An anatomical substrate for experience-dependent plasticity of the rat barrel field cortex.

The objective of this study was to examine the influence of sensory experience on the synaptic circuitry of the cortex. For this purpose, the quantitative distribution of the overall and of the gamma-aminobutyric acid (GABA) population of synaptic contacts was investigated in each layer of the somatosensory barrel field cortex of rats which were sensory deprived from birth by continuously removing rows of whiskers. Whereas there were no statistically significant changes in the quantitative distribution of the overall synaptic population, the number and proportion of GABA-immunopositive synaptic contacts were profoundly altered in layer IV of the somatosensory cortex of sensory-deprived animals. These changes were attributable to a specific loss of as many as two-thirds of the GABA contacts targeting dendritic spines. Thus, synaptic contacts made by GABA terminals in cortical layer IV and, in particular, those targeting dendritic spines represent a structural substrate of experience-dependent plasticity. Furthermore, since in this model of cortical plasticity the neuronal receptive-field properties are known to be affected, we propose that the inhibitory control of dendritic spines is essential for the elaboration of these functional properties.

G protein activation kinetics and spillover of gamma-aminobutyric acid may account for differences between inhibitory responses in the hippocampus and thalamus.

We have developed a model of gamma-aminobutyric acid (GABA)ergic synaptic transmission mediated by GABAA and GABAB receptors, including cooperativity in the guanine nucleotide binding protein (G protein) cascade mediating the activation of K+ channels by GABAB receptors. If the binding of several G proteins is needed to activate the K+ channels, then only a prolonged activation of GABAB receptors evoked detectable currents. This could occur if strong stimuli evoked release in adjacent terminals and the spillover resulted in prolonged activation of the receptors, leading to inhibitory responses similar to those observed in hippocampal slices. The same model also reproduced thalamic GABAB responses to high-frequency bursts of stimuli. In this case, prolonged activation of the receptors was due to high-frequency release conditions. This model provides insights into the function of GABAB receptors in normal and epileptic discharges.

High-affinity neuropeptide Y receptor antagonists.

Neuropeptide Y (NPY) is one of the most abundant peptide transmitters in the mammalian brain. In the periphery it is costored and coreleased with norepinephrine from sympathetic nerve terminals. However, the physiological functions of this peptide remain unclear because of the absence of specific high-affinity receptor antagonists. Three potent NPY receptor antagonists were synthesized and tested for their biological activity in in vitro, ex vivo, and in vivo functional assays. We describe here the effects of these antagonists inhibiting specific radiolabeled NPY binding at Y1 and Y2 receptors and antagonizing the effects of NPY in human erythroleukemia cell intracellular calcium mobilization perfusion pressure in the isolated rat kidney, and mean arterial blood pressure in anesthetized rats.

Impairment of axonal development and of synaptogenesis in hippocampal neurons of synapsin I-deficient mice.

Synapsin I, the most abundant of all neuronal phosphoproteins, is enriched in synaptic vesicles. It has been hypothesized to regulate synaptogenesis and neurotransmitter release from adult nerve terminals. The evidence for such roles has been highly suggestive but not compelling. To evaluate the possible involvement of synapsin I in synaptogenesis and in the function of adult synapses, we have generated synapsin I-deficient mice by homologous recombination. We report herein that outgrowth of predendritic neurites and of axons was severely retarded in the hippocampal neurons of embryonic synapsin I mutant mice. Furthermore, synapse formation was significantly delayed in these mutant neurons. These results indicate that synapsin I plays a role in regulation of axonogenesis and synaptogenesis.

Impairment of synaptic vesicle clustering and of synaptic transmission, and increased seizure propensity, in synapsin I-deficient mice.

