Ultrastructural analysis of neuronal plasticity in the adult mouse

ABSTRACT Adult neuronal plasticity is a term that corresponds to a set of biological mechanisms allowing a neuronal circuit to respond and adapt to modifications of the received inputs. Mystacial whiskers of the mouse are the starting point of a major sensory pathway that provides the animal with information from its immediate environment. Through whisking, information is gathered that allows the animal to orientate itself and to recognize objects. This sensory system is crucial for nocturnal behaviour during which vision is not of much use. Sensory information of the whiskers are sent via brainstem and thalamus to the primary somatosensory area (S1) of the cerebral cortex in a strictly topological manner. Cell bodies in the layer N of S 1 are arranged in ring forming structures called barrels. As such, each barrel corresponds to the cortical representation in layer IV of a single whisker follicle. This histological feature allows to identify with uttermost precision the part of the cortex devoted to a given whisker and to study modifications induced by different experimental conditions. The condition used in the studies of my thesis is the passive stimulation of one whisker in the adult mouse for a period of 24 hours. It is performed by glueing a piece of metal on one whisker and placing the awake animal in a cage surrounded by an electromagnetic coil that generates magnetic field burst inducing whisker movement at a given frequency during 24 hours. I analysed the ultrastructure of the barrel corresponding the stimulated whisker using serial sections electron microscopy and computer-based three-dimensional reconstructions; analysis of neighbouring, unstimulated barrels as well as those from unstimulated mice served as control. The following elements were structurally analyzed: the spiny dendrites, the axons of excitatory as well as inhibitory cells, their connections via synapses and the astrocytic processes. The density of synapses and spines is upregulated in a barrel corresponding to a stimulated whisker. This upregulation is absent in the BDNF heterozygote mice, indicating that a certain level of activity-dependent released BDNF is required for synaptogenesis in the adult cerebral cortex. Synpaptogenesis is correlated with a modification of the astrocytes that place themselves in closer vicinity of the excitatory synapses on spines. Biochemical analysis revealed that the astrocytes upregulate the expression of transporters by which they internalise glutamate, the neurotransmitter responsible for the excitatory response of cortical neurons. In the final part of my thesis, I show that synaptogenesis in the stimulated barrel is due to the increase in the size of excitatory axonal boutons that become more frequently multisynaptic, whereas the inhibitory axons do not change their morphology but form more synapses with spines apposed to them. Taken together, my thesis demonstrates that all the cellular elements present in the neuronal tissue of the adult brain contribute to activity-dependent cortical plasticity and form part of a mechanism by which the animal responds to a modified sensory experience. Throughout life, the neuronal circuit keeps the faculty to adapt its function. These adaptations are partially transitory but some aspects remain and could be the structural basis of a memory trace in the cortical circuit. RESUME La plasticité neuronale chez l'adulte désigne un ensemble de mécanismes biologiques qui permettent aux circuits neuronaux de répondre et de s'adapter aux modifications des stimulations reçues. Les vibrisses des souris sont un système crucial fournissant des informations sensorielles au sujet de l'environnement de l'animal. L'information sensorielle collectée par les vibrisses est envoyée via le tronc cérébral et le thalamus à l'aire sensorielle primaire (S 1) du cortex cérébral en respectant strictement la somatotopie. Les corps cellulaires dans la couche IV de S 1 sont organisés en anneaux délimitant des structures nommées tonneaux. Chaque tonneau reçoit l'information d'une seule vibrisse et l'arrangement des tonneaux dans le cortex correspond à l'arrangement des vibrisses sur le museau de la souris. Cette particularité histologique permet de sélectionner avec certitude la partie du cortex dévolue à une vibrisse et de l'étudier dans diverses conditions. Le paradigme expérimental utilisé dans cette thèse est la stimulation passive d'une seule vibrisse durant 24 heures. Pour ce faire, un petit morceau de métal est collé sur une vibrisse et la souris est placée dans une cage entourée d'une bobine électromagnétique générant un champ qui fait vibrer le morceau de métal durant 24 heures. Nous analysons l'ultrastructure du cortex cérébral à l'aide de la microscopie électronique et des coupes sériées permettant la reconstruction tridimensionnelle à l'aide de logiciels informatiques. Nous observons les modifications des structures présentes : les dendrites épineuses, les axones des cellules excitatrices et inhibitrices, leurs connections par des synapses et les astrocytes. Le nombre de synapses et d'épines est augmenté dans un tonneau correspondant à une vibrisse stimulée 24 heures. Basé sur cela, nous montrons dans ces travaux que cette réponse n'est pas observée dans des souris hétérozygotes BDNF+/-. Cette neurotrophine sécrétée en fonction de l'activité neuronale est donc nécessaire pour la synaptogenèse. La synaptogenèse est accompagnée d'une modification des astrocytes qui se rapprochent des synapses excitatrices au niveau des épines dendritiques. Ils expriment également plus de transporteurs chargés d'internaliser le glutamate, le neurotransmetteur responsable de la réponse excitatrice des neurones. Nous montrons aussi que les axones excitateurs deviennent plus larges et forment plus de boutons multi-synaptiques à la suite de la stimulation tandis que les axones inhibiteurs ne changent pas de morphologie mais forment plus de synapses avec des épines apposées à leur membrane. Tous les éléments analysés dans le cerveau adulte ont maintenu la capacité de réagir aux modifications de l'activité neuronale et répondent aux modifications de l'activité permettant une constante adaptation à de nouveaux environnements durant la vie. Les circuits neuronaux gardent la capacité de créer de nouvelles synapses. Ces adaptations peuvent être des réponses transitoires aux stimuli mais peuvent aussi laisser une trace mnésique dans les circuits.

