Aplicaciones basadas en las propiedades eléctricas y térmicas de recubrimientos de sílice-cb obtenidos por el método sol-gel

En los últimos años el interés en los recubrimientos obtenidos por sol-gel ha aumentado mucho en aplicaciones de protección y refuerzo de superficies contra la corrosión. Asimismo, el uso de polimorfos de carbono (nanofibras de carbono, grafeno, grafito...) para mejorar las propiedades mecánicas y conferirle propiedades conductoras a algunos materiales, también se ha desarrollado mucho en los últimos años. En trabajos previos se prepararon y estudiaron recubrimientos híbridos de sílice-CB obtenidos por el método sol-gel. Mediante el estudio de la microestructura y composición de estos recubrimientos (SEM, Raman, ATD-TG, y FT-IR) y de las propiedades eléctricas se obtuvo que en función la temperatura de sinterización de los recubrimientos, se podía controlar la respuesta eléctrica de los composites. Esto permite abrir enormemente el campo de aplicaciones, ya que para temperaturas de sinterización por debajo de 400ºC se consiguen resistividades del orden de 10-4Ωm, apropiadas para aplicaciones en dispositivos electrónicos, electrodos, apantallamiento de interferencias electromagnéticas y radiofreciencia, etc; mientras que para temperaturas de sinterización por encima de 400ºC, obtenemos recubrimientos más resistivos que pueden aplicarse como dispositivos calefactores, anticongelantes. Por tanto, el objetivo de este trabajo es desarrollar más profundamente estas aplicaciones, así como diseñar experimentos que demuestren las múltiples posibilidades que estos recubrimientos conductores obtenidos por sol-gel pueden aportar.

Estudio experimental sobre la reacción álcali-sílice en el hormigón producida por áridos de reacción lenta

