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Sono e memória são dois aspectos essenciais na vida da maioria dos seres vivos. Durante o sono, nossos músculos e nossos órgãos internos repousam, o gasto de energia é reduzido, nosso sistema imunológico é recuperado e os metabólitos produzidos nos nossos cérebros durante a vigília são expurgados; todas atividades necessárias na preparação do nosso corpo para o próximo dia de experiências. Simultaneamente, a memória é uma função cognitiva que nos permite caracterizar padrões, armazená-los, construir e desenvolver ideias e definir quem somos. Curiosamente, as últimas décadas de pesquisa levaram à noção de que esses dois importantes processos fisiológicos podem andar de mãos dadas; ou seja, que a função do sono na memória não é meramente limpar informações desnecessárias e ajudar passivamente aumentando a relação sinal-ruído. As novas evidências sugerem um protagonismo do sono em trabalhar ativamente no processamento de memória. Além do abundante conjunto de evidências implicando uma fase específica do sono chamada de sono não-REM (movimento ocular rápido, do inglês rapid eye movement – REM) na consolidação da memória, o presente trabalho se concentra no entendimento do mecanismo pelo qual o sono REM beneficia o processamento de memória dependente do hipocampo. Fizemos uma extensa revisão da literatura, projetamos, realizamos e analisamos experimentos visando avançar na compreensão do papel do sono REM no processo de fazer memórias dependentes do hipocampo persistirem e dependerem gradualmente de estruturas neocorticais (corticalização) ao longo do tempo. Nossos resultados indicam que existem janelas temporais especiais relacionadas ao sono REM que auxiliam na promoção da plasticidade e corticalização do traço de memória após o aprendizado, com atenção especial para uma janela precoce 3 a 4 horas após o treinamento, e uma tardia cerca de 12 horas depois. Mostramos evidências de uma interação entre o hipocampo e o córtex retrosplenial (duas regiões intimamente relacionadas ao processamento de memória) durante o sono REM, e que essa interação durante a janela precoce está correlacionada com a expressão da memória. Nós também exibimos evidências que sugerem que o aumento da expressão de genes relacionados à plasticidade sináptica durante o período tardio, que tem sido consistentemente implicados na persistência da memória, pode depender do sono REM. Ao todo, os resultados relatados no presente trabalho suportam a noção de que as janelas de sono REM após o treinamento são importantes para o processamento de memória offline e para a corticalização. Eles também sugerem que os mecanismos da ação do sono REM compreendem a interação entre regiões corticais e subcorticais relacionadas à memória, e promover a expressão gênica induzida pelo aprendizado necessária para a remodelação otimizada de redes corticais, a fim de introduzir novas experiências no cabedal de conhecimento preexistente. Sleep and memory are two essential aspects of the life of most living beings. During sleep, our muscles and internal organs rest, energy expenditure is reduced, our immune system is recovered, and the metabolites produced in our brains during wakefulness are purged; everything necessary to prepare our body for the next day of experiences. Simultaneously, memory is a cognitive function that allows us to characterize patterns, store them, build and develop ideas, and define who we are. Interestingly, the last decades of research had led to the notion that these two important physiological processes may keep holding hands, i.e., that the sleep function on memory is not merely by cleaning unnecessary information and passively helping by increasing the signal-to-noise ratio. The new evidence suggests a protagonism of sleep in actively working on memory processing. Besides the plentiful evidence implicating a specific phase of sleep called non-rapid eye movement (NREM) in memory consolidation, the present work focuses on understanding the mechanism by which REM sleep benefits hippocampal-dependent memory processing. We have gone into an extensive review of the literature, designing, performing, and analyzing experiments aiming at step forward in the understanding the role of REM sleep in the process of making hippocampal-dependent memories persist and gradually depend on neocortical structures (corticalization) over time. Our results indicate that there are special time windows for REM sleep-dependent plasticity and memory corticalization after learning, with particular attention to an early window 3 – 4h after training and a late one about 12 h after. We show evidence of an interplay between the hippocampus and the retrosplenial cortex (two regions closely related to memory processing) during REM sleep, and that this interplay in the early window is correlated with memory expression. We also exhibit evidence suggesting that the upregulation of genes related to synaptic plasticity during the late time window, which have been consistently implicated in memory persistence, may depend on REM sleep. Altogether, the results reported in the present work support the notion that windows of REM sleep after training are important for offline memory processing and corticalization. They also suggest that the mechanisms of REM sleep action comprise the cross-talk between memory-related cortical and subcortical regions, and to provide training-induced gene expression necessary for the optimized remodeling of cortical networks for the introduction of new information into preexisting knowledge.