The Regulation of Sleep and Circadian Rhythms: The Role of Melatonin and Adenosine in Zebrafish

Sleep is a highly conserved behavioral state whose regulation is still unclear. In this thesis I initially briefly introduce the known sleep circuitry and regulation in vertebrates, and why zebrafish is seen as a good model to study sleep-regulation. I describe the existing two-process model of sleep regulation, which posits that the two processes C (circadian) and S (homeostatic) control timing of sleep-wake behavior. I then study the role melatonin plays in the circadian regulation of sleep using zebrafish. Firstly, we find that the absence of melatonin results in a reduction of sleep at night, establishing that endogenous melatonin is required for sleep at night. Secondly, melatonin mutants show a reduction in sleep in animals with no functional behavioral rhythms suggesting that melatonin does not require intact circadian rhythms for its effect on sleep. Thirdly, melatonin mutants do not exhibit any changes in circadian rhythms, suggesting that the circadian clock does not require melatonin for its function. Fourthly, we find that in the absence of melatonin, there is no rhythmic expression of sleep, suggesting that melatonin is the output molecule of process C. Lastly, we describe a connection between adenosine signaling (output molecules of process S), and melatonin. Following this we proceed to study the role adenosine signaling plays in sleep-wake behavior. We find that firstly, adenosine receptor A1 and A2 are involved in sleep- wake behavior in zebrafish, based on agonist/antagonist behavioral results. Secondly, we find that several brain regions such as PACAP cells in the rostral midbrain, GABAergic cells in the forebrain and hindbrain, Dopamine and serotonin cells in the caudal hypothalamus and sox2 cells lining the hindbrain ventricle are activated in response to the A1 antagonist and VMAT positive cells are activated in response to the A2A agonist, suggesting these areas are involved in adenosine signaling in zebrafish. Thirdly, we find that knocking out the zebrafish adenosine receptors has no effect on sleep architecture. Lastly, we find that while the A1 agonist phenotype requires the zfAdora1a receptor, the antagonist and the A2A agonist behavioral phenotypes are not mediated by the zfAdora1a, zfAdora1b and zfAdoraA2Aa, zfAdora2Ab receptors respectively.

MEMS for Diabetic Retinopathy

As the worldwide prevalence of diabetes mellitus continues to increase, diabetic retinopathy remains the leading cause of visual impairment and blindness in many developed countries. Between 32 to 40 percent of about 246 million people with diabetes develop diabetic retinopathy. Approximately 4.1 million American adults 40 years and older are affected by diabetic retinopathy. This glucose-induced microvascular disease progressively damages the tiny blood vessels that nourish the retina, the light-sensitive tissue at the back of the eye, leading to retinal ischemia (i.e., inadequate blood flow), retinal hypoxia (i.e., oxygen deprivation), and retinal nerve cell degeneration or death. It is a most serious sight-threatening complication of diabetes, resulting in significant irreversible vision loss, and even total blindness.

Unfortunately, although current treatments of diabetic retinopathy (i.e., laser therapy, vitrectomy surgery and anti-VEGF therapy) can reduce vision loss, they only slow down but cannot stop the degradation of the retina. Patients require repeated treatment to protect their sight. The current treatments also have significant drawbacks. Laser therapy is focused on preserving the macula, the area of the retina that is responsible for sharp, clear, central vision, by sacrificing the peripheral retina since there is only limited oxygen supply. Therefore, laser therapy results in a constricted peripheral visual field, reduced color vision, delayed dark adaptation, and weakened night vision. Vitrectomy surgery increases the risk of neovascular glaucoma, another devastating ocular disease, characterized by the proliferation of fibrovascular tissue in the anterior chamber angle. Anti-VEGF agents have potential adverse effects, and currently there is insufficient evidence to recommend their routine use.

In this work, for the first time, a paradigm shift in the treatment of diabetic retinopathy is proposed: providing localized, supplemental oxygen to the ischemic tissue via an implantable MEMS device. The retinal architecture (e.g., thickness, cell densities, layered structure, etc.) of the rabbit eye exposed to ischemic hypoxic injuries was well preserved after targeted oxygen delivery to the hypoxic tissue, showing that the use of an external source of oxygen could improve the retinal oxygenation and prevent the progression of the ischemic cascade.

The proposed MEMS device transports oxygen from an oxygen-rich space to the oxygen-deficient vitreous, the gel-like fluid that fills the inside of the eye, and then to the ischemic retina. This oxygen transport process is purely passive and completely driven by the gradient of oxygen partial pressure (pO₂). Two types of devices were designed. For the first type, the oxygen-rich space is underneath the conjunctiva, a membrane covering the sclera (white part of the eye), beneath the eyelids and highly permeable to oxygen in the atmosphere when the eye is open. Therefore, sub-conjunctival pO₂ is very high during the daytime. For the second type, the oxygen-rich space is inside the device since pure oxygen is needle-injected into the device on a regular basis.

