Sensor-based evaluation of Circadian motor behavior in people with Dementia. Development and validation of analysis strategies

[ITA]La demenza consiste nel deterioramento, spesso progressivo, dello stato cognitivo di un individuo. Chi è affetto da demenza, presenta alterazioni a livello cognitivo, comportamentale e motorio, ad esempio compiendo gesti ossessivi, ripetitivi, senza uno scopo preciso. La condizione dei pazienti affetti da demenza è valutata clinicamente tramite apposite scale e le informazioni relative al comportamento vengono raccolte intervistando chi se ne occupa, come familiari, il personale infermieristico o il medico curante. Spesso queste valutazioni si rivelano inaccurate, possono essere fortemente influenzate da considerazioni soggettive, e sono dispendiose in termini di tempo. Si ha quindi l'esigenza di disporre di metodiche oggettive per valutare il comportamento motorio dei pazienti e le sue alterazioni patologiche; i sensori inerziali indossabili potrebbero costituire una valida soluzione, per questo scopo. L'obiettivo principale della presente attività di tesi è stato definire e implementare un software per una valutazione oggettiva, basata su sensori, del pattern motorio circadiano, in pazienti affetti da demenza ricoverati in un'unità di terapia a lungo termine, che potrebbe evidenziare differenze nei sintomi della malattia che interessano il comportamento motorio, come descritto in ambito clinico. Lo scopo secondario è stato quello di verificare i cambiamenti motori pre- e post-intervento in un sottogruppo di pazienti, a seguito della somministrazione di un programma sperimentale di intervento basato su esercizi fisici. --------------- [ENG]Dementia involves deterioration, often progressive, of a person's cognitive status. Those who suffer from dementia, present alterations in cognitive and motor behavior, for example performing obsessive and repetitive gestures, without a purpose. The condition of patients suffering from dementia is clinically assessed by means of specific scales and information relating to the behavior are collected by interviewing caregivers, such as the family, nurses, or the doctor. Often it turns out that these are inaccurate assessments that may be heavily influenced by subjective evaluations and are costly in terms of time. Therefore, there is the need for objective methods to assess the patients' motor behavior and the pathological changes; wearable inertial sensors may represent a viable option, so this aim. The main objective of this thesis project was to define and implement a software for a sensor-based assessment of the circadian motor pattern in patients suffering from dementia, hospitalized in a long-term care unit, which could highlight differences in the disease symptoms affecting the motor behavior, as described in the clinical setting. The secondary objective was to verify pre- and post-intervention changes in the motor patterns of a subgroup of patients, following the administration of an experimental program of intervention based on physical exercises.