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Os potenciais de campo local do cérebro de roedores exibem oscilações proeminentes que, em teoria, coordenam o fluxo de informação nos circuitos neuronais. Esta tese investigou oscilações que emergem simultaneamente nos sistemas olfatório e hipocampal de ratos e que supostamente medeiam a comunicação entre estas áreas. Apresentamos os principais resultados em 4 publicações – dois artigos de opinião (1 e 4) e dois experimentais (2 e 3). O artigo 1 discute a origem controversa das oscilações lentas (~ 1 Hz) dos potenciais de campo local que surgem no hipocampo de roedores durante sono e anestesia. Seriam estas oscilações geradas por processamento interno com o neocórtex, ou se acoplariam com inputs externos da respiração nasal rítmica? Abordamos experimentalmente esta questão no artigo 2. Através de registros simultâneos de respiração nasal e de potenciais de campo local em ratos anestesiados com uretano, mostramos que o hipocampo exibe duas oscilações lentas independentes: uma que segue as flutuações up-and-down do neocórtex e outra que que segue o ritmo neural acoplado à respiração presente no bulbo olfatório – e, por extensão, a respiração propriamente dita. O artigo 3 mostra que o bulbo olfatório também impõe oscilações beta (10-20 Hz) no hipocampo. Conjuntamente, os artigos 2 e 3 indicam que mecanismos relacionados geram oscilações acopladas à respiração e oscilações beta: ambos ritmos chegam ao hipocampo por meio de aferências do córtex entorrinal ao giro denteado; além disso, a fase do ritmo respiratório modula a amplitude das oscilações beta. Com base em nossos resultados e em publicações de outros grupos, no artigo 4 defendemos que a oscilação delta que sincroniza o córtex pré-frontal e o hipocampo na verdade é um ritmo acoplado à respiração. Em suma, esta tese corrobora que oscilações acopladas à respiração e oscilações beta medeiam a comunicação olfato-hipocampal. Local field potentials (LFPs) in the rodent brain exhibit prominent oscillations, which have been suggested to coordinate information flow across neuronal circuits. This thesis investigated oscillations that simultaneously emerge in the rat olfactory and hippocampal systems and supposedly mediate their communication. The main results and insights are presented in four publications – two commentary (1 and 4) and two experimental (2 and 3) papers. Paper 1 discusses the controversial origin of low-frequency LFP oscillations (~ 1 Hz) that appear in the rodent hippocampus during sleep and anesthesia. Do these oscillations reflect internal processing with the neocortex or do they couple to external inputs from rhythmic nasal respiration? This question is experimentally addressed in paper 2. By simultaneously recording nasal respiration and LFPs from urethane-anesthetized rats, we show that the hippocampus exhibits two independent low-frequency oscillations: one that entrains to neocortical “up-and-down” state transitions and another that entrains to the olfactory bulb respiration-coupled rhythm (RR) – and to respiration itself. Paper 3 further shows that the olfactory bulb also drives beta oscillations (10-20 Hz) in the hippocampus. Together, papers 2 and 3 indicate that related network mechanisms generate hippocampal beta and RR: both rhythms are relayed to the hippocampus by entorhinal cortex inputs to the dentate gyrus and, additionally, the phase of RR modulates beta amplitude. Based on our own results and on publications from other groups, in paper 4 we defend that the recently described delta-band oscillations coupling prefrontal cortex and hippocampus correspond to RR. In all, this thesis supports that respiration-coupled and beta oscillations mediate olfacto-hippocampal communication.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Eletrofisiologia extracelular é uma das principais ferramentas para o estudo da atividade neural em modelos animais. Além de possuir alta resolução temporal, essa técnica é estável o suficiente para permitir o registro dos animais em livre comportamento. Dentre as áreas estudadas pela eletrofisiologia, as regiões da formação hipocampal receberam destaque notável nas últimas décadas devido a sua relação com memória e navegação espacial, funções cognitivas essenciais na vida humana. Nesse sentido, vários correlatos neurais da codificação do espaço têm sido estudados para entender as bases do processamento neural. Entre eles, destacam-se as células de lugar, que aumentam sua taxa de disparo quando o animal se encontra em determinados locais. Nesta tese, exploramos a eletrofisiologia hipocampal em diversos níveis que abarcam o objetivo final de entender os diferentes mecanismos de codificação usados pelo cérebro através de três trabalhos. No primeiro trabalho abordamos o problema de classificação de disparos, que consiste em distinguir a identidade neuronal das formas de ondas detectadas pelo eletrodo extracelular. Investigamos o uso de misturas gaussianas para extração de características e clusterização das formas de onda. Após avaliar as melhores estratégias usando dados reais e simulados, comparamos a performance do nosso algoritmo com outros dois métodos de classificação de disparos. Nosso algoritmo, que combina as duas principais técnicas de extração de características com um novo método de redução de dimensionalidade, obteve resultados similares ou melhores aos outros dois métodos comparados. No segundo trabalho, analisamos métricas atuais utilizadas para encontrar células cujos disparos possuem informação relativa à navegação