Block structured dynamics and neuronal coding

When certain control parameters of nervous cell models are varied, complex bifurcation structures develop in which the dynamical behaviors available appear classified in blocks, according to criteria of dynamical likelihood. This block structured dynamics may be a clue to understand how activated neurons encode information by firing spike trains of their action potentials.

Neuronal death in the development of the vertebrate central nervous system

Neuronal death occurs naturally in the development of the vertebrate central nervous system, deleting large numbers of neurons at the time when afferent and efferent connections are being formed. It is these that regulate it, by means of anterograde and retrograde survival signals that depend on trophic molecules and electrical activity. Possible roles include the regulation of neuronal numbers (numerical matching) and the elimination of axonal targeting errors.

Densidade de estocagem e frequência alimentar no cultivo de jundiá em tanques-rede

O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito de diferentes densidades de estocagem e frequências alimentares sobre a resposta zootécnica e metabólica, e sobre a composição de peixe inteiro e de filé de juvenis de jundiá (Rhamdia quelen) cultivados em tanques-rede durante 60 dias. Foram utilizados 1.200 juvenis de jundiá (57,48±3,34 g e 17,86±0,36 cm). Os peixes foram distribuídos em delineamento inteiramente casualizado, em arranjo fatorial 2×2, à densidade de 50 e 150 peixes m-3 e frequência alimentar de uma ou duas vezes ao dia. Tanto as densidades de estocagem quanto o manejo alimentar não influenciaram o desempenho nem os parâmetros metabólicos. No entanto, a interação entre a menor densidade e a maior frequência alimentar resultou em menor teor lipídico nos filés. Como ambos os fatores testados não interferiram no desempenho zootécnico, pode-se sugerir como melhor densidade a de 150 peixes m-3, com frequência de arraçoamento de uma vez ao dia.

Densidade de estocagem na engorda de camarão-branco cultivado em sistema de biofloco

O objetivo deste trabalho foi determinar a densidade de estocagem ideal para o cultivo de camarão-branco, em sistema de biofloco sem renovação de água. Foram realizados dois experimentos inteiramente casualizados, com três repetições para cada tratamento. No primeiro, juvenis de camarão-branco, com peso médio inicial de 1,23±0,09 g, foram cultivados a densidades de estocagem de 833, 1.250, 1.667, 2.083 e 2.500 camarões por m³. No segundo experimento, o peso médio inicial foi de 6,32±0,7 g, e as densidades foram de 566, 833, 1.111, 1.388 e 1.667 camarões por m³. Os melhores resultados de produtividade, com médias de 9,92 e 10,77 kg m-3, foram obtidos com 1.667 e 1.111 camarões por m³, respectivamente, no primeiro e segundo experimentos. O aumento da densidade de estocagem afeta o crescimento e a sobrevivência do camarão-branco em sistema de biofloco.

Six new loci associated with body mass index highlight a neuronal influence on body weight regulation.

Common variants at only two loci, FTO and MC4R, have been reproducibly associated with body mass index (BMI) in humans. To identify additional loci, we conducted meta-analysis of 15 genome-wide association studies for BMI (n > 32,000) and followed up top signals in 14 additional cohorts (n > 59,000). We strongly confirm FTO and MC4R and identify six additional loci (P < 5 x 10(-8)): TMEM18, KCTD15, GNPDA2, SH2B1, MTCH2 and NEGR1 (where a 45-kb deletion polymorphism is a candidate causal variant). Several of the likely causal genes are highly expressed or known to act in the central nervous system (CNS), emphasizing, as in rare monogenic forms of obesity, the role of the CNS in predisposition to obesity.