Oscillatory genetic circuits: new designs and mathematical models

Introduction and motivation: A wide variety of organisms have developed in-ternal biomolecular clocks in order to adapt to cyclic changes of the environment. Clock operation involves genetic networks. These genetic networks have to be mod¬eled in order to understand the underlying mechanism of oscillations and to design new synthetic cellular clocks. This doctoral thesis has resulted in two contributions to the fields of genetic clocks and systems and synthetic biology, generally. The first contribution is a new genetic circuit model that exhibits an oscillatory behav¬ior through catalytic RNA molecules. The second and major contribution is a new genetic circuit model demonstrating that a repressor molecule acting on the positive feedback of a self-activating gene produces reliable oscillations. First contribution: A new model of a synthetic genetic oscillator based on a typical two-gene motif with one positive and one negative feedback loop is pre¬sented. The originality is that the repressor is a catalytic RNA molecule rather than a protein or a non-catalytic RNA molecule. This catalytic RNA is a ribozyme that acts post-transcriptionally by binding to and cleaving target mRNA molecules. This genetic clock involves just two genes, a mRNA and an activator protein, apart from the ribozyme. Parameter values that produce a circadian period in both determin¬istic and stochastic simulations have been chosen as an example of clock operation. The effects of the stochastic fluctuations are quantified by a period histogram and autocorrelation function. The conclusion is that catalytic RNA molecules can act as repressor proteins and simplify the design of genetic oscillators. Second and major contribution: It is demonstrated that a self-activating gene in conjunction with a simple negative interaction can easily produce robust matically validated. This model is comprised of two clearly distinct parts. The first is a positive feedback created by a protein that binds to the promoter of its own gene and activates the transcription. The second is a negative interaction in which a repressor molecule prevents this protein from binding to its promoter. A stochastic study shows that the system is robust to noise. A deterministic study identifies that the oscillator dynamics are mainly driven by two types of biomolecules: the protein, and the complex formed by the repressor and this protein. The main conclusion of this study is that a simple and usual negative interaction, such as degradation, se¬questration or inhibition, acting on the positive transcriptional feedback of a single gene is a sufficient condition to produce reliable oscillations. One gene is enough and the positive transcriptional feedback signal does not need to activate a second repressor gene. At the genetic level, this means that an explicit negative feedback loop is not necessary. Unlike many genetic oscillators, this model needs neither cooperative binding reactions nor the formation of protein multimers. Applications and future research directions: Recently, RNA molecules have been found to play many new catalytic roles. The first oscillatory genetic model proposed in this thesis uses ribozymes as repressor molecules. This could provide new synthetic biology design principles and a better understanding of cel¬lular clocks regulated by RNA molecules. The second genetic model proposed here involves only a repression acting on a self-activating gene and produces robust oscil¬lations. Unlike current two-gene oscillators, this model surprisingly does not require a second repressor gene. This result could help to clarify the design principles of cellular clocks and constitute a new efficient tool for engineering synthetic genetic oscillators. Possible follow-on research directions are: validate models in vivo and in vitro, research the potential of second model as a genetic memory, investigate new genetic oscillators regulated by non-coding RNAs and design a biosensor of positive feedbacks in genetic networks based on the operation of the second model Resumen Introduccion y motivacion: Una amplia variedad de organismos han desarro-llado relojes biomoleculares internos con el fin de adaptarse a los cambios ciclicos del entorno. El funcionamiento de estos relojes involucra redes geneticas. El mo delado de estas redes geneticas es esencial tanto para entender los mecanismos que producen las oscilaciones como para diseiiar nuevos circuitos sinteticos en celulas. Esta tesis doctoral ha dado lugar a dos contribuciones dentro de los campos de los circuitos geneticos en particular, y biologia de sistemas y sintetica en general. La primera contribucion es un nuevo modelo de circuito genetico que muestra un comportamiento oscilatorio usando moleculas de ARN cataliticas. La segunda y principal contribucion es un nuevo modelo de circuito genetico que demuestra que una molecula represora actuando sobre el lazo de un gen auto-activado produce oscilaciones robustas. Primera contribucion: Es un nuevo modelo de oscilador genetico sintetico basado en una tipica red genetica compuesta por dos genes con dos lazos de retroa-limentacion, uno positivo y otro negativo. La novedad de este modelo es que el represor es una molecula de ARN catalftica, en lugar de una protefna o una molecula de ARN no-catalitica. Este ARN catalitico es una ribozima que actua despues de la transcription genetica uniendose y cortando moleculas de ARN mensajero (ARNm). Este reloj genetico involucra solo dos genes, un ARNm y una proteina activadora, aparte de la ribozima. Como ejemplo de funcionamiento, se han escogido valores de los parametros que producen oscilaciones con periodo circadiano (24 horas) tanto en simulaciones deterministas como estocasticas. El efecto de las fluctuaciones es-tocasticas ha sido cuantificado mediante un histograma del periodo y la función de auto-correlacion. La conclusion es que las moleculas de ARN con propiedades cataliticas pueden jugar el misnio papel que las protemas represoras, y por lo tanto, simplificar el diseno de los osciladores geneticos. Segunda y principal contribucion: Es un nuevo modelo de oscilador genetico que demuestra que un gen auto-activado junto con una simple interaction negativa puede producir oscilaciones robustas. Este modelo ha sido estudiado y validado matematicamente. El modelo esta compuesto de dos partes bien diferenciadas. La primera parte es un lazo de retroalimentacion positiva creado por una proteina que se une al promotor de su propio gen activando la transcription. La segunda parte es una interaction negativa en la que una molecula represora evita la union de la proteina con el promotor. Un estudio estocastico muestra que el sistema es robusto al ruido. Un estudio determinista muestra que la dinamica del sistema es debida principalmente a dos tipos de biomoleculas: la proteina, y el complejo formado por el represor y esta proteina. La conclusion principal de este estudio es que una simple y usual interaction negativa, tal como una degradation, un secuestro o una inhibition, actuando sobre el lazo de retroalimentacion positiva de un solo gen es una condition suficiente para producir oscilaciones robustas. Un gen es suficiente y el lazo de retroalimentacion positiva no necesita activar a un segundo gen represor, tal y como ocurre en los relojes actuales con dos genes. Esto significa que a nivel genetico un lazo de retroalimentacion negativa no es necesario de forma explicita. Ademas, este modelo no necesita reacciones cooperativas ni la formation de multimeros proteicos, al contrario que en muchos osciladores geneticos. Aplicaciones y futuras lineas de investigacion: En los liltimos anos, se han descubierto muchas moleculas de ARN con capacidad catalitica. El primer modelo de oscilador genetico propuesto en esta tesis usa ribozimas como moleculas repre¬soras. Esto podria proporcionar nuevos principios de diseno en biologia sintetica y una mejor comprension de los relojes celulares regulados por moleculas de ARN. El segundo modelo de oscilador genetico propuesto aqui involucra solo una represion actuando sobre un gen auto-activado y produce oscilaciones robustas. Sorprendente-mente, un segundo gen represor no es necesario al contrario que en los bien conocidos osciladores con dos genes. Este resultado podria ayudar a clarificar los principios de diseno de los relojes celulares naturales y constituir una nueva y eficiente he-rramienta para crear osciladores geneticos sinteticos. Algunas de las futuras lineas de investigation abiertas tras esta tesis son: (1) la validation in vivo e in vitro de ambos modelos, (2) el estudio del potential del segundo modelo como circuito base para la construction de una memoria genetica, (3) el estudio de nuevos osciladores geneticos regulados por ARN no codificante y, por ultimo, (4) el rediseno del se¬gundo modelo de oscilador genetico para su uso como biosensor capaz de detectar genes auto-activados en redes geneticas.