espacial, tais quais células de lugar, de velocidade, de direção da cabeça, entre outros. Usando dados simulados e reais, comparamos como a informação estimada por cada métrica se correlaciona com a informação empírica estimada por um classificador bayesiano. Nossos resultados revelaram que as duas principais métricas falham em detectar a informação presente em células com altas taxa de disparo basal, enviesando o universo de correlatos neurais encontrados. Por fim, no terceiro trabalho, exploramos as diferenças entre os dois mecanismos de codificação propostos para as células de lugar: codificação por taxa de disparo e por tempo de disparo. Analisamos a dinâmica de acoplamento das células de lugar às oscilações teta, comparando-a com a dinâmica do aumento da taxa de disparo. Nossos resultados revelaram uma assimetria entre os dois mecanismos, com o acoplamento às oscilações teta precedendo as mudanças mais significativas na taxa de disparo, o que corrobora a hipótese de que ambas codificações são independentes. Além disso, encontramos que as posições futuras do animal são mais extensamente representadas pela codificação temporal do que as posições passadas, indicando um possível papel desse mecanismo no planejamento da trajetória. Em suma, os resultados desta tese contribuem para o entendimento da codificação neural bem como para o desenvolvimento de novas metodologias no campo da eletrofisiologia hipocampal. Extracellular electrophysiology is among the main tools used for studying neural activity. In addition to having a high temporal resolution, this technique is stable enough to allow for recording freely-moving animals. In the last decades, the electrophysiology of the hippocampal formation has received particular attention due to the discovery of its relationship with memory and spatial navigation. Specifically, many spatial correlates have been investigated to understand the basis of neural encoding, such as place cells, which increase their firing rate when the animal is at particular locations of the environment. In this thesis, we present three studies exploring hippocampal electrophysiology through different levels of analysis, which aim at better understanding the different coding mechanisms used by the brain. In the first work, we focus on the problem of spike sorting, which consists in the classification of the waveforms detected by the extracellular recording. We investigated the use of Gaussian mixture models to perform feature extraction and clusterization of the waveforms. After using real and simulated data to evaluate the best strategies of our algorithm, we compared our spike sorting to two other known methods. Our algorithm, which combines two main feature extraction techniques with a new method of dimensionality reduction, showed better, or similar, results compared to the two other spike sorters. In the second work, we analyzed the current metrics used to find neurons presenting some spatial correlate, or information, such as place cells, headdirection cells, and speed cells. Using real and simulated data, we evaluated how the spatial information estimated by each metric correlated to the empirical information obtained using a NaiveBayes classifier. Our results showed that the two main current metrics fail to detect the information content of neurons with high basal firing rate, and thus bias the universe of spatial correlates to lowfiring cells. Finally, in the third work, we explored the differences in the proposed mechanisms underlying place cell firing: rate coding and temporal coding. We analyzed the dynamics of coupling between place cells and theta oscillations, comparing it to the firing rate dynamics. Our results revealed an asymmetry between the two mechanisms, with the theta coupling place cells preceding its major changes in firing rate, which corroborate the hypothesis that temporal and rate coding are independent mechanisms. Beyond that, we found that temporal coding represents more extensively the future positions of the animal than the past ones, suggesting its involvement in trajectory planning. In summary, the results of this thesis contribute to both the understanding of neuronal encoding and the development of new techniques in the field of hippocampal electrophysiology.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) A reconsolidação e a extinção de memórias aversivas e suas condições limitantes têm sido estudadas exaustivamente a fim de se traçar melhores estratégias para o tratamento de desordens relacionadas ao medo e à ansiedade. Em 2011, Osan et al. desenvolveram um modelo computacional para a exploração de tais fenômenos baseado na dinâmica de atratores, na plasticidade hebbiana e na degradação sináptica induzida por erro de predição. Este modelo foi capaz de explicar em um formalismo único diversos achados experimentais relativos ao comportamento de congelamento (freezing) de roedores sujeitos a paradigmas de consolidação, reconsolidação e extinção de memórias de medo ao contexto. Em 2017, Radiske et al., a partir de experimentos em ratos submetidos a tarefa de esquiva inibitória, descobriram que o conhecimento prévio do atual contexto aversivo como nãoaversivo é uma condição limitante para a reconsolidação da memória do choque experienciado no contexto. No presente trabalho, visamos investigar se o formalismo introduzido por Osan et al. (2011) é suficientemente geral para explicar os resultados comportamentais descritos por Radiske et al. (2017). Para tanto, primeiro implementamos o modelo de Osan et al. (2011) em uma linguagem de programação