Neural Prosthetics and Parietal Cortex

In the last decade, research efforts into directly interfacing with the neurons of individuals with motor deficits have increased. The goal of such research is clear: Enable individuals affected by paralysis or amputation to regain control of their environments by manipulating external devices with thought alone. Though the motor cortices are the usual brain areas upon which neural prosthetics depend, research into the parietal lobe and its subregions, primarily in non-human primates, has uncovered alternative areas that could also benefit neural interfaces. Similar to the motor cortical areas, parietal regions can supply information about the trajectories of movements. In addition, the parietal lobe also contains cognitive signals like movement goals and intentions. But, these areas are also known to be tuned to saccadic eye movements, which could interfere with the function of a prosthetic designed to capture motor intentions only. In this thesis, we develop and examine the functionality of a neural prosthetic with a non-human primate model using the superior parietal lobe to examine the effectiveness of such an interface and the effects of unconstrained eye movements in a task that more closely simulates clinical applications. Additionally, we examine methods for improving usability of such interfaces.

The parietal cortex is also believed to contain neural signals relating to monitoring of the state of the limbs through visual and somatosensory feedback. In one of the world’s first clinical neural prosthetics based on the human parietal lobe, we examine the extent to which feedback regarding the state of a movement effector alters parietal neural signals and what the implications are for motor neural prosthetics and how this informs our understanding of this area of the human brain.

Connectivity and Function of the Primate Insula

The insula is a mammalian cortical structure that has been implicated in a wide range of low- and high-level functions governing one’s sensory, emotional, and cognitive experiences. One particular role of this region is considered to be processing of olfactory stimuli. The ability to detect and evaluate odors has significant effects on an organism’s eating behavior and survival and, in case of humans, on complex decision making. Despite such importance of this function, the mechanism in which olfactory information is processed in the insula has not been thoroughly studied. Moreover, due to the structure’s close spatial relationship with the neighboring claustrum, it is not entirely clear whether the connectivity and olfactory functions attributed to the insula are truly those of the insula, rather than of the claustrum. My graduate work, consisting of two studies, seeks to help fill these gaps. In the first, the structural connectivity patterns of the insula and the claustrum in a non-human primate brain is assayed using an ultra-high-quality diffusion magnetic resonance image, and the results suggest dissociation of connectivity — and hence function — between the two structures. In the second study, a functional neuroimaging experiment investigates the insular activity during odor evaluation tasks in humans, and uncovers a potential spatial organization within the anterior portion of the insula for processing different aspects of odor characteristics.

Localization of sources of human evoked responses

The evoked response, a signal present in the electro-encephalogram when specific sense modalities are stimulated with brief sensory inputs, has not yet revealed as much about brain function as it apparently promised when first recorded in the late 1940's. One of the problems has been to record the responses at a large number of points on the surface of the head; thus in order to achieve greater spatial resolution than previously attained, a 50-channel recording system was designed to monitor experiments with human visually evoked responses.

Conventional voltage versus time plots of the responses were found inadequate as a means of making qualitative studies of such a large data space. This problem was solved by creating a graphical display of the responses in the form of equipotential maps of the activity at successive instants during the complete response. In order to ascertain the necessary complexity of any models of the responses, factor analytic procedures were used to show that models characterized by only five or six independent parameters could adequately represent the variability in all recording channels.

One type of equivalent source for the responses which meets these specifications is the electrostatic dipole. Two different dipole models were studied: the dipole in a homogeneous sphere and the dipole in a sphere comprised of two spherical shells (of different conductivities) concentric with and enclosing a homogeneous sphere of a third conductivity. These models were used to determine nonlinear least squares fits of dipole parameters to a given potential distribution on the surface of a spherical approximation to the head. Numerous tests of the procedures were conducted with problems having known solutions. After these theoretical studies demonstrated the applicability of the technique, the models were used to determine inverse solutions for the evoked response potentials at various times throughout the responses. It was found that reliable estimates of the location and strength of cortical activity were obtained, and that the two models differed only slightly in their inverse solutions. These techniques enabled information flow in the brain, as indicated by locations and strengths of active sites, to be followed throughout the evoked response.