Variación circadiana de los tiempos de tránsito T3 y T4 sobre el ajuste de las fases S, G2 y M en sistemas celulares parcialmente sincronizados

En el artículo se presenta un modelo continuo y determinista de la actividad proliferativa celular. Sobre dicho modelo básico se aplican sucesivos refinamientos que tienen por objeto mejorar el ajuste a datos experimentales existentes. La base experimental del método son los ensayos realizados sobre el pez Cauratus aclimatado a 25 grados con un fotoperiodo de 12 horas durante un mes. Se analizó la actividad proliferativa en las células intestinales observando que aquélla es parcialmente sincronizada. Las medidas efectuadas y su contraste con el método propuesto sugieren que el modelo determinista y contínuo es una aproximación adecuada a la interpretación del ciclo evolutivo. Los resultados numéricos sugieren un comportamiento circadiano también para los tiempos de tránsito en las fases. Las amplitudes se ajustan observando los mínimos de las curvas y la fase se induce mediante análisis armónico de la tendencia general.

Fenología y capacidad de dispersión de Monochamus galloprovincialis (Olivier 1795) en la Península Ibérica = Phenology and dispersal ability of Monochamus galloprovincialis (Olivier 1795) at Iberian Peninsula

La aparición y avance de la enfermedad del marchitamiento del pino (Pine Wilt Desease, PWD), causada por Bursaphelenchus xylophilus (Nematoda; Aphelenchoididae), el nematodo de la madera del pino (NMP), en el suroeste de Europa, ha puesto de manifiesto la necesidad de estudiar la fenología y la dispersión de su único vector conocido en Europa, Monochamus galloprovincialis (Col., Cerambycidae). El análisis de 12 series de emergencias entre 2010 y 2014, registradas en Palencia, València y Teruel, con material procedente de diversos puntos de la península ibérica, demostró una alta variabilidad en la fenología de M. galloprovincialis y la divergencia térmica respecto de las poblaciones portuguesas. Para éstas, el establecimiento de los umbrales térmicos de desarrollo de las larvas post-dormantes del vector (12,2 y 33,5ºC) permitió la predicción de la emergencia mediana para la fecha en la que se acumulaban de 822 grados-día. Ninguna de las series analizadas en este trabajo necesitó de dichos grados-día estimados para la emergencia mediana. Asimismo, la emergencia se adelantó en las regiones más calurosas, mientras que se retrasó en las zonas más templadas. Más allá de la posible variabilidad entre poblaciones locales peninsulares, se detectaron indicios de que la diferencia en la acumulación de calor durante el otoño puede afectar el grado de maduración de las larvas invernantes, y su posterior patrón temporal de emergencia. Por último, también fueron observados comportamientos de protandria en las emergencias. Respecto a la fenología de su vuelo, entre los años 2010 y 2015, fueron ejecutados un total de 8 experimentos de captura de M. galloprovincialis mediante trampas cebadas con atrayentes en diferentes regiones (Castellón, Teruel, Segovia y Alicante) permitiendo el seguimiento del periodo de vuelo. Su análisis permitió constatar la disminución de las capturas y el acortamiento del periodo de vuelo con la altitud, el inicio del vuelo en el mes de mayo/junio a partir de los 14ºC de temperatura media diaria, la influencia de las altas temperaturas en la disminución de las capturas estivales (potencial causante de perfiles bimodales en las curvas de vuelo en las zonas menos frías), la evolución de la proporción de sexos a lo largo del periodo de vuelo (que muestra una mayor captura de hembras al inicio y de machos al final) y el comportamiento diurno y ligado a las altas temperaturas del vuelo circadiano del insecto. Dos redes de muestreo sistemático de insectos saproxílicos instaladas en la Comunitat Valencia (Red MUFFET, 15 parcelas, año 2013) y en Murcia (Red ESFP, 20 parcelas, años 2008-2010) permitieron el estudio de la comunidad de insectos relacionada con M. galloprovincialis. Cada una de las parcelas contaba con una trampa cebada con atrayentes y una estación meteorológica. El registro de más de 250 especies de coleópteros saproxílicos demostró el potencial que tiene el empleo de redes de trampas vigía para la detección temprana de organismos exóticos, además de permitir la caracterización y evaluación de las comunidades de entomofauna útil, representando una de las mejores herramientas de la gestión integrada de plagas. En este caso, la comunidad de saproxílicos estudiada mostró ser muy homogénea respecto a la variación ambiental de las zonas de muestreo, y que pese a las pequeñas variaciones entre las comunidades de los diferentes ecosistemas, el rol que M. galloprovincialis desempeña en ellas a lo largo de todo el gradiente estudiado es el mismo. Con todo, el análisis mediante redes de interacción mostró su relevancia ecológica al actuar de conector entre los diferentes niveles tróficos. Por último, un total de 12 experimentos de marcaje-liberación-recaptura desarrollados entre 2009 y 2012 en Castellón, Teruel, Valencia y Murcia permitieron evaluar el comportamiento dispersivo de M. galloprovincialis. Las detecciones mediante trampas cebadas de los insectos liberados se dieron por lo menos 8 días después de la emergencia. La abundancia de población pareció relacionada con la continuidad, la naturalización de la masa, y con la afección previa de incendios. La dispersión no estuvo influida por la dirección ni la intensidad de los vientos dominantes. La abundancia de material hospedante (en lo referente a las variables de masa y a los índices de competencia) influyó en la captura del insecto en paisajes fragmentados, aunque