Synapsin I has been proposed to be involved in the modulation of neurotransmitter release by controlling the availability of synaptic vesicles for exocytosis. To further understand the role of synapsin I in the function of adult nerve terminals, we studied synapsin I-deficient mice generated by homologous recombination. The organization of synaptic vesicles at presynaptic terminals of synapsin I-deficient mice was markedly altered: densely packed vesicles were only present in a narrow rim at active zones, whereas the majority of vesicles were dispersed throughout the terminal area. This was in contrast to the organized vesicle clusters present in terminals of wild-type animals. Release of glutamate from nerve endings, induced by K+,4-aminopyridine, or a Ca2+ ionophore, was markedly decreased in synapsin I mutant mice. The recovery of synaptic transmission after depletion of neurotransmitter by high-frequency stimulation was greatly delayed. Finally, synapsin I-deficient mice exhibited a strikingly increased response to electrical stimulation, as measured by electrographic and behavioral seizures. These results provide strong support for the hypothesis that synapsin I plays a key role in the regulation of nerve terminal function in mature synapses.

Cone photoreceptors respond to their own glutamate release in the tiger salamander.

Pulse-like currents resembling miniature postsynaptic currents were recorded in patch-clamped isolated cones from the tiger salamander retina. The events were absent in isolated cones without synaptic terminals. The frequency of events was increased by either raising the osmotic pressure or depolarizing the cell. It was decreased by the application of either glutamate or the glutamate-transport blockers dihydrokainate and D,L-threo-3-hydroxyaspartate. The events required external Na+ for which Li+ could not substitute. The reversal potential of these currents followed the equilibrium potential for Cl- when internal Cl- concentration was changed. Thus, these miniature currents appear to represent the presynaptic activation of the glutamate receptor with glutamate transporter-like pharmacology, caused by the photoreceptor's own vesicular glutamate release. Using a noninvasive method to preserve the intracellular Cl- concentration, we showed that glutamate elicits an outward current in isolated cones. Fluorescence of the membrane-permeable form of fura-2 was used to monitor Ca2+ entry at the cone terminal as a measure of membrane depolarization. The increase in intracellular Ca2+ concentration, elicited by puff application of 30 mM KCl, was completely suppressed in the presence of 100 microM glutamate. Puff application of glutamate alone had no measurable depolarizing effect. These results suggest that the equilibrium potential for Cl-, ECl, was more negative than the activation range for Ca2+ channels and that glutamate elicited an outward current, hyperpolarizing the cones.

The vesicular monoamine transporter 2 is present in small synaptic vesicles and preferentially localizes to large dense core vesicles in rat solitary tract nuclei.

In central neurons, monamine neurotransmitters are taken up and stored within two distinct classes of regulated secretory vesicles: small synaptic vesicles and large dense core vesicles (DCVs). Biochemical and pharmacological evidence has shown that this uptake is mediated by specific vesicular monamine transporters (VMATs). Recent molecular cloning techniques have identified the vesicular monoamine transporter (VMAT2) that is expressed in brain. This transporter determines the sites of intracellular storage of monoamines and has been implicated in both the modulation of normal monoaminergic neurotransmission and the pathogenesis of related neuropsychiatric disease. We used an antiserum against VMAT2 to examine its ultrastructural distribution in rat solitary tract nuclei, a region that contains a dense and heterogeneous population of monoaminergic neurons. We find that both immunoperoxidase and immunogold labeling for VMAT2 localize to DCVs and small synaptic vesicles in axon terminals, the trans-Golgi network of neuronal perikarya, tubulovesicles of smooth endoplasmic reticulum, and potential sites of vesicular membrane recycling. In axon terminals, immunogold labeling for VMAT2 was preferentially associated with DCVs at sites distant from typical synaptic junctions. The results provide direct evidence that a single VMAT is expressed in two morphologically distinct types of regulated secretory vesicles in central monoaminergic neurons.

Glial cell line-derived neurotrophic factor but not transforming growth factor beta 3 prevents delayed degeneration of nigral dopaminergic neurons following striatal 6-hydroxydopamine lesion.

Glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) and transforming growth factor beta 3 (TGF-beta 3) are members of the TGF-beta superfamily with high neurotrophic activity on cultured nigral dopamine neurons. We investigated the effects of intracerebral administration of GDNF and TGF-beta 3 on the delayed cell death of the dopamine neurons in the rat substantia nigra following 6-hydroxydopamine lesions of dopaminergic terminals in the striatum. Fluorescent retrograde tracer injections and tyrosine hydroxylase immunocytochemistry demonstrated nigral degeneration with an onset 1 week after lesion, leading to extensive death of nigral neurons 4 weeks postlesion. Administration of recombinant human GDNF for 4 weeks over the substantia nigra at a cumulative dose of 140 micrograms, starting on the day of lesion, completely prevented nigral cell death and atrophy, while a single injection of 10 micrograms 1 week postlesion had a partially protective effect. Continuous administration of TGF-beta 3, starting on the day of lesion surgery, did not affect nigral cell death or atrophy. These findings support the notion that GDNF, but not TGF-beta 3, is a potent neurotrophic factor for nigral dopamine neurons in vivo.

Immunohistochemical localization of adenylyl cyclase in rat brain indicates a highly selective concentration at synapses.

Only three isoforms of adenylyl cyclase (EC 4.6.1.1) mRNAs (AC1, -2, and -5) are expressed at high levels in rat brain. AC1 occurs predominantly in hippocampus and cerebellum, AC5 is restricted to the basal ganglia, whereas AC2 is more widely expressed, but at much lower levels. The distribution and abundance of adenylyl cyclase protein were examined by immunohistochemistry with an antiserum that recognizes a peptide sequence shared by all known mammalian adenylyl cyclase isoforms. The immunoreactivity in striatum and hippocampus could be readily interpreted within the context of previous in situ hybridization studies. However, extending the information that could be gathered by comparisons with in situ hybridization analysis, it was apparent that staining was confined to the neuropil--corresponding to immunoreactive dendrites and axon terminals. Electron microscopy indicated a remarkably selective subcellular distribution of adenylyl cyclase protein. In the CA1 area of the hippocampus, the densest immunoreactivity was seen in postsynaptic densities in dendritic spine heads. Labeled presynaptic axon terminals were also observed, indicating the participation of adenylyl cyclase in the regulation of neurotransmitter release. The selective concentration of adenylyl cyclases at synaptic sites provides morphological data for understanding the pre- and postsynaptic roles of adenylyl cyclase in discrete neuronal circuits in rat brain. The apparent clustering of adenylyl cyclases, coupled with other data that suggest higher-order associations of regulatory elements including G proteins, N-methyl-D-aspartate receptors, and cAMP-dependent protein kinases, suggests not only that the primary structural information has been encoded to render the cAMP system responsive to the Ca(2+)-signaling system but also that higher-order strictures are in place to ensure that Ca2+ signals are economically delivered and propagated.

The alpha and gamma 1 isoforms of protein phosphatase 1 are highly and specifically concentrated in dendritic spines.

Protein phosphatase 1 (PP1) is a highly conserved enzyme that has been implicated in diverse biological processes in the brain as well as in nonneuronal tissues. The present study used light and electron microscopic immunocytochemistry to characterize the distribution of two PP1 isoforms, PP1 alpha and PP1 gamma 1, in the rat neostriatum. Both isoforms are heterogeneously distributed in brain with the highest immunoreactivity being found in the neostriatum and hippocampal formation. Further, both isoforms are highly and specifically concentrated in dendritic spines. Weak immunoreactivity is present in dendrites, axons, and some axon terminals. Immunoreactivity for PP1 alpha is also present in the perikaryal cytoplasm and nuclei of most medium- and large-sized neostriatal neurons. The specific localization of PP1 in dendritic spines is consistent with a central role for this enzyme in signal transduction. The data support the concept that, in the course of evolution, spines developed as specialized signal transduction organelles enabling neurons to integrate diverse inputs from multiple afferent nerve terminals.