Study of ion movements in isolated chicken retinas during spreading depression

Spreading depression (SD) is a phenomenon observed in several sections of vertebrate central nervous system. It can occur spontaneously or be evoked by a variety of stimuli, and consists of a wave of depression of the normal electrical activity of the nervous tissue which spreads slowly in all directions in the tissue. This wave of depression is accompanied by several concomitants including ion movements. All the concomitants of SD can be explained by an increase in the sodium permeability of the plasma membranes of cellular elements involved in this phenomenon.

In the chicken retina, SD is accompanied by a transparency change which can be detected with the naked eye. The isolated retina is a thin (0.1 mm) membrane in which the extracellular fluid quickly and completely equilibrates with the incubation solutions. This preparation was therefore used to study the ion movements during SD by measuring and comparing the ion contents and the extracellular space (ECS) of retinas incubated in various solutions of which some inhibited SD, whereas others allowed this phenomenon to occur.

The present study has shown that during SD there is a shift of extracellular sodium into the intracellular compartment of the retina, a release of intracellular K and a decrease in the magnitude of ECS. These results are in agreement with previous postulates about SD, although the in vitro experimental condition makes the ion movements appear larger and the loss of ECS smaller than observed in the intact cortical tissue. The movements of Na and K, in opposite directions, are reversible. The development and magnitudes of SD is very little affected by deprivation of the oxygen supply.

It was established that the inward sodium shift is not a consequence of an arrest of the Na-pump. It can be prevented, together with SD by the membrane stabilizers, magnesium and procaine. Spreading depression and the ion movements are incompletely inhibited by tetrodotoxin, which blocks the sodium influx into nerve fibers during the action potential. The replacement of Na in the bathing solution by Li does not prevent SD, which is accompanied by Li accumulation in the intracellular compartment. From these experiments and others it was concluded that the mechanism underlying SD and the ion shifts is an increase in the sodium permeability of cell membranes.

Condições de saúde bucal em atletas dos XV Jogos Pan-Americanos e III Jogos Parapan-Americanos, Rio de Janeiro, Brasil, 2007

O estudo epidemiológico transversal randomizado objetivou avaliar condições de saúde bucal nos competidores dos XV Jogos Pan-Americanos (JPA) e III Jogos Parapan-Americanos (JPPA), 2007. Foram enviados convites para 5.662 atletas (JPA) e 1.300 (JPPA). Radiografias panorâmicas digitais (RPD) foram utilizadas para o exame de triagem nos 2 eventos, e nos JPPA, os atletas também foram submetidos à avaliação do sangramento gengival interdental (SI) através de uma versão modificada do Índice de Sangramento Interdental de Eastman (EIBI). Foram obtidas RPDs de 410 atletas dos JPA, média de idade 24,38 (dp5,35), 55% homens; e de 118 dos atletas dos JPPA, média de idade de 32,3 (dp9,53), 77,97% homens. 121 competidores (JPPA) foram avaliados para SI: 78,51% homens, média de idade 32,6(dp9,6), e foram separados em grupos (G), conforme sua deficiência física: GI c/ deficiência visual (DV), com 2 subgrupos: GI-a: DV tardia e GI-c-: DV congênita/precoce; GII- deficiência de membro superior; com 1 subgrupo: GII-t: deficiência/ausência bilateral; GIII- deficiência de membro inferior (grupo controle). As RPDs foram examinadas por 1 examinador com o Kodak Dental Imaging(v6.7). A frequência e a distribuição do SI foram calculadas, e os grupos foram comparados. Resultados da triagem com RPDs, representados por número de observações(média por atleta) JPA//número de observações(média por atleta JPPA: Dentes erupcionados/ hígidos: 9097(22,19)//2451(20,77); Ausentes: 803(1,96 //405(3,43); Não erupcionados ou impactados: 330(0,80)//52(0,44); Parcialmente erupcionados e/ou hígidos: 109(0,27)//20(0,17); Cárie extensa: 261(0,64)//62(0,53); Cárie extensa e lesão periapical: 96(0,23)//50(0,42); Tratamento endodôntico e lesão periapical: 24(0,06)//13(0,11); Restaurados: 2298(5,60)//670(5,68); Imagens radiolúcidas patológicas circunscritas: 23(0,06)//0; Raízes-residuais: 27(0,07)//22(0,19); Implantes:6(0,01)//5(0,04); Dentes anteriores fraturados: 13 (0,03)//3(0,03); Molares bandados: 26(0,06)//11(0,09); Dentes anômalos: 7(0,02)//12(0,10). Resultados para SI: G-I>G-III (p=0.0002);GI-c>GI-a (p=0,042). Homens exibiram > freqüência de SI (3,6%+1,7) que mulheres (0,8%+0,5), p<0,01. Conclusões: Os dados das 2 populações de atletas mostraram que há uma grande variação na saúde bucal entre os indivíduos avaliados. Diversas condições com potencial de influenciar o desempenho esportivo dos atletas foram detectadas através de radiografias panorâmicas digitais, sugerindo que um programa de saúde bucal deve ser incluído como parte da preparação destes indivíduos.A avaliação da frequência e distribuição de sangramento gengival interdental em uma população de atletas que competiu nos III Jogos Parapan-Americanos, revelou que o tipo de deficiência ou limitação física dos competidores é um fator que influencia na saúde gengival desses indivíduos. O planejamento de um programa de saúde bucal para esta população deve ser adaptado às diferentes limitações de cada atleta.