la ubicación de las trampas optimizó el número de capturas cuando se ubicaron en el límite de la masa y en zonas visibles. Por último también se constató que M. galloprovincialis posee suficiente capacidad de dispersión como para recorrer hasta 1500 m/día, llegando a alcanzar distancias máximas de 13600m o de 22100 m. ABSTRACT The detection and expansion of the Pine Wilt Desease (PWD), caused by Bursaphelenchus xylophilus (Nematoda; Aphelenchoididae), Pine Wood Nematode (PWN), in southwestern Europe since 1999, has triggered off the study of the phenology and the dispersion of its unique vector in the continent, Monochamus galloprovincialis (Coleoptera, Cerambycidae). The analysis of 12 emergence series between 2010 and 2014 registered in Palencia, Teruel and Valencia (Spain), registered from field colonized material collected at several locations of the Iberian Peninsula, showed a high variability in the emergence phenology of M. galloprovincialis. In addition, these patterns showed a very acute thermal divergence regarding a development model fitted earlier in Portugal. Such model forecasted the emergence of 50% of M. galloprovincialis individuals in the Setúbal Peninsula (Portugal) when an average of 822 degree-days (DD) were reached, based on the accumulation of heat from the 1st of March until emergence and lower and upper thresholds of 12.2 ºC and 33,5 °C respectively. In our results, all analyzed series needed less than 822 DD to complete the 50% of the emergence. Also, emergency occurred earlier in the hottest regions, while it was delayed in more temperate areas. Beyond the possible variability between local populations, the difference in the heat accumulation during the fall season may have affected the degree of maturation of overwintering larvae, and subsequently, the temporal pattern of M. galloprovincialis emergences. Therefore these results suggest the need to differentiate local management strategies for the PWN vector, depending on the location, and the climatic variables of each region. Finally, protandrous emergence patterns were observed for M. galloprovincialis in most of the studied data-sets. Regarding the flight phenology of M. galloprovincialis, a total of 8 trapping experiments were carried out in different regions of the Iberian Peninsula (Castellón, Teruel, Segovia and Alicante) between 2010 and 2015. The use of commercial lures and traps allowed monitoring of the flight period of M. galloprovincialis. The analyses of such curves, helped confirming different aspects. First, a decline in the number of catches and a shortening of the flight period was observed as the altitude increased. Flight period was recorded to start in May / June when the daily average temperature went over 14 ° C. A significant influence of high temperatures on the decrease of catches in the summer was found in many occasions, which frequently lead to a bimodal profile of the flight curves in warm areas. The evolution of sex ratio along the flight period shows a greater capture of females at the beginning of the period, and of males at the end. In addition, the circadian response of M. galloprovincialis to lured traps was described for the first time, concluding that the insect is diurnal and that such response is linked to high temperatures. Two networks of systematic sampling of saproxylic insects were installed in the Region of Valencia (Red MUFFET, 15 plots, 2013) and Murcia (Red ICPF, 20 plots, 2008-2010). These networks, intended to serve the double purpose of early-detection and long term monitoring of the saproxylic beetle assemblies, allowed the study of insect communities related to M. galloprovincialis. Each of the plots had a trap baited with attractants and a weather station. The registration of almost 300 species of saproxylic beetles demonstrated the potential use of such trapping networks for the early detection of exotic organisms, while at the same time allows the characterization and evaluation of useful entomological fauna communities, representing one of the best tools for the integrated pest management. In this particular case, the studied community of saproxylic beetles was very homogeneous with respect to environmental variation of the sampling areas, and despite small variations between communities of different ecosystems, the role that M. galloprovincialis apparently plays in them across the studied gradient seems to be the same. However, the analysis through food-webs showed the ecological significance of M. galloprovincialis as a connector between different trophic levels. Finally, 12 mark-release-recapture experiments were carried out between 2009 and 2012 in Castellón, Teruel, Valencia and Murcia (Spain) with the aim to describe the dispersive behavior of M. galloprovincialis as well as the stand and landscape characteristics that could influence its abundance and dispersal. No insects younger than 8 days were caught in lured traps. Population abundance estimates from mark-release-recapture data, seemed related to forest continuity, naturalization, and to prior presence of forest fires. On the other hand, M. galloprovincialis dispersal was not found to be significantly influenced by the direction and intensity of prevailing winds. The abundance of host material, very related to stand characteristics and spacing indexes, influenced the insect abundance in fragmented landscapes. In addition, the location of the traps optimized the number of catches when they were placed in the edge of the forest stands and in visible positions. Finally it was also found that M. galloprovincialis is able to fly up to 1500 m / day, reaching maximum distances of up to 13600 m or 22100 m.