Estrutura espacial urbana e mobilidade: o caso da Região Metropolitana de São Paulo

A metrópole de São Paulo é a maior e mais importante aglomeração urbana do Brasil e está entre as dez maiores áreas urbanas do mundo. No entanto, a forma como acessibilidade espacial ocorre gera um fardo para a população e para a atividade econômica. Este trabalho pretende contribuir para a discussão de como melhorar a acessibilidade na Região Metropolitana de São Paulo estudando as características e impactos de estruturas espaciais urbana, analisando criticamente a estrutura espacial da metrópole e proporcionando sugestões de melhorias a fim de proporcionar uma mobilidade mais sustentável. Os procedimentos metodológicos incluem uma revisão bibliográfica sobre o tema e uma caracterização da estrutura espacial da Região Metropolitana de São Paulo, considerando a alocação de população, alocação de empregos e os padrões de deslocamento para os modais individual, coletivo e não motorizado. Apresentamos um relato da evolução recente, com dados das pesquisas de origem e destino realizadas pelo Metrô em 1997 e 2007 e da pesquisa de mobilidade de 2012. Também realizamos uma caracterização mais aprofundada com os dados da pesquisa de 2007. As cidades se desenvolvem com base no trade-off entre proximidade e mobilidade: a fim de maximizar as possibilidades de interação, as pessoas e as empresas tendem a se localizar onde o deslocamento necessário para executar essas interações requer menos custos financeiros, perda de tempo e desconforto. Esse processo molda a alocação espacial de atividades, que define parcialmente os hábitos de transporte. A estrutura espacial urbana pode ser caracterizada por sua escala (padrões compacto ou disperso), arranjo de densidades (padrão disperso ou clusterizado) e arranjo de atividade (padrão monocêntrico ou policêntrico). Estruturas espaciais com padrão mais compacto apresentam menores distâncias de viagem, reduzindo o impacto ambiental das viagens e viabilizando o transporte não motorizado e coletivo, e levam a um uso mais eficiente da terra, menor custo de infraestrutura e maior equidade no acesso ao transporte. Já estruturas clusterizadas policêntricas são associadas com maior facilidade de acesso à terra. Existe um debate sobre a capacidade de estruturas policêntricas resultarem em uma aproximação generalizada de empregos e residências. A Região Metropolitana de São Paulo apresenta um padrão monocêntrico na escala metropolitana, com fortes movimentos pendulares da periferia para o centro expandido da iii capital. Durante o período de análise, foi observada uma realocação da população para áreas mais centrais da cidade e uma centralização dos empregos ainda mais forte, resultando no agravamento dos movimentos pendulares. Existe uma clara divisão modal por renda: as classes mais altas utilizam majoritariamente automóveis, enquanto as classes mais baixas utilizam majoritariamente transporte coletivo e não motorizado. Para o futuro, o novo plano diretor tem o mérito de caminhar na direção do desenvolvimento urbano orientado pelo transporte sustentável, porém os níveis de densidade máxima permitidos ainda são parecidos com o do plano anterior e a largura dos eixos de adensamento é restrita. Acreditamos ser vantajoso um aumento do adensamento em áreas próximas dos empregos; geração de polos de adensamento em áreas mais afastadas dos empregos, mas próximas das infraestruturas de transporte coletivo de alta velocidade, e desencorajamento do adensamento em áreas com baixa acessibilidade. Também é necessária uma gestão integrada dos transportes, provendo infraestrutura para viagens não motorizadas e viagens intermodais, e uma gestão dos impactos negativos do adensamento.

Efeito da estimulação purinérgica sobre a produção de melatonina em macrófagos da linhagem RAW 264.7