La finalidad de esta investigación se enmarca dentro de los estudios sobre hormigones de presas llevados a cabo en el Laboratorio Central de Estructuras y Materiales del CEDEX. En España se han diagnosticado 18 obras afectadas tanto por la reacción álcali-sílice de tipo rápido como por la de tipo lento. Dos de de las obras, fabricadas con áridos graníticos, no presentan signos de deterioro pero en laboratorio se han hallado productos expansivos. En las 16 presas españolas restantes, el hormigón de 10 de ellas estaba fabricado con áridos graníticos, de las cuales, 7 están afectadas por la reacción de tipo lento. Sin embargo, en las clasificaciones internacionales de las rocas potencialmente reactivas se establece habitualmente que las rocas graníticas son inocuas o de reactividad muy baja. En los casos puntuales encontrados en la literatura, la reactividad de este tipo de áridos se encuentra frecuentemente asociada al cuarzo microcristalino que contienen y ocasionalmente se asocia esta reactividad también al cuarzo deformado y/o microfisurado. En la tesis doctoral de Víctor Daniel Lanza Fernández, también realizada en el CEDEX, se han tratado los áridos de reacción rápida, dando una descripción detallada de los componentes que intervienen en este tipo de reacción y presentando un ensayo eficaz para su detección en el laboratorio. La investigación desarrollada en la presente tesis doctoral se ha centrado en los áridos de reacción lenta, mucho menos estudiados. A partir del estudio bibliográfico realizado sobre este tipo de reacción se ha detectado ciertas lagunas, basadas principalmente en la falta de un método de detección en el laboratorio para los áridos de reacción lenta. No se ha encontrado un procedimiento en el estudio petrográfico que sea fiable y cuantificable para este tipo de áridos. El ensayo acelerado de barras de mortero, que para los áridos de reacción rápida supone un método rápido y fiable, falla en la detección de los áridos de reacción lenta al aplicar los límites normalizados. Si bien en publicaciones recientes se ha propuesto la posibilidad de ampliar el tiempo de tratamiento hasta los 90 días, la duración del ensayo es más larga de lo deseado. Para resolver estas lagunas, se han tomado áridos de obras reales afectadas por la reacción álcali-sílice (en algún caso también de las canteras de donde se extrajeron los áridos para la ejecución), con lo que la reactividad de estos áridos queda demostrada por su comportamiento en obra. Al objeto de aumentar la muestra de ensayo y utilizar también áridos inocuos, se han tomado muestras de canteras, tanto en uso como abandonadas. Sobre estos áridos se ha realizado una caracterización completa con los ensayos actualmente disponibles para el estudio de su reactividad con los álcalis del cemento: estudio petrográfico, ensayo acelerado de barras de mortero y Gel-Pat modificado. En la investigación se ha desarrollado una metodología de tinción de geles álcali-sílice para la cuantificación de los mismos en el interior de las barras de mortero. Se ha relacionado el volumen de gel generado en la reacción con la expansión producida, tanto para áridos lentos, como rápidos, estableciendo analogías y diferencias en el comportamiento de ambos. La cuantificación de este tipo de compuestos realizada en las barras de mortero, abre la posibilidad de estudiar la capacidad expansiva que presentan en testigos de hormigón de obras afectadas. Este dato podría ser una herramienta importante para el desarrollo de modelos matemáticos que puedan predecir el futuro comportamiento de las estructuras afectadas por la reacción álcali-sílice. La tinción ha sido asimismo utilizada para establecer un método de detección de áridos reactivos basado en el ensayo de Gel-Pat modificado. La metodología de detección propuesta para estos áridos es cuantitativa y proporciona los resultados en 14 días, suponiendo una ventaja importante sobre los métodos actuales, que permiten detectarlos en 90 días (de forma orientativa en 56 días). This research is part of the studies on durability of concrete dams carried out in the Laboratorio Central de Estructuras y Materiales of CEDEX during the last years. At the present time, 18 public works affected by alkali-silica reaction have been diagnosed in Spain. In 12 of them the concrete was mixed with granitic aggregates, 7 of which were damaged by the slow alkali-silica reaction, 3 by the rapid alkali-silica reaction and in the other 2 cases, although there was no visual evidence of the reaction in field, the laboratory tests showed the presence of expansive products inside the concrete. However, in the international classifications of potentially reactive aggregates granitic rocks are pointed out as innocuous or as low reactivity and usually their reactivity is attributed to the presence of microcrystalline quartz and occasionally with the strained and microcracked quartz. The rapid reactive aggregates were deeply studied in a previous research (Víctor Daniel Lanza’s Thesis) also carried out in CEDEX. In this research, a detailed description of the components involved in the rapid alkali-silica reaction was given. Also, a fast method to detect them in the laboratory was developed. The research of the present PhD Thesis is focused in the slow-reactive aggregates, much less studied. The state of the art has shown some gaps in the knowledge about this reaction, mainly the absence of a reliable method to detect slow-reactive aggregates. On one side, there is no systematic and quantitative petrographic test for these aggregates. On the other side, the accelerated mortar bar test has been proved to be effective to detect rapid reactive aggregates but the standard limits fail in the detection of the slowreactive aggregates. In recent investigations it has been proposed extending the test until 90 days, but this period is considered too long. In this research, aggregates taken from affected structures have been used in the test, so their reactivity has been shown in practice. With the aim of increasing the number of samples aggregates from quarries have been also used. A method to stain alkali-silica gels has been applied to mortar bars, thereby quantifying the volume of gel generated inside. This volume has been related to the expansion of the bars, both for rapid for slow reactive aggregates, establishing similarities and differences. The quantification of the gel volume, applied to concrete cores extracted from affected structures, could be an important tool in mathematical models to predict the future behaviour of the structures affected by the alkali-silica reaction. The staining method has been also used to develop a method to detect slow reactive aggregates, based on the optimised Gel-Pat test, obtaining results in 14 days. This represents a major improvement compared to the actual methods (accelerated mortar bar test) which give an indicative value of reactivity at 56 days, and a final result at 90 days.

Morteros de cemento con nano-adiciones de sílice, hierro y alúmina

A lo largo de los últimos años, la ingeniería de la construcción ha seguido una tendencia creciente en lo que se refiere a la exigencia de altas prestaciones en los materiales empleados en obra, siendo el hormigón el material por excelencia. Es bien conocido que la capacidad de mejora de las prestaciones de los materiales está estrechamente ligada al desarrollo tecnológico existente en ese tiempo. En la actualidad, de entre todos los avances tecnológicos, cabe destacar la nanotecnología, ciencia que trabaja con elementos de tamaño 109 y que en los últimos años está siendo el motor de las investigaciones en el campo de la construcción. De entre todas las nano-adiciones existentes cabe destacar la nano-sílice, estudiada por numerosos investigadores y que goza de un gran número de artículos científicos. En cambio, existen otras nano-adiciones que no han tenido tanta aceptación o se encuentran en un segundo plano, como son la nano-hierro y la nano-alúmina. Es por tanto objeto de este Trabajo Fin de Máster: estudiar el efecto de la incorporación en diferentes proporciones de nano-adiciones de sílice, hierro y alúmina a un mortero de cemento convencional, mediante una campaña experimental realizada en el seno del Departamento de Ingeniería de la Construcción de la ETSICCP de la Universidad Politécnica de Madrid.