Análisis y modelado de las oscilaciones biológicas

Desde el descubrimiento de los ritmos ultradianos (Halberg 1967) en el estudio de las etapas de sueño humano (Dement y Kleitman, 1957) , muchos investigadores han dado cuenta de la existencia de estas oscilaciones en varias funciones de conducta, emocionales o fisiológicas. Si anteriormente predominó la idea de que los ritmos ultradianos tenían lugar únicamente durante el sueño, el descubrimiento de las oscilaciones en estado insomne (Weltzman et al, 1.970) y su persistencia en diferentes funciones bajo el efecto de inhibición de la droga (estados REM, Baekeland, 1967), han demostrado que persiste el mismo ciclo en el sueño que en estado insomne (Kleitman, 1969) que conduce y controla simultáneamente diferentes parámetros biológicos. Basado en este principio y a partir de nuestras estimaciones estadísticas de oscilaciones en el rango de 70-250 minutos de periodo en la actividad locomotora de diferentes especies; un mecanismo básico de desencadenamiento de los ritmos ultradianos por sincronizantes externos y su sincronización coherente con las oscilaciones circadianas (a través de acoplamientos mutuos o jerárquicos); presentamos un modelo matemático que simula el sistema oscilatorio de comportamiento ultradiano-circadiano producido por una secuencia bien definida luz-oscuridad. El modelo se basa en una topología de círculo límite (representada en un espacio bidimensional de estados) con control paramétrico producido por las transiciones luz—oscuridad y viceversa, siendo el efecto paramétrico dependiente de la fase endógena del sistema cuando se aplica las transiciones.

Estudio cronobiológico de la respuesta farmacológica y la variación de parámetros hemodinámicos de la combinación etomidato-Midazolam en perros y gatos

Una doctrina fundamental de la biología, la medicina, la fisiología o la farmacología es la relativa constancia del medio biológico interno (Homeostasis). Las variables homeostáticas no se mantienen a un nivel constante, sino dentro de un cierto intervalo de valores repetidos a intervalos regulares (Ritmos Biológicos); cuando dicho ciclo se cumple en un periodo de 24 h se denomina Ritmo Circadiano. Los sincronizadores que definen este ritmo son, entre otros, la alternancia luz-oscuridad o la rutina de sueño (descanso-actividad). La Cronobiología estudia los ritmos biológicos y sus mecanismos de cronometraje, determinando la influencia que los mismos pueden ejercer en los seres vivos. La Cronofarmacología, a su vez, estudia los efectos de los fármacos en función del ritmo circadiano (bien por alteraciones en su cinética: cronofarmacocinética; o en su dinamia: cronofarmacodinamia), determinando el período decisivo de su administración, para conseguir un aumento de su eficacia y/o disminución de sus efectos adversos. Estas alteraciones son, particularmente, importantes en aquellos grupos farmacológicos más críticos como los anestésicos, ya que existen diferencias en la capacidad anestesia dependientes de la hora del día en que se administran estos fármacos. El etomidato es un agente anestésico no barbitúrico de acción rápida, recomendado para la inducción anestésica en animales que presentan patologías que comprometen su estabilidad hemodinámica, ya que no provoca alteraciones severas en el sistema cardiovascular o en la presión intracraneal. Actúa facilitando la transmisión mediada por GABA, al interactuar con una zona alostérica del complejo receptor GABA – ionóforo Cl-...

Efeitos da senescência no folheto intergeniculado do tálamo de ratos: análises morfológicas e neuroquímicas

The circadian timing system (CTS), in rodents, consists of interconnected neural structures such as the suprachiasmatic nucleus (SCN) of the hypothalamus, Intergeniculate Leaflet (IGL) of the thalamus, synchronous pathways and behavioral effectors. The SCN has been described as the major circadian pacemaker in several species of mammals, while the IGL appears to be involved in integration of photic and non-photic clues relaying them to SCN. The CTS allows an ordered internal temporal organization to the organism, providing the proper execution of physiological and behavioral mechanisms, which brings homeostasis. However, this stability is disrupted with aging process causing numerous pathological disorders, ranging from simple loss of physiological functions to decreases in cognitive performance. Therefore, is fundamental understanding the effects of senescence in this system. In this context, is proposed in this study to check if there are changes in IGL cytoarchitecture, neurochemical and retinal afferent markers with aging and their possible morpho-functional implications. To achieve this goal wistar rats were divided into 3 groups: young (3 months); Middle Age (13 months); Old (23 months). They were submitted to paraformaldhyde (4%) transcardiac perfusion to tissue fixation. Then, they had their brain removed and sectioned in 30 µm slices, which every sixth section were collected. This sections were processed by nissl method and immunostaining for GFAP, GAD, ENK, NPY and CTb in order to analyze the IGL features. It was observed a cell loss in middle age and old animals at Nissl, NPY and CTb stains. In addition, it was shown a increase in GFAP in middle aged animals compared to young and old ones. No differences were found in other neurochemichal stains. These data suggests IGL loss retinal afferents and neurons, in special the NPY-IR ones, likely having a compensatory gliogenesis. This supports the correlations between the CTS functional deficits and an anatomical deterioration of its components with the aging process.