O comportamento em campo aberto como modelo para avaliar a recuperação funcional após lesão unilateral dos barris do córtex somatossensorial

Em roedores, as vibrissas são detectores táteis que desempenham papel importante na exploração espacial do ambiente e na discriminação de texturas. No córtex somatosensorial, os campos receptivos de cada uma das vibrissas estão organizados no hemisfério contralateral em colunas discretas denominadas barris. A lesão unilateral dos barris produz um comportamento assimétrico caracterizado pela redução no uso da vibrissa contralateral à lesão na exploração do ambiente, assimetria esta que diminui progressivamente na medida em que os animais são repetidamente testados. Em ratos, este comportamento, normalmente medido pelo número de vezes que os animais encostam as vibrissas na parede de um campo aberto, tem se mostrado uma ferramenta importante em estudos de plasticidade e recuperação funcional após lesões corticais. Contudo, em camundongos com lesões unilaterais dos barris, o registro dos toques das vibrissas na parede tem levado a resultados contraditórios. Esse trabalho tem por objetivo principal o estabelecimento de um modelo comportamental para avaliação da recuperação funcional após lesões unilaterais dos barris do córtex somatosensorial em camundongos. Para tanto, o sentido dos deslocamentos realizados próximos às quinas do campo aberto foi registrado em camundongos Suíços machos submetidos à criolesão unilateral dos barris foi avaliado em três estudos independentes. No primeiro estudo, demonstramos que no grupo Criolesado houve um predomínio dos deslocamentos em sentido contralateral na primeira vez em que foram testados no campo aberto e este resultado foi independente do fato de na primeira sessão ter sido realizada um ou nove dias após a cirurgia. Além disso, demonstramos que o predomínio de deslocamentos em sentido contralateral foi diminuindo na medida em que os animais eram repetidamente testados no campo aberto. No segundo estudo, demonstramos que os animais do grupo Criolesado que foram previamente submetidos a cinco sessões experimentais no campo aberto não apresentaram, após a cirurgia, diferenças entre os deslocamentos realizados em sentido ipsolateral e contralateral à lesão. Já no terceiro estudo, demonstramos que os animais do grupo Criolesado que não foram previamente testados no campo aberto apresentam um predomínio de deslocamentos em sentido contralateral, mesmo quando o teste foi realizado 48 dias após a lesão unilateral dos barris. Nossos dados sugerem que o sentido dos deslocamentos próximo às quinas do campo aberto pode ser uma ferramenta importante para avaliar a recuperação das lesões unilaterais nos barris do córtex somatosensorial. Além disso, para avaliar a recuperação funcional após a lesão unilateral dos barris do córtex somatossensorial, sem o viés da habituação à situação do teste, os animais devem ser testados apenas uma vez

