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.

Socio-cultural Degeneration and State Patronage of the Arts: Mapplethorpe, Cultural Crisis, and the NEA

The goal of this paper is to investigate how the Untied States federal government, specifically through the National Endowment for the Arts, or NEA, has acted in the position of an arts patron in the past few decades. Specifically, this paper will focus on the past decade and a half since the 'arts crisis' of the late 1980s and the social and political backlash against the art community in the 1990s, which was only against ‘offensive’ art that was seen as morally and culturally corruptive. I explore the political, social, and economic forms the backlash took, particularly rooted in a perceived fear of degenerative arts as a corruption of and a catalyst for the eventual collapse of American culture and values. Additionally, I analyse the role the federal government played in ‘ameliorating’ the situation. I investigate how state arts patronage has affected and continues to affect both the concepts behind and the manifestations of art, as well as who is encouraged, sanctioned, or neglected in the production of art. To accomplish this, I explore how and why the federal government employs the arts to define and redefine morality and culture, and how does it express/allow the expressions of these through art.

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

Ticks' response to feeding on host immunized with glandular extracts of Rhipicephalus sanguineus females fed for 2, 4, and 6 days. I. Inactivity or early degeneration of salivary glands?

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

Neuronal vacuolation and spongiform lesions in young Rottweiler dogs

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

Administração repetida de baixas doses de reserpina: um possível modelo para o estudo de déficits cognitivos e motores associados à Doença de Parkinson

Parkinson's disease (PD) is one of the most common neurodegenerative brain disorders and is characterized primarily by a progressive degeneration of dopaminergic neurons nigroestriatais. The main symptoms of this disease are motor alterations (bradykinesia, rigidity, tremor at rest), which can be highly disabling in advanced stages of the condition. However, there are symptomatic manifestations other than motor impairment, such as changes in cognition, mood and sensory systems. Animal models that attempt to mimic clinical features of PD have been used to understand the behavioral and neural mechanisms underlying neurophysiological disturbance of this disease. However, most models promote an intense and immediate motor impairment, consistent with advanced stages of the disease, invalidating these studies for the evaluation of its progressive nature. The administration of reserpine (a monoamine depletor) in rodents has been considered an animal model for studying PD. Recently we found that reserpine (in doses lower than those usually employed to produce the motor symptoms) promotes a memory deficit in an aversive discrimination task, without changing the motor activity. It was suggested that the administration of this drug in low doses can be useful for the study of memory deficits found in PD. Corroborating this data, in another study, acute subcutaneous administration of reserpine, while preserving motor function, led to changes in emotional context-related (but not neutral) memory tasks. The goal of this research was to study the cognitive and motor deficits in rats repeatedly treated with low doses of reserpine, as a possible model that simulates the progressive nature of the PD. For this purpose, 5-month-old male Wistar rats were submitted to a repeated treatment with vehicle or different doses of reserpine on alternate days. Cognitive and motor parameters and possible changes in neuronal function were evaluated during treatment. The main findings were: repeated administration of 0.1 mg / kg of reserpine in rats is able to induce the gradual appearance of motor signs compatible with progressive features found in patients with PD; an increase in striatal levels of oxidative stress and changes in the concentrations of glutamate in the striatum were observed five days after the end of treatment; in animals repeatedly-treated with 0. 1 mg/kg, cognitive deficits were observed only after the onset of motor symptoms, but not prior to the onset of these symptoms; 0.2 mg / kg reserpine repeated treatment has jeopardized the cognitive assessment due to the presence of severe motor deficits. Thus, we suggest that the protocol of treatment with reserpine used in this work is a viable alternative for studies of the progressive appearance of parkinsonian signs in rats, especially concerning motor symptoms. As for the cognitive symptoms, we suggest that more studies are needed, possibly using other behavioral models, and / or changing the treatment regimen

Acquired hepatocerebral degeneration and hepatic encephalopathy: correlations and variety of clinical presentations in overt and subclinical liver disease

A degeneração hepatocerebral adquirida (AHD) e a degeneração hepatolenticular podem ter apresentações clínicas semelhantes, mas quando uma doença hepática crônica e achados motores atípicos coexistem, a distinção entre AHD e encefalopatia hepática (HE) pode ser ainda mais complicada. Descrevemos três casos de AHD (dois tendo HE) com diferentes achados em neuroimagem, doenças hepáticas distintas e apresentações motoras semelhantes, todos com hipertensão arterial e perda de peso antes das manifestações motoras. O diagnóstico e a fisiopatologia são comentados e comparados com relatos prévios. Concluímos que existem muitas correlações entre HE, degeneração hepatolenticular e AHD, mas a sobreposição de HE e AHD pode ser mais comum dependendo do conhecimento clínico e da acurácia dos critérios diagnósticos adotados para cada enfermidade. Como a AHD não é considerada prioridade na lista de transplante hepático, o prognóstico dos pacientes com AHD permanece ruim, e a interrupção do fluxo nos shunts portossistêmicos deve ser sempre considerada.

Follow-up of the Development of Femoral Degeneration Lesions in Broilers

A study was carried out in the experimental facilities of FMVZ/UNESP-Botucatu, with the aim of following-up the development and the incidence of femoral degeneration (FD). A total of 305 one-day-old male broilers were housed in six pens of 5m(2) each. Histological analyses of femur head collected when broilers were 0, 7, 14, 21, 28, 35, and 42 days of age were carried out. At 42 days of age, 30 birds were taken to the experimental processing plant of FMVZ for leg gross examination. Ten legs per FD score where selected, and histologically analyzed to determine the most probable age at the beginning of the lesions, and to standardize femoral degeneration lesion scores. The histological results showed that cell architecture started to disorganize at 21 days of age in the resting and proliferation zones, and that angiogenesis increased, invading the joint cartilage, The gross lesion indexes due to femoral degeneration were 22.5%, 42.5%, and 65% at 28, 35, and 42 days of age, respectively.