Morteros de cemento con nano-adiciones de hierro y sílice

Cada vez más, el hormigón tiene unas aplicaciones estructurales que demandan unos requisitos de resistencia y durabilidad difíciles de alcanzar siguiendo dosificaciones convencionales. Este contexto, de una mayor exigencia y desempeño del hormigón, es el epicentro de numerosas investigaciones que persiguen mejorar las características de los hormigones a través del uso de adiciones. Dentro de este marco de investigación, los últimos avances se encuentran vinculados al desarrollo de la nanotecnología, concretamente al uso de adiciones de tamaño nanométrico. La presente investigación queda enmarcada dentro de un Trabajo Fin de Máster y persigue la evaluación de los efectos a nivel microestructural y macroestructural del efecto de adiciones de tamaño nanométrico de hierro y sílice en proporciones variables a morteros de cemento. Para ver estas posibles mejoras, se comparará cuantitativamente con un mortero convencional de referencia. Para poder realizar dicha evaluación, se realizará una campaña experimental que incluye ensayos de resistencia, porosimetría, análisis térmico diferencial y resistividad. Una vez realizados los ensayos se ha procedido a analizar los resultados y a partir de ellos se han obtenido conclusiones acerca del desempeño de las nano adiciones en la matriz cementícia, así como de sus efectos en términos de resistencia y durabilidad principalmente. Finalmente, y dado que la investigación se encuentra acotada en el tiempo al ser un proyecto final de máster, se proponen unas líneas de investigación futuras con el fin de poder profundizar más en los procesos microestructurales que rigen el comportamiento de estas partículas en la matriz cementícia y con el propósito también de poder explicar resultados que no hayan podido quedar suficientemente resueltos a través del presente trabajo.

Morteros de cemento con adiciones de humo de sílice y nanosílice

La combinación de nuevos materiales para lograr una mejoría en las propiedades del mortero y del hormigón, ha dado impulso al desarrollo de muchas investigaciones en la actualidad. La lucha por lograr materiales resistentes y durables es hoy en día el objetivo principal de los investigadores de materiales. La variación en las dosificaciones, la sustitución de materiales, la utilización de adiciones, nanopartículas y fibras, entre otras, son novedades que antes eran impensables en el mundo del hormigón. El presente trabajo enmarcado dentro de un Trabajo Fin de Máster, pretende evaluar el efecto de la adición simultánea de Humo de Sílice y Nanosílice en morteros, a nivel microestructural y macroestructural, las adiciones se suministrarán en porcentajes variables respecto del peso del cemento y comparando con un mortero de referencia sin adiciones. Para poder realizar estas comparaciones se ha diseñado una campaña experimental que engloba ensayos a nivel microestructural, refiriéndose a porosimetría por intrusión de mercurio (PIM) y análisis térmico diferencial (ATD), y a nivel macroestructural la evaluación de resistencias a flexo-tracción y compresión respectivamente. Finalmente se ha realizado un análisis de los resultados, se han planteado las conclusiones y las propuestas para trabajos futuros.

Comportamiento térmico y mecánico del yeso con adiciones de aerogel de sílice granulado