Cerebral hemodynamics during graded Valsalva maneuvers

The Valsalva maneuver (VM) produces large and abrupt changes in mean arterial pressure (MAP) that challenge cerebral blood flow and oxygenation. We examined the effect of VM intensity on middle cerebral artery blood velocity (MCAv) and cortical oxygenation responses during (phases I-III) and following (phase IV) a VM. Healthy participants (n = 20 mean +/- SD: 27 +/- 7 years) completed 30 and 90% of their maximal VM mouth pressure for 10 s (order randomized) whilst standing. Beat-to-beat MCAv, cerebral oxygenation (NIRS) and MAP across the different phases of the VM are reported as the difference from standing baseline. There were significant interaction (phase * intensity) effects for MCAv, total oxygenation index (TOI) and MAP (all P < 0.01). MCAv decreased during phases II and III (P < 0.01), with the greatest decrease during phase III (-5 +/- 8 and -19 +/- 15 cm.s(-1) for 30 and 90% VM, respectively). This pattern was also evident in TOI (phase III: -1 +/- 1 and -5 +/- 4%, both P < 0.05). Phase IV increased MCAv (22 +/- 15 and 34 +/- 23 cm.s(-1)), MAP (15 +/- 14 and 24 +/- 17 mm Hg) and TOI (5 +/- 6 and 7 +/- 5%) relative to baseline (all P < 0.05). Cerebral autoregulation, indexed, as the % MCAv/%MAP ratio, showed a phase effect only (P < 0.001), with the least regulation during phase IV (2.4 +/- 3.0 and 3.2 +/- 2.9). These data illustrate that an intense VM profoundly affects cerebral hemodynamics, with a reactive hyperemia occurring during phase IV following modest ischemia during phases II and III.

Cytokine pathway disruption in a mouse model of schizophrenia induced by Munc18-1a overexpression in the brain

Background: An accumulating body of evidence points to the significance of neuroinflammation and immunogenetics in schizophrenia, and an imbalance of cytokines in the central nervous system (CNS) has been suggested to be associated with the disorder. Munc18-overexpressing mice (Munc18-OE) have provided a model for the study of the alterations that may underlie the symptoms of subjects with schizophrenia. The aim of the present study was to elucidate the involvement of neuroinflammation and cytokine imbalance in this model. Methods: Cytokines were evaluated in the cortex and the striatum of Munc18-OE and wild-type (WT) mice by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). Protein levels of specific microglia and macrophage, astrocytic and neuroinflammation markers were quantified by western blot in the cortex and the striatum of Munc18-OE and WT mice. Results: Each cytokine evaluated (Interferon-gamma (IFN-gamma), Tumor Necrosis Factor-alpha (TNF-alpha), Interleukin-2 (IL-2) and CCL2 chemokine) was present at higher levels in the striatum of Munc18-OE mice than WT. Cortical TNF-alpha and IL-2 levels were significantly lower in Munc18-OE mice than WT mice. The microglia and macrophage marker CD11b was lower in the cortexes of Munc18-OE mice than WT, but no differences were observed in the striatum. Glial Fibrillary Acidic Protein (GFAP) and Nuclear Factor-kappaB (NF-kappa B)p65 levels were not different between the groups. Interleukin-1beta (IL-1 beta) and IL-6 levels were beneath detection limits. Conclusions: The disrupted levels of cytokines detected in the brain of Munc18-OE mice was found to be similar to clinical reports and endorses study of this type for analysis of this aspect of the disorder. The lower CD11b expression in the cortex but not in the striatum of the Munc18-OE mice may reflect differences in physiological activity. The cytokine expression pattern observed in Munc18-OE mice is similar to a previously published model of schizophrenia caused by maternal immune activation. Together, these data suggest a possible role for an immune imbalance in this disorder.