aberta (Python) e o validamos através da replicação dos principais resultados reportados na publicação original referentes ao condicionamento de medo ao contexto. Em seguida, adaptamos o modelo para simular protocolos experimentais na tarefa de esquiva inibitória empregados por Radiske et al. (2017). Os resultados mostram que a condição limitante encontrada por Radiske et al. (2017) é compatível com a dinâmica de uma rede de atratores que suporta um sistema de labilização sináptica comum à reconsolidação e extinção. Por fim, através da varredura de parâmetros do modelo – como os níveis de síntese e degradação proteica –, fornecemos previsões comportamentais na tarefa de esquiva inibitória passíveis de serem testadas experimentalmente. The reconsolidation and extinction of aversive memories and their boundary conditions have been extensively studied in order to outline better strategies for the treatment of fear and anxiety related disorders. In 2011, Osan et al. developed a computational model for exploring such phenomena based on attractors dynamics, Hebbian plasticity and synaptic degradation induced by prediction error. This model was able to explain in a single formalism several experimental findings regarding the freezing behavior of rodents submitted to paradigms of contextual fear memory consolidation, reconsolidation and extinction. In 2017, Radiske et al., based on experiments in rats subjected to the inhibitory avoidance task, found that the previous knowledge of the current aversive context as non-aversive is a boundary condition for the reconsolidation of the shock memory experienced in that context. In the present work, we aimed to investigate whether the formalism introduced by Osan et al. (2011) is sufficiently general to explain the behavioral results described by Radiske et al. (2017). To do so, we first implemented Osan et al.'s (2011) model in an open programming language (Python) and validated it through the replication of the main results reported in the original publication regarding contextual fear conditioning. Then, we adapted the model to simulate experimental protocols in the inhibitory avoidance task employed by Radiske et al. (2017). The results show that the boundary condition found by Radiske et al. (2017) is compatible with the dynamics of an attractor network that supports a synaptic labilization system common to reconsolidation and extinction. Finally, by exploring some model parameters – such as the levels of protein synthesis and degradation –, we provide behavioral predictions in the inhibitory avoidance task that can be tested experimentally.

A formação de mapas espaciais depende do hipocampo e de estruturas associadas. A atividade eletrofisiológica na região CA1 do hipocampo codifica representações espaciais através de aumentos da taxa de disparos de neurônios piramidais, conhecidos por células de lugar. O presente trabalho visou a implementação da técnica de registro eletrofisiológico hipocampal através da utilização de microdrives de múltiplos tetrodos móveis. Para isso, desenvolvemos um protótipo de microdrive e fizemos cirurgias estereotáxicas em ratos para o implante crônico bilateral. O novo protótipo de microdrive conteve 16 tetrodos móveis e permitiu o posicionamento progressivo individual dos tetrodos na camada piramidal da região CA1 do hipocampo dorsal. Após a recuperação cirúrgica dos animais, realizamos o registro da atividade eletrofisiológica extracelular da região CA1 enquanto ratos buscavam por recompensa de água nas extremidades de um labirinto linear. As formas de onda dos potenciais de ação registrados foram então classificadas como unidades neuronais individuais por algoritmos de classificação semi-automáticos. Cada disparo de um dado neurônio foi então associado à posição instantânea do rato no labirinto linear, e assim detectamos campos receptivos das células de lugar. Dessa forma, pudemos validar o protótipo de microdrive desenvolvido e, com isso, fornecer uma base metodológica importante para futuros estudos almejando entender a codificação espacial do ambiente e a formação de memórias espaciais. The formation of spatial maps depends on the hippocampus and associated structures. Electrophysiological activity in the CA1 region of the hippocampus encodes spatial representations through increases in the firing rate of pyramidal neurons, known as place cells. The present work aimed the implementation of hippocampal electrophysiological recording technique through the use of microdrives of multiple movable tetrodes. For this, we developed a microdrive prototype and performed stereotaxic surgeries in rats for bilateral chronic implant. The new prototype microdrive contained 16 movable tetrodes and allowed the individual progressive positioning of the tetrodes in the pyramidal layer of CA1 region of the dorsal hippocampus. After the surgical recovery of the animals, we recorded the extracellular electrophysiological activity of the CA1 region while rats searched for water reward at the ends of a linear track. The waveforms of recorded action potentials were then classified as individual neural units by semi-automatic classification algorithms. Each firing of a given neuron was then associated with the instantaneous position of the rat on the linear track, and thus we detected place fields of the place cells. Thus, we validated the microdrive prototype developed and, thereby, provide an important methodological basis for future studies aiming to understand the spatial encoding of the environment and the formation of spatial memories.