La presente tesis doctoral aborda el estudio de un nuevo material mineral, compuesto principalmente por una matriz de yeso (proveniente de un conglomerante industrial basado en sulfato de calcio multifase) y partículas de aerogel de sílice hidrófugo mesoporoso, compatibilizadas mediante un surfactante polimérico, debido a su alto carácter hidrófugo. La investigación se centra en conocer los factores que influyen en las propiedades mecánicas y conductividad térmica del material compuesto generado. Este estudio pretende contribuir al conocimiento sobre el desarrollo de nuevos morteros de elevado aislamiento térmico que puedan ser utilizados en la rehabilitación energética de edificios de viviendas existentes, debido a que estos representan gran parte del consumo energético del parque de viviendas de España, aunque también a nivel internacional. De los materiales utilizados para desarrollar los morteros estudiados, el yeso, además de ser un material muy abundante, especialmente en España, requiere una menor cantidad de energía para la fabricación de un conglomerante (debido a una menor temperatura de fabricación), en comparación con el cemento o la cal, por lo que presenta una menor huella de carbono que estos últimos. Por otro lado, el aerogel de sílice hidrófugo mesoporoso es, de acuerdo con la documentación disponible, el material que posee actualmente la mayor capacidad de aislamiento térmico en el mercado. El desarrollo de nuevos morteros minerales con una capacidad de aislamiento térmico mayor que los materiales aislantes utilizados tradicionalmente, tiene una aplicación relevante en los casos de rehabilitación energética de edificios históricos y patrimoniales, en los que se requiere la aplicación del aislamiento por el interior de la fachada, ya que este tipo de soluciones tienen el inconveniente de reducir el espacio habitable de las áreas involucradas, especialmente en zonas climáticas en las que el aislamiento térmico puede suponer un espesor considerable, por lo que es ideal utilizar materiales de altas prestaciones de aislamiento térmico capaces de aportar el mismo nivel de aislamiento (o incluso mayor), pero en un espesor considerablemente menor. La investigación se desarrolla en tres etapas: bibliográfica, experimental y de simulación. La primera etapa, parte del estudio de la bibliografía existente, relacionada con materiales aislantes, incluyendo soluciones basadas, tanto en morteros aislantes, como en paneles de aislamiento térmico. La segunda, de carácter experimental, se centra en estudiar la influencia de la microestrucrura y macroestructura, del nuevo material mineral, en las propiedades físicas elementales, mecánicas y conductividad térmica del compuesto. La tercera etapa, mediante una simulación del consumo energético, consiste en cuantificar teóricamente el potencial ahorro energético que puede aportar este material en un caso de rehabilitación energética en particular. La investigación experimental se centró principalmente en conocer los factores principales que influyen en las propiedades mecánicas y conductividad térmica de los materiales compuestos minerales desarrollados en esta tesis. Para ello, se llevó a cabo una caracterización de los materiales de estudio, así como el desarrollo de distintas muestras de ensayo, de tal forma que se pudo estudiar, tanto la hidratación del yeso en los compuestos, como su posterior microestructura y macroestructura, aspectos fundamentales para el entendimiento de las propiedades mecánicas y conductividad térmica del compuesto aislante. De este modo, se pudieron conocer y cuantificar, los factores que influyen en las propiedades estudiadas, aportando una base de conocimiento y entendimiento de este tipo de compuestos minerales con aerogel de sílice hidrófugo, no existiendo estudios publicados hasta el momento de finalización de esta tesis, con la aproximación al material propuesta en este estudio, ni con yeso (basado en sulfato de calcio multifase), ni con otro tipo de conglomerantes. Particularmente, se determinó la influencia que tiene la incorporación de partículas de aerogel de sílice hidrófugo, en grandes proporciones en volumen, en un compuesto mineral basado en distintas fases de sulfato de calcio. No obstante, para llevar a cabo las mezclas, fue necesario utilizar un surfactante para compatibilizar este tipo de partículas, con el conglomerante basado en agua. El uso de este tipo de aditivos tiene una influencia, no solo en el aerogel, sino en las propiedades del compuesto en general, dependiendo de su concentración, por lo que se establecieron dos porcentajes de adición: la primera, determinada a partir de la cantidad mínima necesaria para compatibilizar las mezclas (0,1% del agua de amasado), y la segunda, como límite superior, la concentración utilizada habitualmente a nivel industrial para estabilizar burbujas de aire en hormigones espumados (5%). El surfactante utilizado mostró la capacidad de modificar la superficie del aerogel, cambiando el comportamiento de las partículas frente al agua, permitiendo una invasión parcial de su estructura porosa, por parte del agua de amasado. Este comportamiento supone un aumento muy importante en la relación agua/yeso, afectando