Experimental design in fluvial ichthyology: getting the most for your money

In field biology, cost efficiency is an essential element of experimental design, with ramifications extending well beyond the basic monetary considerations associated with labour and equipment acquisition. Current economic constraints often require scientists to undertake many technical, secretarial and managerial tasks in addition to those associated with data collection, analysis, interpretation and publication. Because the time spent to process material in the laboratory can rarely be shortened without compromising the integrity of the results, it is imperative that field experiments be well-organised, addressing as many aspects of the problem as possible during the same sampling excursion. The sampling strategy employed should provide a maximum of good field data with a minimum cost of time and effort.

Theoretical investigations of experimental gravitation

This thesis has two basic themes: the investigation of new experiments which can be used to test relativistic gravity, and the investigation of new technologies and new experimental techniques which can be applied to make gravitational wave astronomy a reality.

Advancing technology will soon make possible a new class of gravitation experiments: pure laboratory experiments with laboratory sources of non-Newtonian gravity and laboratory detectors. The key advance in techno1ogy is the development of resonant sensing systems with very low levels of dissipation. Chapter 1 considers three such systems (torque balances, dielectric monocrystals, and superconducting microwave resonators), and it proposes eight laboratory experiments which use these systems as detectors. For each experiment it describes the dominant sources of noise and the technology required.

The coupled electro-mechanical system consisting of a microwave cavity and its walls can serve as a gravitational radiation detector. A gravitational wave interacts with the walls, and the resulting motion induces transitions from a highly excited cavity mode to a nearly unexcited mode. Chapter 2 describes briefly a formalism for analyzing such a detector, and it proposes a particular design.

The monitoring of a quantum mechanical harmonic oscillator on which a classical force acts is important in a variety of high-precision experiments, such as the attempt to detect gravitational radiation. Chapter 3 reviews the standard techniques for monitoring the oscillator; and it introduces a new technique which, in principle, can determine the details of the force with arbitrary accuracy, despite the quantum properties of the oscillator.

The standard method for monitoring the oscillator is the "amplitude- and-phase" method (position or momentum transducer with output fed through a linear amplifier). The accuracy obtainable by this method is limited by the uncertainty principle. To do better requires a measurement of the type which Braginsky has called "quantum nondemolition." A well-known quantum nondemolition technique is "quantum counting," which can detect an arbitrarily weak force, but which cannot provide good accuracy in determining its precise time-dependence. Chapter 3 considers extensively a new type of quantum nondemolition measurement - a "back-action-evading" measurement of the real part X₁ (or the imaginary part X₂) of the oscillator's complex amplitude. In principle X₁ can be measured arbitrarily quickly and arbitrarily accurately, and a sequence of such measurements can lead to an arbitrarily accurate monitoring of the classical force.

Chapter 3 describes explicit gedanken experiments which demonstrate that X₁ can be measured arbitrarily quickly and arbitrarily accurately, it considers approximate back-action-evading measurements, and it develops a theory of quantum nondemolition measurement for arbitrary quantum mechanical systems.

In Rosen's "bimetric" theory of gravity the (local) speed of gravitational radiation v_g is determined by the combined effects of cosmological boundary values and nearby concentrations of matter. It is possible for v_g to be less than the speed of light. Chapter 4 shows that emission of gravitational radiation prevents particles of nonzero rest mass from exceeding the speed of gravitational radiation. Observations of relativistic particles place limits on v_g and the cosmological boundary values today, and observations of synchrotron radiation from compact radio sources place limits on the cosmological boundary values in the past.

A mathematical and experimental investigation of microcycle spectral estimates of semiconductor flicker noise

The experimental portion of this thesis tries to estimate the density of the power spectrum of very low frequency semiconductor noise, from 10^-6.3 cps to 1. cps with a greater accuracy than that achieved in previous similar attempts: it is concluded that the spectrum is 1/f^α with α approximately 1.3 over most of the frequency range, but appearing to have a value of about 1 in the lowest decade. The noise sources are, among others, the first stage circuits of a grounded input silicon epitaxial operational amplifier. This thesis also investigates a peculiar form of stationarity which seems to distinguish flicker noise from other semiconductor noise.