Avaliação da idade e maturação óssea em crianças cardiopatas

O estudo do crescimento e desenvolvimento é essencial para a Ortodontia, pois cada criança possui um padrão único. Na presença de doenças sistêmicas como as cardiopatias, um exame mais detalhado deve ser feito, uma vez que estas podem alterar o crescimento e desenvolvimento. Um dos métodos mais utilizados nesta avaliação é a análise da calcificação dos ossos da mão e punho. Porém, as modificações no tamanho e forma das vértebras cervicais vêm sendo muito utilizadas nas últimas décadas pelo fato de ser realizada em radiografias cefalométricas laterais, rotineiramente utilizadas no diagnóstico ortodôntico. Inicialmente, os objetivos deste trabalho foram verificar a correlação entre os métodos de obtenção da idade óssea e dos estágios de maturação óssea que utilizam os indicadores presentes na região de mão e punho e os presentes nas vértebras cervicais em um grupo de crianças cardiopatas e não cardiopatas. A partir da correlação positiva e significativa, utilizou-se o método das vértebras cervicais para comparar a idade óssea, a diferença entre idade óssea e cronológica e os estágios de maturação óssea entre crianças cardiopatas e não cardiopatas. A amostra foi formada por 120 crianças com idades entre 4,83 a 14,66 anos, atendidas no Ambulatório de Pediatria do Hospital Universitário Pedro Ernesto. Entre estas, 73 eram cardiopatas, todas portadoras de cardiopatias congênitas cianóticas e 47 não cardiopatas, que faziam apenas acompanhamento de rotina, com idades médias de 9,3 e 8,9 anos respectivamente. A idade e maturação óssea foram verificadas através de radiografias cefalométricas laterais e carpais. A determinação da idade óssea foi realizada pelo método de Mito et al. nas radiografias cefalométricas laterais e pelo método de Greulich e Pyle nas radiografias carpais. E, os estágios de maturação óssea foram obtidos pelo método de Hassel e Farman nas radiografias cefalométricas laterais e pelo método de Singer nas radiografias carpais. A correlação entre os métodos de obtenção da idade óssea e dos estágios de maturação óssea apresentou valores positivos e significativos; tanto para o grupo cardiopata, com r = 0,478 (p<0,001) para idade óssea e r = 0,616 (p<0,001) para os estágios de maturação óssea, quanto para o grupo não cardiopata, com r = 0,366 (p=0,024) para idade óssea e r = 0,613 (p<0,001) para os estágios de maturação óssea. As idades ósseas não apresentaram diferença significativa entre os grupos (p=0,394). As diferenças entre as idades cronológicas e ósseas não apresentaram diferença significativa tanto no grupo cardiopata (p=0,418), quanto para o grupo não cardiopata (p=0,143). Também não foram encontradas diferenças significativas entre os grupos quando avaliada a quantidade de crianças que apresentavam idade óssea atrasada em relação à idade cronológica (p=0,395). O mesmo ocorreu quando avaliados os gêneros masculino (p = 0,060) e feminino (p = 0,313). A distribuição da amostra pelos estágios de maturação óssea não apresentou diferenças significativas entre os grupos (p=0,447). Os resultados do presente trabalho sugerem que a cardiopatia congênita, nesta faixa etária avaliada, não altera o padrão de maturação óssea analisado pelas vértebras cervicais.

FTY720 attenuates excitotoxicity and neuroinflammation

Background: FTY720 (fingolimod, Gilenya(TM)), a structural analog of sphingosine-1-phosphate (S1P), is the first oral drug approved for treatment the relapsing-remitting form of multiple sclerosis (MS), and its efficacy has been related to induced lymphopenia and consequent immunosuppression via modulation of S1P(1) receptors (S1P(1)R). However, due to its lipophilic nature, FTY720 crosses the blood brain barrier (BBB) and could act directly on neural cells. In this study, we investigated the effectiveness of FTY720 as a neuroprotective agent using in vitro and in vivo models of excitotoxic neuronal death and examined if FTY720 exerts a direct action on neurons, or/and an indirect modulation of inflammation-mediated neurodegeneration as a possible mechanism of neuroprotection. Methods: Primary neuronal and organotypic cortical cultures were treated with N-methyl-D-aspartic acid (NMDA) to induce excitotoxic cell death (measured by lactate dehydrogenase (LDH) assay or propidium iodide uptake, respectively). The effects of FTY720 treatment (10, 100 and 1,000 nM) on neuronal survival were examined. As an in vivo model of neuronal death and inflammation, we used intracerebroventricular (icv) administration of kainic acid (KA; 0.5 mu g/2 mu l) in Sprague-Dawley rats. FTY720 was applied icv (1 mu g/2 mu l), together with KA, plus intraperitoneally (ip; 1 mg/kg) 24 h before, and daily, until sacrifice 3 days after icv. Rats were evaluated for neurological score, neuronal loss in CA3 hippocampal region and activation of microglia at the lesion site. In addition, we tested FTY720 as a modulator of microglia responses using microglial cell cultures activated with lipopolysaccharide (LPS) and its effects in stress signalling pathways using western blotting for p38 and JNK1/2 mitogen-activated protein kinases (MAPKs). Results: FTY720 was able to reduce excitotoxic neuronal death in vitro. Moreover, in vivo repeated FTY720 administration attenuated KA-induced neurodegeneration and microgliosis at the CA3 lesion site. Furthermore, FTY720 negatively modulates p38 MAPK in LPS-activated microglia, whereas it had no effect on JNK1/2 activation. Conclusions: These data support a role for FTY720 as a neuroprotective agent against excitotoxin-induced neuronal death and as a negative modulator of neuroinflammation by targeting the p38 MAPK stress signalling pathway in microglia.