el hábito cristalino e influenciando negativamente las propiedades mecánicas de la matriz de yeso, presentando un efecto aún notable a mayor concentración de surfactante (5%). En cuanto a las propiedades finales alcanzadas, fue posible lograr un compuesto mineral ultraligero (200 kg/m3), con alrededor de un 60% de aerogel en volumen y de alta capacidad aislante (0,028 W/m•K), presentando una conductividad térmica notablemente menor que los morteros aislantes del mercado, e incluso también menor que la de los aislantes tradicionales basado en las lanas minerales o EPS; no obstante, con la limitante de presentar bajas propiedades mecánicas, condicionando su posible aplicación futura. Entre los factores principales relacionados con las propiedades mecánicas, se encontró que estas dependen exponencialmente del volumen de yeso en el compuesto; no obstante, factores de segundo orden, como el grado de hidratación, o una mejor distribución del conglomerante entre las partículas de aerogel, debido al aumento de la superficie específica del polvo mineral, pueden aumentar las propiedades mecánicas entre el doble y el triple, dependiendo del volumen de aerogel en cuestión. Además, se encontró que el aerogel, en conjunto con el surfactante, es capaz de introducir una gran cantidad de aire (0,70 m3 por cada m3 de aerogel), que unido al agua evaporada (no consumida por el conglomerante durante la hidratación), el volumen de aire total alcanza, generalmente, un 40%, independientemente de la cantidad de aerogel en la mezcla. De este modo, el aire introducido en la matriz desplaza las proporciones en volumen del aerogel y del yeso, disminuyendo, tanto las propiedades mecánicas, como la capacidad aislante de compuesto mineral. Por otro lado, la conductividad térmica mostró tener una dependencia directa de la contribución de las tres fases principales en el compuesto: yeso, aerogel y aire ocluido. De este modo, se pudo desarrollar un modelo matemático, adaptado de uno existente, capaz de calcular, con bastante precisión, la relación de los tres componentes mencionados, en la conductividad térmica de los compuestos, para el rango de volúmenes y materiales utilizados en esta tesis. Finalmente, la simulación del consumo energético realizada a una vivienda típica de España, de los años 1900 a 1959 (basada en muros de ladrillo macizo), para las zonas climáticas estudiadas (A, D y E), permitió observar el potencial ahorro energético que puede aportar este material, dependiendo de su espesor, como aislamiento interior de los muros de fachada. Particularmente, para la zona A, se determinó un espesor óptimo de 1 cm, mientras que para la zona D y E, 3,5 y 3,9 cm respectivamente. En este sentido, el nuevo material estudiado es capaz de disminuir, entre un 35% y un 80%, el espesor de la capa aislante, en comparación con paneles de lana de roca o los morteros minerales de mayor capacidad aislante del mercado español respectivamente. ABSTRACT The present doctoral thesis studies a new mineral-based composite material, composed by a gypsum matrix (based on an industrial multiphase gypsum binder) and mesoporous hydrophobic silica aerogel particles, compatibilized with a polymeric surfactant due to the high hydrophobic character of the insulating particles. This study pretends to contribute to the development of new composite insulating materials that could be used in energy renovation of existing dwellings, in order to reduce their high energy consumption, as they represent a great part of the total energy consumed in Spain, but also internationally. Between the materials used to develop de studied insulating mortars, gypsum, besides being an abundant material, especially in Spain, requires less energy for the manufacture of a mineral binder (due to lower manufacturing temperatures), compared to lime or cement, thus presenting lower carbon footprint. In other hand, the hydrophobic mesoporous silica aerogel, is, according to the existing references, the material with the highest know insulating capacity in the market. The development of new mineral mortars with higher thermal insulation capacity than traditional insulating materials, presents a relevant application in energy retrofitting of historic and cultural heritage buildings, in which implies that the insulating material should be installed as an internal layer, rather than as an external insulating system. This type of solution involves a reduced internal useful area, especially in climatic zones where the demand for thermal insulation is higher, and so the insulating layer thickness, being idealistic to use materials with very high insulating properties, in order to reach same insulating level (or higher), but in lower thickness than the provided by traditional insulating materials. This research is developed in three main stages: bibliographic, experimental and simulation. The first stage starts by studying the existing references regarding thermally insulating materials, including existing insulating mortars and insulating panels. The second stage, mainly experimental, is centered in the study of the the influence of the microstructure and macrostructure in the physical and mechanical properties, and