In order to decrease by an order of magnitude the pernicious effects of temperature drifts, semiconductor "aging", and possible mechanical failures associated with prolonged periods of data taking, 10 independent noise sources were time-multiplexed and their spectral estimates were subsequently averaged. If the sources have similar spectra, it is demonstrated that this reduces the necessary data-taking time by a factor of 10 for a given accuracy.

In view of the measured high temperature sensitivity of the noise sources, it was necessary to combine the passive attenuation of a special-material container with active control. The noise sources were placed in a copper-epoxy container of high heat capacity and medium heat conductivity, and that container was immersed in a temperature controlled circulating ethylene-glycol bath.

Other spectra of interest, estimated from data taken concurrently with the semiconductor noise data were the spectra of the bath's controlled temperature, the semiconductor surface temperature, and the power supply voltage amplitude fluctuations. A brief description of the equipment constructed to obtain the aforementioned data is included.

The analytical portion of this work is concerned with the following questions: what is the best final spectral density estimate given 10 statistically independent ones of varying quality and magnitude? How can the Blackman and Tukey algorithm which is used for spectral estimation in this work be improved upon? How can non-equidistant sampling reduce data processing cost? Should one try to remove common trands shared by supposedly statistically independent noise sources and, if so, what are the mathematical difficulties involved? What is a physically plausible mathematical model that can account for flicker noise and what are the mathematical implications on its statistical properties? Finally, the variance of the spectral estimate obtained through the Blackman/Tukey algorithm is analyzed in greater detail; the variance is shown to diverge for α ≥ 1 in an assumed power spectrum of k/|f|^α, unless the assumed spectrum is "truncated".

Experimental studies of weak superconductivity

Experimental investigations were made of the nature of weak superconductivity in a structure having well-defined, controllable characteristics and geometry. Controlled experiments were made possible by using a thin-film structure which was entirely metallic and consisted of a superconducting film with a localized section that was weak in the sense that its transition temperature was depressed relative to the rest of the film. The depression of transition temperature was brought about by underlaying the superconductor with a normal metal.

The DC and AC electrical characteristics of this structure were studied. It was found that this structure exhibited a non-zero, time-average supercurrent at finite voltage to at least .2 mV, and generated an oscillating electric potential at a frequency given by the Josephson relation. The DC V-I characteristic and the amplitude of the AC oscillation were found to be consistent with a two- fluid (normal current-supercurrent) model of weak super-conductivity based on e thermodynamically irreversible process of repetitive phase-slip, and featuring a periodic time dependence in the amplitude of the superconducting order parameter.

The observed linewidth of the AC oscillation could be accounted for by incorporating Johnson noise in the two-fluid model.

Experimentally it was found that the behavior of a short (length on the order of the coherence distance) weak superconductor could be characterized by its critical current and normal-state resistance, and an empirical expression was obtained for the time dependence of the super-current and voltage.

It was found that the results could not be explained on the basis of the theory of the Josephson junction.

Efeitos macrovasculares, microvasculares e interação leucócito-endotélio, na endotoxemia experimental após o uso de Dobutamina com e sem ressuscitação volêmica