Alcohol-Related Brain Damage in Humans

Chronic excessive alcohol intoxications evoke cumulative damage to tissues and organs. We examined prefrontal cortex (Brodmann's area (BA) 9) from 20 human alcoholics and 20 age, gender, and postmortem delay matched control subjects. H & E staining and light microscopy of prefrontal cortex tissue revealed a reduction in the levels of cytoskeleton surrounding the nuclei of cortical and subcortical neurons, and a disruption of subcortical neuron patterning in alcoholic subjects. BA 9 tissue homogenisation and one dimensional polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE) proteomics of cytosolic proteins identified dramatic reductions in the protein levels of spectrin beta II, and alpha- and beta-tubulins in alcoholics, and these were validated and quantitated by Western blotting. We detected a significant increase in a-tubulin acetylation in alcoholics, a non-significant increase in isoaspartate protein damage, but a significant increase in protein isoaspartyl methyltransferase protein levels, the enzyme that triggers isoaspartate damage repair in vivo. There was also a significant reduction in proteasome activity in alcoholics. One dimensional PAGE of membrane-enriched fractions detected a reduction in beta-spectrin protein levels, and a significant increase in transmembranous alpha 3 (catalytic) subunit of the Na+, K+-ATPase in alcoholic subjects. However, control subjects retained stable oligomeric forms of a-subunit that were diminished in alcoholics. In alcoholics, significant loss of cytosolic alpha-and beta-tubulins were also seen in caudate nucleus, hippocampus and cerebellum, but to different levels, indicative of brain regional susceptibility to alcohol-related damage. Collectively, these protein changes provide a molecular basis for some of the neuronal and behavioural abnormalities attributed to alcoholics

CGP37157, an inhibitor of the mitochondrial Na+/Ca2+ exchanger, protects neurons from excitotoxicity by blocking voltage-gated Ca2+ channels

Inhibition of the mitochondrial Na+/Ca2+ exchanger (NCLX) by CGP37157 is protective in models of neuronal injury that involve disruption of intracellular Ca2+ homeostasis. However, the Ca2+ signaling pathways and stores underlying neuroprotection by that inhibitor are not well defined. In the present study, we analyzed how intracellular Ca2+ levels are modulated by CGP37157 (10 mu M) during NMDA insults in primary cultures of rat cortical neurons. We initially assessed the presence of NCLX in mitochondria of cultured neurons by immunolabeling, and subsequently, we analyzed the effects of CGP37157 on neuronal Ca2+ homeostasis using cameleon-based mitochondrial Ca2+ and cytosolic Ca2+ ([Ca2+](i)) live imaging. We observed that NCLX-driven mitochondrial Ca2+ exchange occurs in cortical neurons under basal conditions as CGP37157 induced a decrease in [Ca-2](i) concomitant with a Ca2+ accumulation inside the mitochondria. In turn, CGP37157 also inhibited mitochondrial Ca2+ efflux after the stimulation of acetylcholine receptors. In contrast, CGP37157 strongly prevented depolarization-induced [Ca2+](i) increase by blocking voltage-gated Ca2+ channels (VGCCs), whereas it did not induce depletion of ER Ca2+ stores. Moreover, mitochondrial Ca2+ overload was reduced as a consequence of diminished Ca2+ entry through VGCCs. The decrease in cytosolic and mitochondrial Ca2+ overload by CGP37157 resulted in a reduction of excitotoxic mitochondrial damage, characterized here by a reduction in mitochondrial membrane depolarization, oxidative stress and calpain activation. In summary, our results provide evidence that during excitotoxicity CGP37157 modulates cytosolic and mitochondrial Ca2+ dynamics that leads to attenuation of NMDA-induced mitochondrial dysfunction and neuronal cell death by blocking VGCCs.

Efeitos da hipóxia-isquemia pré-natal durante o desenvolvimento: receptores e transportadores glutamatérgicos e comunicação celular in vitro