also in the thermal conductivity of the new mineral-based material. The thirds stage, through energy simulation, consists in theoretically quantifying the energy savings potential that can provide this type of insulating material, in a particular energy retrofitting case study. The experimental research is mainly focused in the study of the factors that influence the mechanical properties and the thermal conductivity of the thermal insulating mineral composites developed in this thesis. For this, the characterization of the studied materials has been performed, as well as the development of several experimental samples, in order to study the hydration of the mineral binder within the composites, but also the final microstructure and macrostructure, fundamental aspects for the understanding of the composite’s mechanical and insulating properties. Thus, is was possible to determine and quantify the factors that influence the studied material properties, providing a knowledge base and understanding of mineral composites that comprises mesoporous hydrophobic silica aerogel particles, being the first study up to date regarding the specific approach of the present study, regarding not just multiphase calcium sulfate plaster, but also other mineral binders. Particularly, the influence of the incorporation of hydrophobic silica aerogel particles, in high volume ratios into a mineral compound, based on different phases of calcium sulfate has been determined. However, to perform mixing, it is necessary to use a surfactant in order to compatibilize these particles with the water-based mineral binder. The use of such additives has an influence, not only in the aerogel, but the overall properties of the compound, so two different surfactant concentration has been studied: the first, the minimum amount of surfactant (used in this thesis) in order to develop the slurries (0.1% concentration of the mixing water), and the second, as the upper limit, the concentration usually used industrially to stabilize air bubbles in foamed concrete (5%). One of the side effects of using such additive, was the modification of the aerogel particles, by changing their behavior in respect to water, generating a partial invasion of the aerogel’s porous structure, by the mixing water. This behavior produces a very important increase in water/binder ratios, affecting the crystal habit and negatively influencing the mechanical properties of the gypsum matrix. This effect further increased when a higher concentration of surfactant (5%) is used. Regarding final materials properties, it was possible to achieve an ultra-lightweight mineral composite (200 kg/m3), with around 60% by volume of aerogel, presenting a very high insulating capacity (0.028 W/m•K), a noticeable lower thermal conductivity compared to the insulating mortars and traditional thermal insulating panels on the market, such as mineral wool or EPS; however, the limiting factor for future’s material application in buildings, is related to the very low mechanical properties achieved. Among the main factors related to the mechanical properties, it has been found an exponential correlation to the volume of gypsum in the composite. However, second-order factors such as the degree of hydration, or a better distribution of the binder between the aerogel particles, due to the increased surface area of the mineral powder, can increase the mechanical properties between two to three times, depending aerogel volume involved. In addition, it was found that the aerogel, together with the surfactant, is able to entrain a large amount of air volume (around 0.70 m3 per m3 of aerogel), which together with the evaporated water (not consumed by the binder during hydration), can reach generally around 40% of entrained air within the gypsum matrix, regardless of the amount of aerogel in the mixture. Thus, the entrained air into the matrix displaces the volume proportions of the aerogel and gypsum, reducing both mechanical and insulating properties of the mineral composite. On the other hand, it has been observed a direct contribution of three main phases into the thermal conductivity of the composite: gypsum, aerogel and entrained air. Thus, it was possible to develop a mathematical model (adapted from an existing one), capable of calculating quite accurate the thermal conductivity of such mineral composites, from the ratio these three components and for the range of volumes and materials used in this thesis. Finally, the energy simulation performed to a typical Spanish dwelling, from the years 1900 to 1959 (mainly constructed with massive clay bricks), within three climatic zones of Spain (A, D and E), showed the energy savings potential that can provide this type of insulating material, depending on the thickness of the applied layer. Particularly, for the climatic A zone, it has been found an optimal layer thickness of 1 cm, while for zone D and E, 3.5 and 3.9 cm respectively. In this manner, the new studied materials is capable of decreasing the thickness of the insulating layer by 35% and 80%, compared with rock wool panels or mineral mortars with the highest insulating performance of the Spanish market respectively.