To prevent too fast or too slow permeation of oxygen through the device that is made of parylene and silicone (two widely used biocompatible polymers in medical devices), the material properties of the hybrid parylene/silicone were investigated, including mechanical behaviors, permeation rates, and adhesive forces. Then the thicknesses of parylene and silicone became important design parameters that were fine-tuned to reach the optimal oxygen permeation rate.

The passive MEMS oxygen transporter devices were designed, built, and tested in both bench-top artificial eye models and in-vitro porcine cadaver eyes. The 3D unsteady saccade-induced laminar flow of water inside the eye model was modeled by computational fluid dynamics to study the convective transport of oxygen inside the eye induced by saccade (rapid eye movement). The saccade-enhanced transport effect was also demonstrated experimentally. Acute in-vivo animal experiments were performed in rabbits and dogs to verify the surgical procedure and the device functionality. Various hypotheses were confirmed both experimentally and computationally, suggesting that both the two types of devices are very promising to cure diabetic retinopathy. The chronic implantation of devices in ischemic dog eyes is still underway.

The proposed MEMS oxygen transporter devices can be also applied to treat other ocular and systemic diseases accompanied by retinal ischemia, such as central retinal artery occlusion, carotid artery disease, and some form of glaucoma.

Scientific investigations into the eutrophication of the Norfolk Broads

The word ”Broads” is used to describe a series of relatively shallow lakes resulting from the flooding of medieval peat diggings. Broadland is essentially freshwater, but because the rivers have such low gradients the lower reaches are brackish. The influence of tide is particularly apparent on the River Yare; in Norwich 40 km from the sea there is a vertical movement of half a metre at spring tide. This study examines the problems that the broadlands are facing. The problems are basically the progressive loss of aquatic plants, in particular the macro- phytes, animal life, outbreaks of avian botulism, occasional fish kills due to a toxin produced by the blue-green alga Prymesium parvum and the emergence of very heavy algal blooms. The main factor for the deteriation of the Broaslands is the eutrophication resulting from enhanced nutrient inputs, in particular of nitrates and phosphates, from a variety of sources. The most important of these are sewage effluents, agricultural drainage, which includes fertilisers and nutrient rich effluents from piggeries and dairy un

Uso do espaço do marsupial Caluromys philander (Didelphimorphia, Didelphidae) no Parque Nacional da Serra dos Órgãos - Rio de Janeiro, Brasil

Uso do espaço é um padrão bem estudado em ecologia. Entretanto, formação de área de vida e posição relativa dos abrigos com área de uso são pouco estudados, principalmente para marsupiais didelfídeos. Dentre estes animais, podemos destacar Caluromys philander, devido ao seu baixo registro em armadilhas na Mata Atlântica e características peculiares dentro do grupo, como seu desenvolvimento, longevidade e hábito alimentar. Neste estudo foram investigadas as formações das áreas de uso destes animais através da comparação com seus movimentos diários, e a posição dos seus abrigos dentro das suas áreas de uso. Para isso foram monitorados seis indivíduos de C. philander através de colares rádio transmissores. Estes indivíduos se deslocaram em média 534 153 m por noite. Além disso, apresentaram área diária de 9548 3591 m e área de vida de 2,8 0,4 ha. Noventa e sete por cento das áreas diárias apresentaram sobreposição entre si, com média de 19,4% de sobreposição. Não houve diferença nos locais dos abrigos dos indivíduos monitorados, dentro dos seus Mínimos Polígonos Convexos. Entretanto, estes mesmos abrigos não estiveram localizados nas áreas de maior intensidade de uso. A média de abrigos utilizados por indivíduo foi de 6,3 (3-10) com utilização média de 2,9 (1-17) vezes em cada abrigo, sendo que 48% das vezes os animais só possuíram um registro em cada abrigo, demonstrando baixa fidelidade. Entretanto, dois indivíduos apresentaram diferença de utilização entre seus abrigos, com três destes sendo mais utilizados que os outros. O trabalho sugere que os indivíduos de C. philander monitorados apresentam área de vida propriamente dita (restrita), onde ocorrem as sobreposições entre suas áreas diárias. C. philander utilizam mais de um abrigo em suas vidas, trocando com frequência de abrigos, apesar de alguns destes abrigos poderem ser mais utilizados que outros. Além disso, os abrigos destes animais não são localizados nas suas áreas de maior intensidade de uso.