Ensaios clínicos recentes têm sugerido o potencial antidepressivo de alguns psicodélicos serotonérgicos, como a ayahuasca e a psilocibina. A ayahuasca é uma substância utilizada há centenas de anos por povos indígenas da bacia amazônica. Essa bebida é geralmente preparada a partir de duas plantas, uma contendo a triptamina psicodélica N,Ndimetiltriptamina, um agonista de receptores serotonérgicos e sigma-1. A outra planta contém potentes inibidores reversíveis da monoamina oxidase A, como a harmina, harmalina e tetrahidroharmina. Em um ensaio clínico recente, 17 pacientes com depressão resistente ao tratamento foram submetidos a uma única sessão com a ayahuasca, e a severidade dos sintomas avaliados por escalas clínicas para a depressão, nesse caso a Escala de Avaliação de Depressão de Montgomery-Åsberg (MADRS) e a escala de Hamilton (HAM-D). Os resultados sugerem melhora significativa já nas primeiras horas após a ingestão, efeito esse mantido por 21 dias. Apesar de promissor, esse estudo não controlou o efeito placebo, que é alto, chegando a alcançar 40%, em ensaios clínicos para depressão. Esta tese faz parte de um ensaio clínico duplo-cego randomizado placebo-controlado em 35 pacientes com depressão unipolar resistente ao tratamento. Um grupo de voluntários controles saudáveis também foi avaliado. Os pacientes receberam uma única dose de ayahuasca ou placebo. Um dia antes e um dia depois da administração da substância, os pacientes participaram de uma série de testes e avaliações, incluindo escalas psicométricas e imagem por ressonância magnética funcional (fMRI), realizados no decurso de uma sessão experimental de quatro dias. A severidade da depressão foi aferida por duas escalas clínicas: MADRS e HAM-D. As avaliações foram realizadas um dia antes (linha de base), e um, dois e sete dias após a sessão de tratamento. Observamos efeitos antidepressivos significativos da ayahuasca quando comparados ao placebo em todos os instantes de tempo avaliados (D1, D2 e D7). Os escores da MADRS foram significativamente menores no grupo da ayahuasca, em comparação com o placebo. Da mesma forma, as pontuações da HAM-D foram significativamente diferentes entre os grupos no D7. Os tamanhos do efeito entre os grupos aumentaram de D1 para D7. As taxas de resposta (redução de 50% nos sintomas) foram elevadas para ambos os grupos nos dias D1 e D2. Já sete dias após a sessão, a taxa de resposta foi significativamente maior no grupo ayahuasca que no placebo (64% ayahuasca x 27% placebo). Nesse mesmo ponto de avaliação, a taxa de remissão foi marginalmente maior no grupo ayahuasca que no placebo (p

O hipocampo é relacionado com a formação de memórias explicitas e com a capacidade de reconhecer novos objetos. No presente trabalho visamos contribuir para uma maior compreensão do papel da região CA1 do hipocampo nestes processos. Através da aplicação de técnicas de eletrofisiologia, comportamento animal, psicofarmacologia e optogenética em camundongos transgênicos e selvagens, encontramos que células OLMα2 do CA1 atuam na codificação da representação de objetos em uma tarefa de reconhecimento de objetos, e também influenciam a codificação de memórias aversivas em uma tarefa associativa de medo ao contexto. Além disso, descrevemos uma nova atividade oscilatória no potencial de campo local do CA1 na frequência beta 2 (23-30 Hz), que é caracteristicamente transitória e ligada à detecção de novos objetos durante uma tarefa de reconhecimento de objetos. Estes resultados sugerem potenciais mecanismos celulares e de rede neuronal na região CA1 subjacentes ao seu papel na formação de memórias e na detecção de novidade. The hippocampus is associated to novelty detection and formation of explicit memories. The present work aims at better understanding the role of the CA1 region of the hippocampus in these processes. By employing electrophysiology, animal behavior, psychopharmacology and optogenetic techniques in transgenic and wild-type mice, we found that CA1 OLMα2 cells influence the formation of new object representations in an object recognition task, as well as the encoding of aversive memories in a contextual fear memory task. Furthermore, we characterized a new oscillatory activity in the local field potential of CA1 at beta 2 frequency (23-30 Hz), which was typically transient and linked to the amount of novelty in an object recognition task. These results suggest potential cellular and network mechanisms that underlie the role of CA1 in memory formation and novelty detection.