Ephrin-dependent growth and pruning of hippocampal axons

Neuronal connections are arranged topographically such that the spatial organization of neurons is preserved by their termini in the targets. During the development of topographic projections, axons initially explore areas much wider than the final targets, and mistargeted axons are pruned later. The molecules regulating these processes are not known. We report here that the ligands of the Eph family tyrosine kinase receptors may regulate both the initial outgrowth and the subsequent pruning of axons. In the presence of ephrins, the outgrowth and branching of the receptor-positive hippocampal axons are enhanced. However, these axons are induced later to degenerate. These observations suggest that the ephrins and their receptors may regulate topographic map formation by stimulating axonal arborization and by pruning mistargeted axons.

Extracellular HIV-1 virus protein R causes a large inward current and cell death in cultured hippocampal neurons: Implications for AIDS pathology

The small HIV-1 accessory protein Vpr (virus protein R) is a multifunctional protein that is present in the serum and cerebrospinal fluid of AIDS patients. We previously showed that Vpr can form cation-selective ion channels across planar lipid bilayers, introducing the possibility that, if incorporated into the membranes of living cells, Vpr might form ion channels and consequently perturb the maintained ionic gradient. In this study, we demonstrate, by a variety of approaches, that Vpr added extracellularly to intact cells does indeed form ion channels. We use confocal laser scanning microscopy to examine the subcellular localization of fluorescently labeled Vpr. Plasmalemma depolarization and damage are examined using the anionic potential-sensitive dye bis(1,3-dibutylbarbituric acid) trimethine oxonol and propidium iodide (PI), respectively, and the effect of Vpr on whole-cell current is demonstrated directly by using the patch-clamp technique. We show that recombinant purified extracellular Vpr associates with the plasmalemma of hippocampal neurons to cause a large inward cation current and depolarization of the plasmalemma, eventually resulting in cell death. Thus, we demonstrate a physiological action of extracellular Vpr and present its mechanistic basis. These findings may have important implications for neuropathologies in AIDS patients who possess significant amounts of Vpr in the cerebrospinal fluid.

Aurintricarboxylic acid prevents GLUR2 mRNA down-regulation and delayed neurodegeneration in hippocampal CA1 neurons of gerbil after global ischemia

Aurintricarboxylic acid (ATA), an inhibitor of endonuclease activity and other protein–nucleic acid interactions, blocks apoptosis in several cell types and prevents delayed death of hippocampal pyramidal CA1 neurons induced by transient global ischemia. Global ischemia in rats and gerbils induces down-regulation of GluR2 mRNA and increased α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid (AMPA)-induced Ca2+ influx in CA1 before neurodegeneration. This result and neuroprotection by antagonists of AMPA receptors suggests that formation of AMPA receptors lacking GluR2, and therefore Ca2+ permeable, leads to excessive Ca2+ influx in response to endogenous glutamate; the resulting delayed neuronal death in CA1 exhibits many characteristics of apoptosis. In this study, we examined the effects of ATA on expression of mRNAs encoding glutamate receptor subunits in gerbil hippocampus after global ischemia. Administration of ATA by injection into the right cerebral ventricle 1 h before (but not 6 h after) bilateral carotid occlusion prevented the ischemia-induced decrease in GluR2 mRNA expression and the delayed neurodegeneration. These findings suggest that ATA is neuroprotective in ischemia by blocking the transcriptional changes leading to down-regulation of GluR2, rather than by simply blocking endonucleases, which presumably act later after Ca2+ influx initiates apoptosis. Maintaining formation of Ca2+ impermeable, GluR2 containing AMPA receptors could prevent delayed death of CA1 neurons after transient global ischemia, and block of GluR2 down-regulation may provide a further strategy for neuroprotection.

Modulation of an early step in the secretory machinery in hippocampal nerve terminals

In hippocampal neurons, neurotransmitter release can be regulated by protein kinase A (PKA) through a direct action on the secretory machinery. To identify the site of PKA modulation, we have taken advantage of the ability of the neurotoxin Botulinum A to cleave the synaptic protein SNAP-25. Cleavage of this protein decreases the Ca2+ responsiveness of the secretory machinery by partially uncoupling Ca2+-sensing from fusion per se. This is expressed as a shift toward higher Ca2+ levels of the Ca2+ to neurotransmitter release relationship and as a perturbation of synaptic delay under conditions where secretion induced by the Ca2+-independent secretagogue ruthenium red is unimpaired. We find that SNAP-25 cleavage also perturbs PKA-dependent modulation of secretion; facilitation of ruthenium red-evoked neurotransmitter release by the adenylyl cyclase activator forskolin is blocked completely after Botulinum toxin A action. Together with our observation that forskolin modifies the Ca2+ to neurotransmitter release relationship, our results suggest that SNAP-25 acts as a functional linker between Ca2+ detection and fusion and that PKA modulates an early step in the secretory machinery related to calcium sensing to facilitate synaptic transmission.

Activity-dependent regulation of synaptic clustering in a hippocampal culture system

Currently, there is a limited understanding of the factors that influence the localization and density of individual synapses in the central nervous system. Here we have studied the effects of activity on synapse formation between hippocampal dentate granule cells and CA3 pyramidal neurons in culture, taking advantage of FM1–43 as a fluorescent marker of synaptic boutons. We observed an early tendency for synapses to group together, quickly followed by the appearance of synaptic clusters on dendritic processes. These events were strongly influenced by N-methyl-d-aspartic acid receptor- and cyclic AMP-dependent signaling. The microstructure and localization of the synaptic clusters resembled that found in hippocampus, at mossy fiber synapses of stratum lucidum. Activity-dependent clustering of synapses represents a means for synaptic targeting that might contribute to synaptic organization in the brain.