Influência de mudanças de fase no ciclo claro-escuro sobre o controle autonômico cardíaco de ratos

Introduction: The circadian system has neural projections for the Autonomic Nervous System (ANS), directly interfering with sympathetic-vagal modulation of the cardiovascular system. Disturbances in the circadian system, such as phase changes in light-dark cycle (LD), has been related to the risk of development of cardiovascular diseases due to increased sympathetic tone and reduction o Heart Rate Variability (HRV - RR intervals). Purpose: Investigate the interaction between Circadian Timing System and cardiac autonomic control in rats. Materials and methods: We used 18 Wistar rats (♀, age = 139.9 ± 32.1 days, weight = 219.5 ± 16.2 g), divided into three distinct groups: Control (CG), phase delay of 6h (GDe) and phase advance of 6h (GAd). Three animals were excluded during data collection (CG/GDe/GAd - n=5). Telemeters were surgically implanted in each animal for continuous acquisition of electrocardiographic (ECG) signals (duration of 21 days in the CG and 28 days in GDe/ GAd). A LD cycle was established 12h: 12h, beginning of light at18:00h and dark at 06:00h. The animals remained in the same CG LD cycle throughout the experimental period, while, on the 14th day of registration, the GDe and GAd underwent a delay and an advance in 6h, respectively. Throughout the experimental period, the locomotor activity (LA), the mean heart rate (mHR) and variables related to iRR [mean RR (mRR), SDNN, RMSSD, LF, HF and LF/ HF ratio ] were recorded. All data were analyzed in blocks of 3 and 7 days, for the presence of circadian rhythm, values of Cosinor - mesor, amplitude and acrophase (paired t test), phase relationship, differences between light and dark (t test independent), averages every 30 minutes along each time series (two-way ANOVA with post hoc Bonferroni). The data block B1,M1 and M2 in CG served as benchmarks for comparisons between series of analysis of the GAT/GAV. Results: We observed circadian rhythmicity in the variables LA, mRR and mFC(p<0.01). mRR and mFC showed phase relationship with the LA in all three groups, being less stable in GAd. In the CG, no significant differences between blocks were found in any of the analyzes(p>0.05). Among the 7 day blocks, there was a significant reduction in mRR(p=0.04) and mFC(p=0.03) in GDe and significant reduction in HF mean(p=0.02) in GAd; and between 3 day blocks, a significant increase of LF/HF(p= 0.04) in the GDe; besides mRR(p=0.03), SDNN(p=0.04), RMSSD (p=0.04), LF (p=0.01) and HF(p=0.02) significant increase in the GAd. It was found that the differences between the means of the mRR, LA and mFC in light and dark phases were not significant after phase changes in some of the blocks/moments (GDe and GAd). No significant results were found when comparing rhythmic variables means every 30 minutes over the blocks, except for a significant decrease in mRR at the middle of the dark phase (B2) and the start of light phase (B3) - (p<0.01). Conclusion: phase advances and delays (6h) altered cardiac autonomic control in the experimental groups by temporarily HRV decrease. Phase advances apparently had greater negative interference in this process, in relation to the phase delays.

Efeitos da privação do sono em tarefas cognitivas

Learning and memory are important mechanism for species, since its allows to recognize conspecifics, routes and food place. Sleep is one of behaviors known by facilitate learning, it is a widespread phenomenon, present in most of vertebrates lives and highly investigated in many aspects. It is known that sleep deprivation modifies physiologic behavioral processes in animals, however, sleep function in organism is still debatable. Hypothesis range from energy conservation to memory consolidation, with different roles in animal’s evolution. The zebrafish (Danio rerio) emerg e in the last years as vertebrate model in genetics and developmental biology and quickly become popular in behavioral studies, as learning and memory. Despite the fact that zebrafish is a diurnal animal and have well characterized sleep behavior, zebrafish fish still has advantages due to its small size and low cost of maintenance, whichestablishes this species as interesting model for research on sleep. In this study we aimed to analyze the effects of partial and total sleep deprivation on learning acquisition, as well the concomitant administration of alcohol and melatonin. For this, the research was divided in three phases, each one with a different kind of conditioning: (1) object Recognition, (2) avoidance conditioning and (3) appetitive conditioning. The results showed the fish partially sleep deprived and totally sleep deprived + et hanol could perform the tasks just like the control group, however, fish totally sleep deprived and totally sleep deprived + melatonin showed impairments in attention and memory during the tests. Our results suggest that only one night of sleep deprivation is enough to harm the zebrafish performance in cognitive tasks. In addition, ethanol exposure on the night previously the test seems to suppress the negative effects of sleep deprivation, while the melatonin treatment seems not to be enough to promote sleep state, at least on the protocol applied here.