Na sepse, o mecanismo desencadeador de morte é a disfunção múltipla de órgãos e sistemas. Com isso a microcirculação é considerada o motor na patogênese da sepse. A perfusão microcirculatória representa um dos principais objetivos para melhorar as taxas de sobrevida. Uma vez reconhecida a síndrome séptica, o protocolo clínico estabelece o uso de fluidoterapia com salina, de forma vigorosa na primeira hora e seguida de suporte inotrópico com Dobutamina. A partir daí foi levantada a hipótese das drogas β-agonistas serem relevantes na recuperação da microcirculação, antes mesmo de seu conhecido papel na recuperação do choque cardiogênico. Assim, estudar o papel da Dobutamina, um β-agonista, na resposta adrenérgica em situação de sepse se faz necessário e urgente e o entendimento de sua ação, associada à reposição volêmica, foi objeto deste estudo. Foram usados no presente estudo, 78 hamsters, induzida a endotoxemia com LPS (2mg/kg/de massa de peso corporal) e divididos em 9 grupos: controle (n=10), endotóxico(n=10), endotóxico tratados com Dobutamina na dose de 5 e 15 μg /kg/min (n=10), Isoproterenol(n=10), ressuscitação volêmica (n=10) e ressuscitação volêmica associada à Dobutamina 5 (n=10) e 15 μg/kg/min (n=4) e Isoproterenol (n=4). Foram comparados os resultados de recuperação da densidade capilar funcional ao longo do tempo entre os grupos, e obteve-se resultado estatisticamente significativo no grupo em que se usa Dobutamina de 5μg/kg/min associada à ressuscitação volêmica p< 0,05. Em conclusão este estudo mostra que o papel da ressuscitação volêmica é crucial na resposta da microcirculação para melhorar a densidade capilar funcional, que a velocidade da hemácia capilar tem relação direta com a melhora na perfusão tecidual e que a associação de recuperação volêmica com solução salina e Dobutamina na dose de 5 μg /kg /min melhora significativamente sua resposta e melhora a perfusão.

Estudo das alterações cardiovasculares e metabólicas em modelo experimental de programação metabólica: efeito de extrato da casca de uva Vitis vinífera

Estudos epidemiológicos e experimentais têm sugerido que fatores de risco cardiovasculares podem ser parcialmente atribuídos às influências do ambiente em que vive o indivíduo, e que a nutrição materna influencia na programação de alterações metabólicas e cardiovasculares no indivíduo adulto e que caracterizam a síndrome metabólica (SM). Em contrapartida, estudos prévios de nosso laboratório demonstram que o extrato da casca de uva Vitis labrusca (GSE) possui efeito vasodilatador, antihipertensivo e antioxidante. Desta forma, o objetivo deste estudo foi avaliar o efeito do tratamento oral com GSE (200mg/kg/dia), sobre as alterações cardiovasculares e metabólicas e estresse oxidativo observados na prole adulta (fêmea e machos) com 3 e 6 meses, cujas mães foram submetidas a uma dieta rica em gordura (hiperlipídica) durante a lactação. Quatro grupos de ratas foram alimentados com dietas experimentais: controle (7% de gordura); controle + GSE (7% de gordura + GSE), hiperlipídica (24% de gordura); hiperlipídica + GSE (24% de gordura + GSE) durante a lactação. Após o desmame, todos os filhotes passaram a ser alimentados com uma dieta controle e foram sacrificados aos 3 ou 6 meses de idade. A pressão arterial sistólica (PAS) foi medida por pletismografia de cauda e o efeito vasodilatador da acetilcolina (ACh) foi avaliado em leito arterial mesentérico (LAM) perfundido. Foram avaliados o peso corporal, adiposidade (intra-abdominal e gonadal), níveis plasmáticos de colesterol total, triglicerídeos, glicose e insulina, e a resistência à insulina (RI) foi calculada pelo índice de HOMA IR. As expressões do IRS-1, Akt e GLUT-4 foram determinadas em músculo soleus. O dano oxidativo, níveis de nitritos e a atividade das enzimas antioxidantes: superóxido dismutase, catalase e glutationa peroxidase foram dosados no plasma e homogenato de LAM. A PAS e tecido adiposo foram aumentados nas proles adultas de ambos os sexos e idades do grupo hiperlipídico e revertidos pelo tratamento com o GSE. A resposta vasodilatadora à ACh em LAM não foi diferente entre os grupos de ambos os sexos, mas foram reduzidas com o envelhecimento. Nas proles fêmeas e machos do grupo hiperlipídico também foram observados o aumento dos níveis de triglicerídeos, de glicose e RI em ambas as idades e foram reduzidos pelo GSE. No grupo hiperlipídico houve redução nas expressões de IRS-1, Akt e GLUT-4 e o GSE reverteu estas expressões. Os níveis plasmáticos de malondialdeído estavam aumentados e os níveis de nitrito diminuídos no grupo hiperlipídico, de ambos os sexos e idades e foram revertidos pelo GSE. As atividades das enzimas antioxidantes no plasma e no mesentério foram reduzidas no grupo hiperlipídico e restauradas pelo GSE. Em conclusão, O GSE parece proteger as proles fêmeas e machos, cujas mães foram expostas a uma dieta hiperlipídica durante a lactação, dos fatores de riscos cardiovasculares, proporcionando uma fonte alternativa nutricional para a prevenção da SM.