A melatonina é um hormônio produzido de forma rítmica e no período de escuro pela glândula pineal bem como de forma não rítmica por diversos tecidos e células imunocompetentes. É sintetizada pela acetilação e metilação da serotonina pela ação das enzimas arilalquilamina N-acetiltransferase (AA-NAT) e acetilserotonina -O-metiltransferase (ASMT) que levam à formação de N-acetilserotonina (NAS) e melatonina (MEL), respectivamente. Nos últimos anos temos demonstrado que síntese de melatonina pela pineal pode ser negativamente modulada por mediadores inflamatórios e pelo ATP que atua como co-transmissor juntamente com a noradrenalina liberada no terminal nervoso simpático que a inerva. Perifericamente, contudo, estes mediadores inflamatórios apresentam um efeito contrário induzindo a produção de melatonina em células imunocompetentes. Estas observações levaram à criação da hipótese de um eixo imune-pineal. Esse trabalho teve como objetivo verificar o efeito do ATP sobre produção de melatonina em macrófagos da linhagem RAW 264.7 Os dados desse trabalho mostram que o ATP é capaz de induzir de maneira dose dependente a produção de melatonina em macrófagos através da modulação das enzimas AA-NAT e ASMT. Foi demostrado também que esse efeito é mediado pelo receptor P2X7 e que a melatonina produzida age autocrina e paracrinamente aumentando a fagocitose de particulas de zimosan. Com isso, podemos concluir que o ATP é um ativador endógeno do eixo imune-pineal

Diversificação de espécies e da morfologia em serpentes da família Viperidae: padrões e processos

A diversidade de espécies e fenotípica pode variar consideravelmente entre grupos taxonômicos e ao longo do tempo em uma mesma linhagem. O estudo de tais variações tornou-se um dos principais objetivos da biologia evolutiva fornecendo informações importantes a respeito dos possíveis mecanismos que regulam a biodiversidade. Dessa forma, o objetivo geral da presente tese foi investigar os padrões da diversificação de espécies e da morfologia em um grupo cosmopolita de serpentes, a família Viperidae, e os potenciais processos subjacentes. Primeiramente, (1) reconstruímos as relações filogenéticas e estimamos os tempos de divergência entre as linhagens da família Viperidae utilizando uma abordagem Bayesiana. (2) Aplicando um método recentemente desenvolvido (BAMM), exploramos como as taxas de especiação e extinção variaram ao longo da radiação do grupo inferindo os possíveis processos reguladores. Por fim, (3) analisamos se a evolução do tamanho do corpo e as taxas de especiação variam nos diferentes habitats ocupados pelos viperídeos (terrestres vs arborícola). Nesta tese geramos a filogenia molecular de viperídeos mais completa até o momento utilizando sequências para 11 genes mitocondriais e nucleares abrangendo 79% das espécies viventes (264 terminais) e todos com exceção de um gênero. De maneira geral, foi possível obter relações filogenéticas robustas para o grupo com a maioria dos gêneros sendo monofilética. Os tempos de divergência obtidos indicam que os viperídeos começaram a diversificar em meados do Paleoceno tardio/meio do Eoceno inferindo idades um pouco mais tardias que o encontrado em estudos anteriores. Durante a radiação do grupo, um aumento nas taxas de especiação parece ter ocorrido durante a diversificação dos crotalíneos (pit vipers) em decorrência não só da evolução das fossetas loreais mas também como resultado de mudanças geológicas e climáticas na Ásia e da invasão do novo mundo. Após este rápido aumento inicial, as taxas de especiação desaceleraram em direção ao presente. Por fim, os resultados aqui apresentados indicam que apesar dos habitats arborícolas limitarem a evolução morfológica nos viperídeos, a evolução da arborealidade parece não afetar as taxas de especiação que permanecem similares entre linhagens arborícolas e terrestres. Isto sugere dois cenários: (1) a especiação acontece de forma independente das mudanças morfológicas nos viperídeos; ou (2) o isolamento geográfico seria um mecanismo importante na diversificação de linhagens arborícolas contrabalançando decréscimos nas oportunidades de especiação possivelmente relacionados às pressões seletivas impostas pelo ambiente arborícola. A presente tese contribui para entendermos mais sobre como evoluíram os viperídeos ao longo dos seus ∼50 milhões de anos. Além de propor cenários e hipóteses a serem futuramente explorados com os viperídeos, elaboramos uma discussão ampla e conceitual a respeito dos possíveis mecanismos por trás da diversificação de espécies e da morfologia que poderiam também ser contemplados para outros grupos de organismos. Portanto, a presente tese contribui não só para entendermos os mecanismos que geram e mantém a diversidade de serpentes, mas também para enriquecer a discussão dos mecanismos que geram e mantém a biodiversidade como um todo

Análise crítica e métodos para avaliação da competição portuária entre terminais de contêineres.