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Ao explorar ativamente o ambiente, ratos exibem comportamentos sensório-motores rítmicos com frequência na faixa teta (5-10 Hz). Dentre esses estão o sniffing (respiração ativa e rápida), o whisking (movimento das vibrissas faciais) e as vocalizações ultrassônicas. Estudos recentes mostraram formas de sincronicidades entre tais ritmos: a protração e retração das vibrissas estão associadas em fase, respectivamente, à inalação e exalação respiratória; a constrição das cordas vocais necessária para a produção vocal, por sua vez, está condicionada à fase exalante do sniffing e de retração do whisking. Embora essas e outras observações indiquem uma interação entre ritmos e geradores de padrões no tronco encefálico aos quais são atribuídos os movimentos orais, faciais e respiratórios. Com o intuito de adquirir melhor compreensão acerca das hierarquias concernentes aos circuitos neurais envolvidos em tais atividades, nós gravamos simultaneamente o whisking, sniffing e as vocalizações em ratos durante livre exploração social. Para este propósito, oito eletrodos foram inseridos cirurgicamente para a aquisição de sinais eletromiográficos bilaterais dos músculos que controlam as vibrissas e uma cânula foi implantada por meio de uma perfuração no osso nasal para o registro do ciclo respiratório. Após recuperação e habituação, dois ratos (um implantado e outro de estímulo) foram posicionados sobre duas plataformas separadas por uma fenda onde possibilitava a exploração mútua dos animais. Esses episódios foram filmados através de uma câmera de alta velocidade (250 Hz) para a captura dos movimentos das vibrissas. As vocalizações ultrassônicas foram detectadas por um microfone suspenso. Nós conduzimos análises de fase e frequência para validar os sinais registrados e caracterizar as ações recíprocas entre esses ciclos em contextos sociais. Os resultados confirmaram que ambos o whisking e o sniffing ocorrem em turnos nas frequências teta durante exploração social. Além disso, a esperada relação em anti-fase entre os sinais dos grupos musculares que controlam a protração e retração das vibrissas assim como a forte sincronia com o ciclo respiratório foram observadas. Interessantemente, nossos dados sugerem que esta sincronia é imediatamente dissipada durante a emissão de vocalizações ultrassônicas. Em vez disso, nós presenciamos um novo comportamento de whisking, que consiste em retração e protração ativas e independentes do ciclo respiratório. When actively exploring the environment, rats exhibit several rhythmic behaviors with frequencies in the theta range (5-10 Hz). These include sniffing (active fast respiration), whisking (movement of the facial vibrissae), and ultrasonic vocalizations. Synchronizations between each pair of these behaviors have been observed in recent studies: vibrissae protraction-retraction is linked to the inhalation-exhalation phase of breathing; constriction of the vocal folds for vocalization, in turn, is locked to the exhalation phase of sniffing; accordingly, vocalizations were observed to synchronize with the retraction phase of whisking. These and other observations point to an interaction of rhythm and pattern generators in the brainstem controlling the coordination of respiratory, oral and facial movements. To better understand the hierarchies among these circuits we simultaneously recorded sniffing, whisking and vocalizations from rats during free social exploration. For this purpose, eight electrodes were inserted surgically to acquire bilateral EMG signals from muscles controlling the protraction and retraction of the whiskers and a cannula was implanted through the nasal bone to record the respiratory cycle. After one week of recovery and habituation, two rats (one implanted and one naive) were placed across a gap where they could explore each other. These interactions were filmed with a high speed camera (250 Hz) to capture whisker movements and ultrasonic vocalizations were recorded from an overhanging microphone. We made frequency and phase analysis to validate the recorded signals and characterize the interplay between these sensorimotor rhythms. Results confirmed that both sniffing and whisking occur in bouts at theta frequencies during social exploration. Furthermore, we observed the expected anti-phase relationship between the EMGs from muscles controlling whisker protraction and retraction as well as their tight synchrony with the sniffing cycle. Interestingly, our data suggests that this synchrony is immediately lost during the emission of ultrasonic vocalizations. Instead, we observed a novel whisking behavior, consisting of active vibrissae protraction and retraction independent of the respiratory cycle.