Fishing gear experiments in Finland

A comparison of some different European methods of estimating the numbers of fish in a lake using different fishing gear is described. The different gears used were 1. surface trawl used by night 2. bottom trawl used by day 3. trammel nets, set in the evening and lifted in the morning 4. surface seine net used by night 5. bottom seine net used by day 6. Fyke nets, emptied each morning and evening 7. gill nets, set in the evening and lifted in the morning. The most variable catches were from those gears used by day on the bottom and the least variable were those used by night at the surface. The work continued by examining the use of acoustic systems for pelagic fish stock assessment. This gear gave reasonable population estimates for pelagic fish 10m and more below the surface. The advantage of the accoustic method is that it is quick and requires little labour. Its disadvantage is that it is not possible to identify the species and so it must be supplemented by another, conventional method.

Potenciais interações medicamentosas com dano grave e sua relação com o aprazamento estabelecido por enfermeiros

Trata-se de estudo multicêntrico, com revisão retrospectiva de prontuário, que teve como objeto a associação entre o aprazamento de medicações intravenosas realizadas por enfermeiros e as potenciais interações medicamentosas (PIM) graves, encontradas em prescrições de pacientes críticos adultos hospitalizados. Os objetivos foram: a) apresentar os grupos medicamentosos e medicamentos prevalentes em cada Unidade de Tratamento Intensivo (UTI) pesquisada; b) descrever o perfil do aprazamento dos medicamentos intravenosos em cada UTI pesquisada; e, c) analisar a frequência das potenciais interações medicamentosas graves favorecidas pelo aprazamento feito por enfermeiros. Para coleta de dados foi utilizado um instrumento que contemplou o nome do medicamento, a dose, a via, a frequência de administração e os horários aprazados pelo enfermeiro, dando origem a um imenso banco de dados. Os dados foram coletados em 3 UTIs conveniadas ao SUS e pertencentes à Rede Sentinela. O levantamento das PIM foi feito de prescrição a prescrição, pareando-se todos os medicamentos intravenosos conforme critérios de inclusão, obtendo-se assim uma lista com as interações encontradas. As PIM foram identificadas nas bases Micromedex Drugs-Reax System.12 e Drugs.com. Foi encontrada uma chance quase três vezes maior (OR: 2,96) de PIM em prescrições com mais de 5 medicamentos. Às 6h foi encontrada nas UTIs A e B a maior chance de PIM. Na UTI C não foi encontrada prevalência nem OR significativa, assim como o número de doses comprometidas com PIM foi o menor entre todas as UTIs. Houve predomínio de medicamentos que atuam no sistema digestivo (31,99%), com destaque para ranitidina (44,08%). As UTI A e B seguem um mesmo padrão no que diz respeito a acumular o aprazamento, preferencialmente em quatro horários: 14h, 18h, 22h e 6h. A UTI C distribui seu aprazamento por nove horários, inclusive no horário de visitas (16h) e no início de plantão (08h e 20h). Na UTI A e B predominaram aprazamentos noturnos; na UTI C foram tarde e noite, sugerindo uma rotina organizada de acordo com o processo de trabalho de médicos, enfermagem e farmácia. Foram encontrados 47 PIM graves nos horários prevalentes. A UTI A apresentou o maior número de PIM graves (n=32). Destacam-se cinco medicamentos que, repetidamente, foram aprazados associados em PIM grave: haloperidol, metoclopramida, tramadol, furosemida e prometazina. Conclui-se que a rotina de atividades na UTI favorece o aprazamento padronizado e concentrado em poucos horários, logo a ocorrência de PIM graves, desconsiderando assim os aspectos farmacocinéticos e farmacodinâmicos dos medicamentos em uso concomitante.

A arte de rir da morte: em Shakespeare e em Camões

Esta pesquisa tem por objetivo apontar os recursos criativos, usados por Shakespeare e Camões, para a construção de cenas, que têem como finalidade provocar o riso nos expectadores. Escolhemos três comédias de Shakespeare (Noite de Reis, A comédia dos erros, Sonho de uma noite de verão) para fazer uma leitura comparativa com as três comédias escritas por Camões (Filodemo, El Rei Seleuco e Anfitrião). Constatamos que, apesar da existência de uma variedade de procedimentos técnicos para a produção do riso, os autores recorreram aos mesmos recursos criativos: naufrágios, personagens com identidades trocadas, gêmeos que são confundidos e encenação de uma peça dentro de outra peça. Esses recursos são ferramentas com a função de criar um anteparo diante do horror da morte, o que constitui um processo de defesa do homem diante do seu inexorável destino. Nesse sentido, a comédia é uma das vias pela qual o homem ri da morte

"Nortia, te veneror" (CLE 1530 = CIL 6. 537): la defensa de Avieno de la fortuna y del encomio propio

Este trabajo ha sido realizado dentro del Grupo de Investigación GIU 10-19 “LITTERARVM. Grupo de Investigación en Literatura, Retórica y Tradición Clásica” de la UPV/EHU.