La participación de los microRNAs en la regulación de la plasticidad en la corteza visual en un modelo de ambliopía experimental

La aplicaci�n de campos geomagn�ticos con la polaridad cambiante promueve la plasticidad de la corteza visual de animales privados visualmente mediante la cr�a en oscuridad, o bien a trav�s de la sutura palpebral de un ojo.Esto es debido a que la estimulaci�n magn�tica produce la down-regulaci�n de la expresi�n de los microRNAs let-7b*, miR-330, miR-338* y miR-376c en la corteza visual de animales sometidos a la cr�a en oscuridad, as� como de animales sujetos a sutura palpebral de un ojo. Como consecuencia de la down-regulaci�n de la expresi�n de los microRNAs citados anteriormente, se ven incrementados los niveles de expresi�n de sus correspondientes mol�culas diana, Conexina 26 para el caso de let-7b*, Tenascina R en el caso de miR-330, Contactina 4 para el caso de miR-338* y Matriz metalopeptidasa 9 y �-sinucle�na, ambas mol�culas diana de miR-376c. El aumento de expresi�n de estas mol�culas diana a nivel de RNA mensajero, as� como a nivel de prote�na en la corteza visual promueve la capacidad pl�stica de la corteza visual, ya que estas mol�culas diana se encuentran implicadas en procesos de crecimiento/elongaci�n de las neuritas y en la regulaci�n de la morfolog�a de las espinas dendr�ticas.

Citocinas proinflamatorias: participación en la modulación de la actividad del melanoma experimental B16

252 p. : il.

Benefício da natação em modelo experimental de doença gordurosa hepática não alcoólica e síndrome metabólica

O acúmulo crônico de gordura no fígado (doença hepática gordurosa não alcoólica ou esteatose hepática não alcoólica - NAFLD) está fortemente associada com a obesidade e a resistência à insulina. O estudo teve como objetivo investigar o efeito do exercício físico (natação) na redução da esteatose hepática e comorbidades associadas, incluindo a expressão hepática de síntese de ácidos graxos e receptor proliferador de peroxissoma atividade alfa. Camundongos machos C57BL/6 foram divididos em dois grandes grupos de acordo com a dieta durante 22 semanas: dieta padrão (10% de gordura, SC) ou dieta rica em gordura (60% de gordura, HF), caracterizando os grupos sedentários SC-Sed e HF-Sed. Nas últimas 10 semanas do experimento, metade dos grupos sedentários foram submetidos ao protocolo de natação com um aumento progressivo no tempo (6/dia até 60/dia, 5x/semana), caracterizando os grupos exercitados: SC-Ex e HF-Ex. No final do experimento, comparado ao grupo SC-Sed, o grupo HF-Sed teve a massa corporal significativamente superior, hiperglicemia, hiperinsulinemia com resistência à insulina, hipertrofia dos adipócitos (com infiltrado inflamatório), hipertrofia das ilhotas pancreáticas, dislipidemia, alteração das enzimas hepáticas e inflamatórias e NAFLD com mudanças na expressão de proteínas hepáticas lipogênicas e oxidativas. O programa de natação, mesmo concomitante com a dieta rica em gordura, reduziu o excesso de peso e todos os outros resultados, especialmente a NAFLD. Os resultados permitem concluir que a natação pode atenuar os efeitos deletérios de uma dieta rica em gorduras combinado com estilo de vida sedentário em camundongos. Estes dados reforçam a idéia que o exercício físico pode ser considerado uma estratégia terapêutica não farmacológica eficaz no tratamento da NAFLD, obesidade e resistência à insulina.