Análises espectrais de registros eletrofisiológicos extracelulares têm revelado que a atividade elétrica produzida pelo cérebro é comumente organizada em padrões rítmicos, conhecidos como oscilações neuronais. Mais recentemente, descobriu-se que as oscilações neuronais de frequências distintas não são independentes, mas podem interagir entre si. Ao longo das últimas duas décadas, diversas ferramentas de análises foram desenvolvidas, amadurecidas e incorporadas de outras áreas para se estudar os chamados acoplamentos entre frequências de oscilações neuronais observadas nestes registros. Oscilações neuronais são ditas acopladas se houver uma relação de dependência entre suas características, como fase, amplitude ou frequência instantâneas. Dentre elas, o acoplamento fase-amplitude é caracterizado por um aumento da amplitude instantânea de uma banda de frequência condicionado a uma fase instantânea de uma oscilação de outra banda, enquanto que o acoplamento fase-fase do tipo n:m é caracterizado pela relação fixa entre m ciclos de uma frequência em nciclos de outra. O hipocampo é uma região cerebral envolvida na formação de memórias e navegação espacial. Assim como em outras estruturas, as redes neuronais do hipocampo produzem diversos padrões oscilatórios, que variam de acordo com os estados do ciclo sono-vigília. Entre estes padrões, classicamente destacam-se os ritmos teta (4-12 Hz) e gama (30-100 Hz), que caracterizam estados comportamentais de locomoção e sono REM. No entanto, o estudo dos padrões de acoplamento oscilatório no hipocampo tem revelado subtipos oscilatórios distintos dentro da definição tradicional da banda gama. Mais ainda, trabalhos recentes têm mostrado a existência de oscilações acopladas ao ritmo teta em frequências mais altas (>100 Hz), embora haja uma divergência na literatura atual sobre até aonde estas oscilações de altas frequências representariam atividade oscilatória genuína de redes neuronais ou se seriam derivadas de efeitos espúrios oriundos de contaminações por resquícios de potencias de ação registrados extracelularmente. A presente tese de doutorado visa contribuir para o maior entendimento dos padrões oscilatórios produzidos por redes neuronais do hipocampo, com particular foco nas relações de acoplamento entre oscilações de diferentes frequências. Através de dados próprios e compartilhados de terceiros de animais implantados cronicamente com matrizes de múltiplos eletrodos, obtivemos registros da atividade elétrica da região CA1 de ratos durante a exploração de ambientes familiares e períodos de sono. Investigamos a existência conjunta de distintos padrões oscilatórios do hipocampo em diferentes frequências através de marcadores eletrofisiológicos, anatômicos e comportamentais de cada oscilação neuronal que, quando combinados, levaram a um perfil único para cada banda de frequência. Nossos resultados mostram a existência de múltiplas bandas de frequência moduladas pelo ritmo teta hipocampal. As modulações são dotadas de diversos mecanismos separatórios, provavelmente de forma a minimizar interferências. Demonstramos ainda que padrões oscilatórios espúrios e genuínos podem co-existir numa mesma faixa de frequência, e que, ao contrário de trabalhos recentes, não há evidência para acoplamentos do tipo fase-fase n:m no hipocampo. A capacidade de uma oscilação neural interagir com outras oscilações, aparentemente independentes, levanta questionamentos naturais sobre sua significância biológica, que, apesar de diversos avanços na área, ainda permanece um mistério na sua essência. Spectral analysis of extracellular electrophysiological recordings revealed that the brain electrical activity is often organized in rhythmic patterns, known as neuronal oscillations. Recently, it was discovered that oscillations of distinct frequencies are not independent, but can interact to each other. In the last two decades, several analysis tools were developed or incorporated from other fields to study cross-frequency coupling between neural oscillations. Neural oscillations are said to be coupled if there is a dependency between their features, such as phase, amplitude or frequency. Among them, phase – amplitude coupling is characterized by an increase in the instantaneous amplitude of one frequency band conditioned to the instantaneous phase of another frequency band, whereas n:m phase – phase coupling is characterized by a fixed relation between m cycles of one frequency to n cycles of another one. The hippocampus is a brain region involved in memory formation and spatial navigation. As in other brain structures, hippocampal neural networks generate several oscillatory patterns, which vary according to the stage of the sleep-waking cycle. Among these patterns, theta (4 – 12 Hz) and gamma (30 – 100 Hz) oscillations are prominent during active waking and REM sleep. However, the study of coupling patterns in the hippocampus has revealed distinct sub-types of oscillatory activity inside the traditional gamma band. Moreover, recent studies have shown the existence of even faster oscillations coupled to theta in the hippocampus (> 100 Hz), although there is a current divergence in the literature about whether they represent genuine network activity or spurious by-products from incomplete filtering of extracellular spikes. This thesis investigates oscillatory patterns generated by hippocampal neural networks, focusing in the coupling relation among oscillations of different frequencies. Using our own data and shared third-party ones of chronically implanted animals with multisite electrodes, we recorded electrical activity in the CA1 region of rats while exploring a familiar environment and during sleep stages. We investigated the existence of simultaneous but distinct oscillatory patterns in the hippocampus separated by electrophysiological, anatomic and behavioral markers, which, once taken together, can lead to a unique profile for each frequency band. Our results point to the existence of several frequency bands coupled to the hippocampal theta rhythm. All modulations are found to be separated by mechanisms that can potentially avoid interferences. We also demonstrate that a spurious oscillatory patterns can emerge and co-exist in the same frequency band of genuine oscillations and, contrary to recent work, we show that there is lack of evidence for n:m phase – phase coupling in the hippocampus. The capacity of neural oscillations to interact with one another raises questions about the biological significance of such phenomenon; despite recent progress in the field, however, its essence remains a mystery.