Triodothyronine enhancement of neuronal differentiation in aggregating fetal rat brain cells cultured in a chemically defined medium.

Triiodothyronine (30 nM) added to serum-free cultures of mechanically dissociated re-aggregating fetal (15-16 days gestation) rat brain cells greatly increased the enzymatic activity of choline acetyltransferase and acetylcholinesterase throughout the entire culture period (33 days), and markedly accelerated the developmental rise of glutamic acid decarboxylase specific activity. The enhancement of choline acetyltransferase and acetylcholinesterase specific activities in the presence of triiodothyronine was even more pronouned in cultures of telencephalic cells. If triiodothyronine treatment was restricted to the first 17 culture days, the level of choline acetyltransferase specific activity at day 33 was 84% of that in chronically treated cultures and 270% of that in cultures receiving triiodothyronine between days 17 and 33, indicating that relatively undifferentiated cells were more responsive to the hormone. Triiodothyronine had no apparent effect on the incorporation of [3H]thymidine at day 5 or on the total DNA content of cultures, suggesting that cellular differentiation, rather than proliferation was affected by the hormone. Our findings in vitro are in good agreement with many observations in vivo, suggesting that rotation-mediated aggregating cell cultures of fetal rat brain provide a useful model to study thyroid hormone action in the developing brain.

Polietileno de baixa densidade (PEBD) na conservação pós-colheita de figos cv. "Roxo de Valinhos"

Estudou-se o efeito de diferentes embalagens de polietileno em figos cv. "Roxo de Valinhos", sob condições de frigoconservação. Os frutos colhidos no início do estádio de maturação, foram limpos e selecionados, sendo após embalados em filmes plásticos de polietileno de diferentes espessuras, constituindo assim os tratamentos: 1(controle), 2 - PEBD com 6 µm de espessura, 3 - PEBD com 10 µm de espessura, 4 - PEBD com 15 µm de espessura, 5 - PEBD com 22 µm de espessura. Os frutos foram então armazenados em câmara fria com temperatura de -- 0,5 °C e 85-90 % de UR, por oito dias. As análises foram realizadas diariamente, avaliando-se os seguintes parâmetros: perda de massa fresca, aspecto visual, firmeza de polpa, sólidos solúveis totais (SST), acidez total titulável (ATT) e relação SST/ATT. Ao final, verificou-se que os frutos embalados em PEBD de 22 µm apresentaram maior firmeza de polpa, melhor aspecto visual, menores teores de sólidos solúveis totais, maiores níveis de acidez total titulável e menores valores na relação SST/ATT, quando comparados aos demais tratamentos. No parâmetro perda de massa fresca, todos os tratamentos foram estatisticamente superiores ao controle.

Densidade de plantio e rendimento de frutos do meloeiro (Cucumis melo L.)

O objetivo do trabalho foi avaliar os efeitos da densidade de plantio (7; 10; 13; 16; 19; 22 e 25 mil plantas/ha) sobre o rendimento de frutos do meloeiro, cv. Gold Pride. As densidades foram obtidas mantendo-se constante (2,0 m) o espaçamento entre fileiras e variando-se o espaçamento entre covas. O trabalho foi realizado em Tibau-RN, com irrigação por gotejamento. Utilizou-se o delineamento de blocos ao acaso, com sete repetições. O aumento da densidade de plantio aumentou o número e a massa de frutos, totais, comercializáveis e não-comercializáveis, reduziu o comprimento e o diâmetro dos frutos comercializáveis, mas não influenciou o teor de sólidos solúveis dos frutos comercializáveis.

Neuroligin-1 links neuronal activity to sleep-wake regulation.

Maintaining wakefulness is associated with a progressive increase in the need for sleep. This phenomenon has been linked to changes in synaptic function. The synaptic adhesion molecule Neuroligin-1 (NLG1) controls the activity and synaptic localization of N-methyl-d-aspartate receptors, which activity is impaired by prolonged wakefulness. We here highlight that this pathway may underlie both the adverse effects of sleep loss on cognition and the subsequent changes in cortical synchrony. We found that the expression of specific Nlg1 transcript variants is changed by sleep deprivation in three mouse strains. These observations were associated with strain-specific changes in synaptic NLG1 protein content. Importantly, we showed that Nlg1 knockout mice are not able to sustain wakefulness and spend more time in nonrapid eye movement sleep than wild-type mice. These changes occurred with modifications in waking quality as exemplified by low theta/alpha activity during wakefulness and poor preference for social novelty, as well as altered delta synchrony during sleep. Finally, we identified a transcriptional pathway that could underlie the sleep/wake-dependent changes in Nlg1 expression and that involves clock transcription factors. We thus suggest that NLG1 is an element that contributes to the coupling of neuronal activity to sleep/wake regulation.