O cérebro infantil humano submetido à hipóxia-isquemia (HI) apresenta perda de oligodendrócitos, hipomielinização, astrogliose, alterações no desenvolvimento cortical e no comportamento motor, incluindo a paralisia cerebral. O cerebelo desempenha um importante papel no controle motor e diversos danos vêm sendo observados em humanos e animais que sofreram HI. A excitotoxicidade glutamatérgica é frequentemente associada à HI e junções celulares podem ser responsáveis pela transferência de moléculas capazes de modular os danos decorrentes. Dados prévios de nosso grupo utilizando um modelo de HI pré-natal em ratos demonstraram danos permanentes na estrutura cerebelar, indicando que os efeitos deletérios da HI pré-natal podem ser mantidos até a vida adulta. O objetivo deste trabalho foi caracterizar os níveis de conexinas, receptores e transportadores de glutamato ao longo do desenvolvimento do cerebelo HI, e avaliar a configuração das junções celulares em culturas de astrócitos derivadas do cerebelo de ratos submetidos a esse modelo. Ratas no 18 dia de gestação, após anestesia, tiveram as quatro artérias uterinas obstruídas por 45 minutos (Grupo HI). Animais controle tiveram os úteros expostos sem sofrer a obstrução (Grupo SH). A gestação prosseguiu e apenas filhotes nascidos a termo foram utilizados. Os animais foram decapitados aos 2 (P2), 9 (P9), 16 (P16),23 (P23), 30 (P30), 45 (P45) e 90 (P90) dias pós-natal. Os cerebelos foram submetidos à técnica de Western blotting utilizando os anticorpos anti-NR2B, anti-GluR3, anti-EAAT1, anti-GFAP e anti-Cx43. Para a cultura de astrócitos foram utilizados cerebelos de animais P2. Após terem atingido confluência, as células foram fixadas e imunomarcadas com os anticorpos anti-Cx43, anti-GFAP, anti-nestina e anti-A2B5. Nossos resultados demonstram diferenças nos níveis de GluR3 durante o desenvolvimento do cerebelo SH e HI, havendo uma redução significativa da expressão desta subunidade no grupo HI em P9. Por outro lado, não foram verificadas alterações nos níveis de NR2B e de GFAP entre os grupos nas diferentes idades. Observou-se redução significativa de Cx43 em animais HI em P2 bem como nos astrócitos HI em cultura, os quais também apresentaram alterações morfológicas e diferenças na expressão do marcador A2B5. A alteração referente a GluR3 no grupo HI pode ser causada pela redução da arborização das células de Purkinje e pela redução no número de precursores de oligodendrócitos no cerebelo de animais HI em P9, já observadas em nosso laboratório. A diminuição de Cx43 indica que a passagem de substâncias por canais astrocitários pode estar reduzida e contribuir para a expansão dos danos persistentes descritos em HI. Alterações morfológicas e na expressão de marcadores da diferenciação de astrócitos podem refletir os potenciais efeitos de HI sobre a maturação destas células a longo-prazo. Nossos resultados apontam que a HI sistêmica pré-natal pode ser responsável por alterações que caracterizam a excitotoxicidade glutamatérgica. Ressaltamos também a importância da comunicação entre astrócitos como estratégia neuroprotetora nesta lesão.

Estudo do metabolismo mitocondrial e da resposta anti-apoptótica de células endoteliais humanas durante a evolução da infecção por taquizoítos de Toxoplasma gondii

A toxoplasmose é uma zoonose amplamente distribuída que afeta mais de um terço da população mundial e de grande importância na saúde pública. A maioria das infecções em humanos por Toxoplasma gondii é assintomática. A toxoplasmose é amplamente investigada visto que se apresenta como uma doença grave em pessoas imunodeprimidas (portadores da síndrome da imunodeficiência adquirida (SIDA), não tratados, indivíduos transplantados, paciente em tratamento quimioterápico ou em uso de drogas supressoras e gestantes). A toxoplasmose congênita frequentemente pode levar ao aborto espontâneo ou até mesmo resultar na formação de crianças com algum grau de atraso no desenvolvimento mental e/ou físicos, deste modo, a transmissão congênita pode ser muito mais importante do que se pensava, pois os parasitos encontrados na circulação sanguinea são capazes de infectar as células endoteliais dos vasos e os tecidos circunjacentes, podendo resultar no encistamento do T. gondii. Atualmente a toxoplasmose vem sendo investigada devido a sua associação a inúmeras outras doenças, assim, estudos sobre a evolução da infecção por T. gondii em diferentes tipos de células hospedeiras se fazem necessários para uma abordagem terapêutica adequada. Ao invadir a célula hospedeira o parasito possui a capacidade de recrutar as mitocôndrias promovendo mudanças na organização mitocondrial ao longo da progressão da infecção, garantindo um ambiente favorável a sua multiplicação. Diante disso, investigamos se o parasito possui a capacidade de interferir no metabolismo mitocondrial e na resposta apoptótica da célula endotelial. O presente trabalho teve como objetivo analisar o metabolismo mitocondrial através da respirometria de alta-resolução e da resposta apoptótica através do western blotting das células endoteliais da veia umbilical humana (HUVEC) infectadas por 2, 6 e 20 horas por taquizoítos de T. gondii. A respirometria de alta-resolução revelou que o parasito interfere no metabolismo energético da célula hospedeira. A análise do conteúdo de proteínas da família Bcl-2 por western blotting revelou maior estímulo apoptótico no tempo inicial de infecção, quando comparado aos demais tempos. Os resultados dos conteúdos de caspase 3, proteína efetora da apoptose, não demonstrou diferença nos tempos iniciais de infecção Entretanto, em tempos mais tardios, o conteúdo de caspase 3 mostrou-se significativamente aumentado quando comparado às HUVEC não infectadas. A dinâmica de replicação do parasito foi observada através do monitoramento pelo sistema Time-Lapse Nikon BioStation IMQ em tempo real das células infectadas por T.gondii. Portanto, nossos resultados sugerem que o protozoário ao recrutar as mitocôndrias da célula hospedeira interfere no metabolismo mitocondrial e na modulação da apoptose para garantir um ambiente favorável a sua multiplicação.