Uma compreensão aprofundada da dinâmica de competição portuária é particularmente importante dado o contexto atual do setor, que orienta à outorga de novos portos e terminais no Brasil, à luz da Nova Lei dos Portos, Lei Nº 12.815 de 2013. A avaliação dos reais impactos decorrentes do aumento de capacidade portuária em cada região será atividade fundamental para que, por um lado, o poder público oriente a alocação efetiva de recursos, sem prejudicar a operação dos complexos existentes; e para que a iniciativa privada, por sua vez, possa compreender os impactos dos possíveis novos empreendimentos sobre as suas operações e delinear estratégias comerciais compatíveis com o novo cenário competitivo. A partir de extensa revisão bibliográfica e da aplicação de técnicas a casos específicos, o presente trabalho detalha a dinâmica competitiva entre terminais de contêineres e avalia criticamente seis métodos utilizados para identificar a existência de competição: correlação de market share, comparação de taxas de ocupação, sobreposição de escalas marítimas, comparação de custos logísticos terrestres, representatividade da região de influência contestável e existência de poder de mercado sobre a região de influência. Dos seis métodos analisados, dois apresentam conclusões fulminantes para a questão, embora sua aplicação demande grande volume de informações; um é assertivo em condições normais de distribuição geográfica de cargas; dois apresentam condições necessárias, porém não suficientes para a identificação de competição; e um deve ser aplicado com ressalvas, uma vez que pode levar a conclusões equivocadas.

Morfologia, taxonomia e análise cladística da tribo Kingsleyini (Crustacea: Decapoda: Pseudothelphusidae)

Kingsleyini corresponde a uma das cinco tribos de Pseudothelphusidae, grupo exclusivamente americano de caranguejos de água doce. Atualmente a tribo inclui 59 espécies agrupadas em 13 gêneros, com distribuição associada aos rios, riachos e igarapés das bacias do Amazonas e do Orinoco. Desde a criação de Kingsleyini o aumento de novos táxons atribuídos a esta tribo não tem sido acompanhado por estudos cladísticos. No presente trabalho é realizada a análise cladística de Kingsleyini, acompanhada de uma revisão morfológica e taxonômica do grupo. Com este propósito, foram estudados espécimes de 60 espécies representantes das cinco tribos e duas subfamílias inclusas em Pseudothelphusidae. O material estudado se encontra depositado nas coleções carcinológicas de seis instituições e inclui os tipos nominais de 29 espécies. Na revisão morfológica foram descritas e ilustradas estruturas somáticas e sexuais da morfologia externa do grupo de estudo. Os estudos morfológicos foram auxiliados por técnicas de Microscopia Electrônica de Varredura (MEV) e cortes histológicos. A partir destas observações foram propostas modificações na terminologia utilizada para denominar as estruturas do primeiro apêndice sexual masculino (primeiro gonópodo) em Kingsleyini. A parte taxonômica deste trabalho inclui chaves de identificação, mapas de distribuição, listas sinonímicas e a descrição e ilustração do primeiro apêndice sexual masculino para a grande maioria das espécies examinadas, assim como a diagnose dos gêneros considerados monofiléticos. A análise filogenética foi realizada a partir de 92 caracteres obtidos de 57 táxons terminais: 49 terminais do grupo interno (Kingsleyini) e oito do grupo-externo (representantes dos demais Pseudothelphusidae). Como resultado da análise cladística foram obtidas seis hipóteses filogenéticas igualmente parcimoniosas: todas elas apoiam o monofiletismo de Kingsleyini e a exclusão do gênero Spirocarcinus da tribo. O monofiletismo dos gêneros Fredius, Kingsleya, Eudaniela e Rodriguezus também encontra-se sustentado em todas as hipóteses filogenéticas obtidas, enquanto que os gêneros Microthelphusa, Neopseudothelphusa, Orthothelphusa e Brasiliothelphusa revelaram-se parafiléticos.