Transfer entropy reconstruction and labeling of neuronal connections from simulated calcium imaging

Neuronal dynamics are fundamentally constrained by the underlying structural network architecture, yet much of the details of this synaptic connectivity are still unknown even in neuronal cultures in vitro. Here we extend a previous approach based on information theory, the Generalized Transfer Entropy, to the reconstruction of connectivity of simulated neuronal networks of both excitatory and inhibitory neurons. We show that, due to the model-free nature of the developed measure, both kinds of connections can be reliably inferred if the average firing rate between synchronous burst events exceeds a small minimum frequency. Furthermore, we suggest, based on systematic simulations, that even lower spontaneous inter-burst rates could be raised to meet the requirements of our reconstruction algorithm by applying a weak spatially homogeneous stimulation to the entire network. By combining multiple recordings of the same in silico network before and after pharmacologically blocking inhibitory synaptic transmission, we show then how it becomes possible to infer with high confidence the excitatory or inhibitory nature of each individual neuron.

Densidade do sistema radicular da bananeira 'Pacovan' sob irrigação por aspersão

O presente trabalho foi realizado no município de Governador Dix-Sept Rosado, microrregião Açu-Apodi, no Estado do Rio Grande do Norte, tendo como objetivo verificar os efeitos do sistema de irrigação por aspersão na densidade do sistema radicular da bananeira 'Pacovan'. O delineamento experimental utilizado foi o de blocos casualizados, em esquema de parcelas subdivididas, com cinco repetições. Os tratamentos foram duas amostragens por planta, realizadas do lado contrário ao da emissão da inflorescência, formando um ângulo de 45º. Em cada amostragem, foram realizadas quatro retiradas do material de solo a distâncias de 20 cm, sendo a primeira a 30 cm e a última a 90 cm do pseudocaule. A análise dos dados demonstrou que ocorreu redução linear no peso fresco e na densidade de comprimento de raízes da bananeira em função da profundidade do solo. Em relação à distância do pseudocaule da bananeira, tanto o peso fresco quanto a densidade de comprimento de raízes não mostraram resultados significativos.

Impacto da intensificação da densidade de plantio na rentabilidade em duas cultivares de macieira em Fraiburgo-SC

Este artigo analisa as expectativas de retorno associadas ao agronegócio da maçã, com base em pomares existentes na região de Fraiburgo-SC. Detalham-se os custos de produção das cultivares Gala e Fuji implantadas em sistemas de alta e superalta densidade. Os resultados indicam ser apenas mediana a rentabilidade do agronegócio em análise. A intensificação tecnológica via ampliação da densidade de plantio, propicia um incremento na rentabilidade. O mesmo pode ser dito da cultivar Fuji em relação à cultivar Gala.

Densidade de plantio na produtividade e nos teores de nutrientes nas folhas e frutos da bananeira cv. Thap Maeo

O objetivo deste estudo foi avaliar o efeito da densidade de plantio na produtividade, tempo de colheita e teores dos nutrientes nas folhas e nos frutos de bananeira cv. Thap Maeo (AAB) cultivada em Manaus (AM). O delineamento experimental foi o de blocos casualizados, com três repetições. Os tratamentos foram constituídos pelos fatores: três densidades de plantio (1.111; 1.667 e 3.333 plantas ha-1) e duas épocas de colheita (primeiro e segundo ciclos). Os resultados do primeiro e segundo ciclos mostraram incremento significativo da produtividade, com aumento da densidade de plantio. O tempo médio para colheita dos cachos foi menor na densidade de 1.111 plantas ha-1 (1º ciclo, 338 e 2º ciclo, 401 dias). Na média das densidades e independentemente do ciclo, os teores de macronutrientes nos frutos apresentaram a ordem de: K>N>P>Mg>Ca=S, enquanto a dos micronutrientes foi: 1º ciclo - Cl>Fe>Mn=B>Zn>Cu e 2º ciclo - Cl>Fe>Zn>B=Mn>Cu.