Experience-dependent, asymmetric expansion of hippocampal place fields

Theories of sequence learning based on temporally asymmetric, Hebbian long-term potentiation predict that during route learning the spatial firing distributions of hippocampal neurons should enlarge in a direction opposite to the animal’s movement. On a route AB, increased synaptic drive from cells representing A would cause cells representing B to fire earlier and more robustly. These effects appeared within a few laps in rats running on closed tracks. This provides indirect evidence for Hebbian synaptic plasticity and a functional explanation for why place cells become directionally selective during route following, namely, to preserve the synaptic asymmetry necessary to encode the sequence direction.

Context-sensitive synaptic plasticity and temporal-to-spatial transformations in hippocampal slices

Hippocampal slices are used to show that, as a temporal input pattern of activity flows through a neuronal layer, a temporal-to-spatial transformation takes place. That is, neurons can respond selectively to the first or second of a pair of input pulses, thus transforming different temporal patterns of activity into the activity of different neurons. This is demonstrated using associative long-term potentiation of polysynaptic CA1 responses as an activity-dependent marker: by depolarizing a postsynaptic CA1 neuron exclusively with the first or second of a pair of pulses from the dentate gyrus, it is possible to “tag” different subpopulations of CA3 neurons. This technique allows sampling of a population of neurons without recording simultaneously from multiple neurons. Furthermore, it reflects a biologically plausible mechanism by which single neurons may develop selective responses to time-varying stimuli and permits the induction of context-sensitive synaptic plasticity. These experimental results support the view that networks of neurons are intrinsically able to process temporal information and that it is not necessary to invoke the existence of internal clocks or delay lines for temporal processing on the time scale of tens to hundreds of milliseconds.

Long-term potentiation activates the GAP-43 promoter: Selective participation of hippocampal mossy cells

Perforant path long-term potentiation (LTP) in intact mouse hippocampal dentate gyrus increased the neuron-specific, growth-associated protein GAP-43 mRNA in hilar cells 3 days after tetanus, but surprisingly not in granule cells, the perforant path target. This increase was positively correlated with level of enhancement and restricted to central hilar cells on the side of stimulation. Blockade of LTP by puffing dl-aminophosphonovalerate (APV), an N-methyl-d-aspartate (NMDA) receptor blocker into the molecular layer, eliminated LTP-induced GAP-43 mRNA elevation in hilar cells. To determine whether the mRNA elevation was mediated by transcription, LTP was studied in transgenic mice bearing a GAP-43 promoter-lacZ reporter gene. Promoter activity as indexed by Transgene expression (PATE) increased as indicated by blue staining of the lacZ gene product, β-galactosidase. Potentiation induced a blue band bilaterally in the inner molecular layer of the dentate gyrus along the entire septotemporal axis. Because mossy cells are the only neurons in the central hilar zone that project to the inner molecular layer bilaterally along the entire septotemporal axis and LTP-induced activation of PATE in this zone was confined to the side of stimulation, we concluded that mossy cells were unilaterally activated, increasing synthesis of β-galactosidase, which was transported bilaterally. Neither granule cells nor pyramidal cells demonstrated increased PATE or increased GAP-43 mRNA levels. These results and recent evidence indicating the necessity of hilar neurons for LTP point to previously unheralded mossy cells as potentially critical for perforant path LTP and the GAP-43 in these cells as important for LTP persistence lasting days.

Operative GABAergic inhibition in hippocampal CA1 pyramidal neurons in experimental epilepsy

Patch–clamp recordings of CA1 interneurons and pyramidal cells were performed in hippocampal slices from kainate- or pilocarpine-treated rat models of temporal lobe epilepsy. We report that γ-aminobutyric acid (GABA)ergic inhibition in pyramidal neurons is still functional in temporal lobe epilepsy because: (i) the frequency of spontaneous GABAergic currents is similar to that of control and (ii) focal electrical stimulation of interneurons evokes a hyperpolarization that prevents the generation of action potentials. In paired recordings of interneurons and pyramidal cells, synchronous interictal activities were recorded. Furthermore, large network-driven GABAergic inhibitory postsynaptic currents were present in pyramidal cells during interictal discharges. The duration of these interictal discharges was increased by the GABA type A antagonist bicuculline. We conclude that GABAergic inhibition is still present and functional in these experimental models and that the principal defect of inhibition does not lie in a complete disconnection of GABAergic interneurons from their glutamatergic inputs.