Efeitos da privação do sono em tarefas cognitivas

Learning and memory are important mechanism for species, since its allows to recognize conspecifics, routes and food place. Sleep is one of behaviors known by facilitate learning, it is a widespread phenomenon, present in most of vertebrates lives and highly investigated in many aspects. It is known that sleep deprivation modifies physiologic behavioral processes in animals, however, sleep function in organism is still debatable. Hypothesis range from energy conservation to memory consolidation, with different roles in animal’s evolution. The zebrafish (Danio rerio) emerg e in the last years as vertebrate model in genetics and developmental biology and quickly become popular in behavioral studies, as learning and memory. Despite the fact that zebrafish is a diurnal animal and have well characterized sleep behavior, zebrafish fish still has advantages due to its small size and low cost of maintenance, whichestablishes this species as interesting model for research on sleep. In this study we aimed to analyze the effects of partial and total sleep deprivation on learning acquisition, as well the concomitant administration of alcohol and melatonin. For this, the research was divided in three phases, each one with a different kind of conditioning: (1) object Recognition, (2) avoidance conditioning and (3) appetitive conditioning. The results showed the fish partially sleep deprived and totally sleep deprived + et hanol could perform the tasks just like the control group, however, fish totally sleep deprived and totally sleep deprived + melatonin showed impairments in attention and memory during the tests. Our results suggest that only one night of sleep deprivation is enough to harm the zebrafish performance in cognitive tasks. In addition, ethanol exposure on the night previously the test seems to suppress the negative effects of sleep deprivation, while the melatonin treatment seems not to be enough to promote sleep state, at least on the protocol applied here.

Aprendizagem espaço-temporal e efeitos das condições luminosas no aprendizado do peixe paulistinha

Para processar a informação ambiental e perceber o tempo, os indivíduos utilizam-se de pistas ambientais, como luz e temperatura, que servem como guias para o relógio interno. O mecanismo temporizador endógeno é chamado relógio circadiano, o qual comanda uma grande variedade de ritmos diários bioquímicos, fisiológicos e comportamentais presentes nos organismos. Com isso, os animais podem antecipar eventos espaço-temporalmente distribuídos e usar essa informação para organizar as atividades diárias, o que é uma vantagem adaptativa para os indivíduos, já que muitos fatores ambientais apresentam variação circadiana. Aprendizagem espaço-temporal (do inglês: "time-place learning’’-TPL) é a habilidade de associar lugares com importantes eventos biológicos em diferentes horas do dia. Em nosso estudo utilizamos como modelo o peixe paulistinha (Danio rerio), conhecido por ser altamente social, para testar aprendizagem espaço-temporal baseada em reforço social. Além disso, objetivamos averiguar os efeitos das condições de claro constante e escuro constante na aprendizagem espaço-temporal, e se nessas condições, a atividade do peixe paulistinha é alterada. Para isso, testamos três diferentes condições (n=10): grupo claro-escuro (CE), grupo claro constante (CC) e grupo escuro constante (EE) durante 30 dias da seguinte maneira: diariamente, um grupo de 5 peixes paulistinha foi introduzido em um recipiente localizado no compartimento da manhã (um dos lados do aquário), às 8:00h e retirado às 9:00h, e em outro recipiente do compartimento da tarde (lado oposto do aquário), às 17:00h e removido às 18:00h, servindo como estímulo para que o peixe experimental ocupasse o compartimento onde o grupo fosse colocado. O comportamento foi filmado nos dois horários, 15 minutos antes e durante os 60 minutos de exposição ao estímulo, no 15º e no 30ª dia, porém neste último, os peixes foram filmados sem a presença do estímulo a fim de averiguarmos a aprendizagem espaço-temporal. Por fim, para saber a influência das três condições luminosas na atividade dos peixes, filmamos os últimos 6 dias de teste, para registrar o padrão de atividade. Nossos resultados mostraram que em ciclo claro-escuro (CE) o peixe paulistinha apresenta TPL, bem como é capaz de antecipar a hora e local do estímulo (grupo de coespecíficos), enfatizando a importância do estímulo social para a aprendizagem. Em condições de claro constante e escuro constante, o peixe paulistinha não apresentou aprendizagem espaço-temporal. Ademais, após 30 dias em condições luminosas constantes (claro constante e escuro constante), o peixe paulistinha mantém ritmo circadiano, porém em claro constante sua atividade é aumentada e seu ritmo atividade-repouso é alterado, através de um padrão de atividade distribuída homogeneamente ao longo das 24h, ao invés de concentrada na subjetiva fase clara, como nos grupos de ciclo claro-escuro e escuro constante, os quais conservam o padrão de atividade diurno da espécie.