Avaliação morfofuncional do complexo hipocampal em ratos submetidos a um modelo de hipóxia-isquemia pré-natal

A diminuição do aporte de oxigênio e nutrientes na vida perinatal resulta em danos, como astrogliose, morte de neurônios e de células proliferativas. Déficits cognitivos podem estar relacionados a danos no hipocampo. Neste trabalho avaliamos a citoarquitetura do giro dentado (DG) durante o desenvolvimento e a memória de ratos submetidos à HI. Para tal, utilizamos a técnica de imunohistoquímica para marcador de proliferação celular (KI67), neurônio jovem (DCX), de astrócitos (GFAP) e de óxido nítrico sintase neuronal (NOSn). Para avaliar a memória de curta e de longa duração foi utilizado o teste de reconhecimento de objetos (RO). Ratas Wistar grávidas em E18 foram anestesiadas (tribromoetanol) e as quatro artérias uterinas foram ocluídas com grampos de aneurisma (Grupo HI). Após 45 minutos, os grampos foram removidos e foi feita a sutura por planos anatômicos. Os animais do grupo controle (SHAM) sofreram o mesmo procedimento, excetuando a oclusão das artérias. Os animais nasceram a termo. Animais com idades de 7 a 90 dias pós-natal (P7 a P90), foram anestesiados e perfundido-fixados com paraformaldeído a 4%, e os encéfalos submetidos ao processamento histológico. Cortes coronais do hipocampo (20m) foram submetidos à imunohistoquímica para KI67, DCX, GFAP e NOSn. Animais P90 foram submetidos ao RO. Os procedimentos foram aprovados pelo comitê de ética (CEA/019/2010). Observamos menor imunomarcação para KI67 no giro dentado de animais HI em P7. Para a marcação de DCX nesta idade não foi observada diferença entre os grupos. Animais HI em P15, P20 e P45 tiveram menor imunomarcação para DCX e Ki67 na camada granular. Animais P90 de ambos os grupos não apresentaram marcação para KI67 e DCX. Vimos aumento da imunomarcação para GFAP nos animais HI em todas as idades. A imunomarcação para NOSn nos animais HI foi menor em todas as idades. O maior número de células NOSn positivas foi visto em animais P7 em ambos os grupos na camada polimórfica. Em P15, animais HI apresentam células NOSn+ em todo o DG. Em P30 animais HI apresentam células NOSn+ nas camadas polimórfica e sub-granular. Animais adultos (P90) de ambos os grupos apresentam células NOSn positivas apenas nas camadas granular e sub-granular. Embora animais HI P90 não apresentaram déficits de memória, estes apresentaram menor tempo de exploração do objeto. Comportamento correspondente a déficits de atenção em humanos. Nossos resultados sugerem que HI perinatal diminui a população de células proliferativas, de neurônios jovens, de neurônios NOSn+, além de causar astrogliose e possivelmente déficits de atenção. O modelo demonstrou ser útil para a compreensão dos mecanismos celulares das lesões hipóxico-isquêmicas e pode ser usado para testar estratégias terapêuticas.