0.05 (slope = 0.98 +/- 0.03) and 6.78 +/- 0.14 (slope = 1.08 +/- 0.06), respectively.3 When the experiments were repeated in the presence of cocaine (6 mu M) the potency (pA(2)) of indoramin in antagonizing the contractions of the vas deferens to noradrenaline was increased to 8.72 +/- 0.07 (slope = 1.10 +/- 0.05) while its potency remained unchanged in the aorta (pA(2) = 6.69 +/- 0.12; slope = 1.04 +/- 0.05).4 In denervated vas deferens, indoramin antagonized the contractions to noradrenaline with a potency similar to that found in the presence of cocaine (8.79 +/- 0.07; slope = 1.09 +/- 0.06).5 It is suggested that indoramin blocks alpha(1)-adrenoceptors and neuronal uptake in rat vas deferens resulting in Schild plots with slopes not different from unity even in the absence of selective inhibition of neuronal uptake. As a major consequence of this double mechanism of action, the pA(2) values for this antagonist are underestimated when calculated in situations where the neuronal uptake is active, yielding spurious pK(B) values.