Relógios biológicos, apetite e sono

Um ritmo circadiano normal, hábitos alimentares saudáveis, prática de exercício físico regular e uma boa higiene de sono constituem fatores imprescindíveis para o bom funcionamento do organismo e para a prevenção de diversas doenças. Os universitários constituem uma população bastante vulnerável a ritmos circadianos anormais, hábitos alimentares pouco saudáveis, sedentarismo e problemas de sono, provenientes das alterações no seu estilo de vida bem como alterações a nível comportamental. O objetivo deste estudo é identificar o cronótipo (matutino, intermédio ou vespertino), os hábitos alimentares e de sono dos alunos universitários. Neste sentido utilizou-se uma amostra de 302 estudantes da Universidade Fernando Pessoa, no qual 238 são do sexo feminino e os restantes 64 são do sexo masculino. Com a finalidade da recolha de dados foi elaborado um questionário através do Formulários do Google. Para avaliar o tipo de cronótipo dos universitários aplicou-se o Morningness-Eveningness Questionnaire (MEQ) e os hábitos de sono foram avaliados a partir do Pittsburgh Sleep Quality Index (PSQI) e da Epworth Sleepiness Scale (ESS). Para avaliar os hábitos alimentares dos participantes formulou-se um conjunto de questões tendo em conta este objetivo. Estes dados foram recolhidos on-line, tendo sido enviado o questionário a todos os alunos da Universidade Fernando Pessoa através do respetivo correio eletrónico institucional. No final desta investigação, foi possível concluir que a maioria dos alunos universitários apresenta um cronótipo intermédio (50 pontos ± 9,43), hábitos alimentares saudáveis e equilibrados e apresenta ainda uma má qualidade de sono (8 pontos ± 2,86) e padrões de sono irregulares, no entanto, não exibem sonolência diurna excessiva (8 pontos ± 3,96).

Diel variation in movement patterns and habitat use by the near-threatened cabrera vole in mediterranean farmland

As variações circadianas no comportamento animal e o seu impacto nas populações constituem desafios importantes em ecologia e conservação. Nesta tese documentam-se as variações circadianas no uso do habitat e padrões de movimento pelo rato de Cabrera, em habitats Mediterrânicos fragmentados. O estudo baseou-se no radio-seguimento de indivíduos em habitats dominados por herbáceas e arbustos. Os resultados indicaram que a proporção de tempo despendido em deslocações, a distância percorrida, e a selecção do tipo de vegetação, estão fortemente interrelacionados, variando consideravelmente ao longo de diferentes períodos do dia. Os ratos movimentaram-se mais frequentemente e maiores distâncias nos períodos diurnos, durante os quais as áreas dominadas por herbáceas foram usadas mais intensivamente. Durante a estação seca houve alguma tendência para a diminuição dos movimentos durante as horas mais quentes. Estes resultados são discutidos no sentido de mostrar como indicadores comportamentais podem contribuir para melhorar a gestão e conservação da espécie; ABSTRACT: Understanding the circadian variations in species behaviour and its impacts on population is a challenging topic in ecology and conservation. This thesis documents the circadian variations in habitat use and movement patterns by Cabrera voles in fragmented Mediterranean farmland. The study was based on radiotracking data of individuals living in habitat patches dominated by wet grasses and shrubs. Results indicated that the proportion of time animals spent moving, the distance moved and the selection strength of vegetation were closely linked behavioural traits, which varied considerably across the 24 hour cycle. Voles moved more frequently and over larger distances during daytime, which was when wet grasses were used more intensively. During the dry season there was some tendency for a decrease in movement activity during the hottest hours of the day. These results are used to discuss how behavioural indicators may be useful to improve conservation management of the species.

Studio di sistemi di navigazione biologici per il controllo della traiettoria di volo in alcune specie di uccelli

Sapersi muovere con efficienza è fondamentale per tutti gli esseri viventi. Gli uccelli sono abili navigatori del cielo e, per orientarsi, utilizzano diversi tipi di bussole naturali e un orologio circadiano che gli consente di compensare i cambiamenti giornalieri dovuti alla rotazione terrestre. Essi sono in grado di immagazzinare, in una mappa cognitiva, le informazioni percepite durante i vari voli effettuati; queste possono derivare da riferimenti sia di tipo visivo, che di altro genere, come odori e geomagnetismo, e consentono ai volatili di ritrovare facilmente la strada di casa. Gli uccelli, inoltre, sono in grado di percepire il flusso ottico proveniente da un paesaggio pieno di irregolarità (come può esserlo una foresta o una superficie ondosa marina); grazie ad esso possono controllare con precisione l'altitudine di volo a bassa quota e possono individuare ostacoli nelle immediate vicinanze in modo da evitare collisioni. Durante le migrazioni capita di volare a quote più elevate per cercare di risparmiare energie e, in questo caso, gli uccelli possono controllare la loro altitudine con un errore all'incirca di 10m, poiché sono in grado di percepire direttamente le variazioni di pressione atmosferica. Per risparmiare energie sono molto abili nello sfruttare la forza dei venti e nel compensarne la deriva. Gli uccelli possiedono diverse abilità che spiegano la loro impressionante capacità di navigazione e quindi rappresentano un ottimo spunto per apprendere diverse tecniche in modo da migliorare i nostri metodi di orientamento ed elaborazione dei dati.