A atividade cerebral espontânea exibe padrões que lembram o de coativação de conjuntos neuronais em resposta a estímulos ou tarefas. Estes padrões tem sido atribuídos a arquitetura funcional do cérebro, e.g. conexões de longo alcance em patches (manchas, fragmentos). Nós investigamos diretamente a contribuição destas conexões em patches entre hemisférios para mapas espontâneos e evocados na área 18 próxima a borda 17/18 de gatos. Registramos mapas com imageamento por votage-sensitive dye (VSD) e atividade despiking enquanto manipulamos o input interhemisférico pela desativação reversível das áreas correspondentes contralaterais. Durante a desativação os mapas espontâneos continuaram sendo gerados com frequência e qualidade semelhante ao da rede intacta, mas um viés de orientações cardinais desapareceu. Neurônios com preferência por orientações horizontais (HN) ou verticais (VN), ao contrário dos de preferência oblíqua, diminuiram sua atividade de repouso, no entanto, HN tiveram a atividade diminuída mesmo quando estimulados visualmente. Concluímos que mapas espontâneos estruturados são primariamente gerados por conexões tálamo- e/ou intracorticais. Entretanto, conexões de longo alcance pelo corpo caloso - como um prolongamento da rede de longo alcance intracortical - contribui para um viés cardinal, possivelmente porque estas conexões são mais fortes ou mais frequentes entre neurônios preferindo orientações horizontais e/ou cardinais. Estes contornos são mais fáceis de perceber e aparecem com mais frequência no ambiente natural, cone xões de longo alcance podem prover o córtex visual com um grid de operações probabilísticas de agrupamento em uma cena visual maior. In the primary visual cortex, neurons with similar physiological features are clustered together in columns extending through all six cortical layers. These columns form modular orientation preference maps. Long-range lateral fibers are associated to the structure of orientation maps since they do not connect columns randomly; they rather cluster in regular intervals and interconnect predominantly columns of neurons responding to similar stimulus features. Single orientation preference maps – the joint activation of domains preferring the same orientation - were observed to emerge spontaneously and it was speculated whether this structured ongoing activation could be caused by the underlying patchy lateral connectivity. Since long-range lateral connections share many features, i.e. clustering, orientation selectivity, with visual inter-hemispheric connections (VIC) through the corpus callosum we used the latter as a model for long-range lateral connectivity. In order to address the question of how the lateral connectivity contributes to spontaneously generated maps of one hemisphere we investigated how these maps react to the deactivation of VICs originating from the contralateral hemisphere. To this end, we performed experiments in eight adult cats. We recorded voltage-sensitive dye (VSD) imaging and electrophysiological spiking activity in one brain hemisphere while reversible deactivating the other hemisphere with a cooling technique. In order to compare ongoing activity with evoked activity patterns we first presented oriented gratings as visual stimuli. Gratings had 8 different orientations distributed equally between 0º and 180º. VSD imaged frames obtained during ongoing activity conditions were then compared to the averaged evoked single orientation maps in three different states: baseline, cooling and recovery. Kohonen self-organizing maps were also used as a means of analysis without prior assumption (like the averaged single condition maps) on ongoing activity. We also evaluated if cooling had a differential effect on evoked and ongoing spiking activity of single units. We found that deactivating VICs caused no spatial disruption on the structure of either evoked or ongoing activity maps. The frequency with which a cardinally preferring (0º or 90º) map would emerge, however, decreased significantly for ongoing but not for evoked activity. The same result was found by training self-organizing maps with recorded data as input. Spiking activity of cardinally preferring units also decreased significantly for ongoing when compared to evoked activity. Based on our results we came to the following conclusions: 1) VICs are not a determinant factor of ongoing map structure. Maps continued to be spontaneously generated with the same quality, probably by a combination of ongoing activity from local recurrent connections, thalamocortical loop and feedback connections. 2) VICs account for a cardinal bias in the temporal sequence of ongoing activity patterns, i.e. deactivating VIC decreases the probability of cardinal maps to emerge spontaneously. 3) Inter- and intrahemispheric long-range connections might serve as a grid preparing primary visual cortex for likely junctions in a larger visual environment encompassing the two hemifields.

Os neurocientistas tem uma diversidade de perspectivas com as quais podem classificar diferentes partes do cérebro. Com o surgimento de técnicas baseadas na genética, como a optogenética, se torna cada vez mais importante identificar se um grupo de células, definidas através de morfologia, função ou posição anatômica possui um padrão característico de expressão de um ou mais promotores genéticos. Isso permitiria melhores formas de estudar essas populações de neurônios definidas geneticamente. Neste trabalho, eu apresento uma discussão teórica e três estudos experimentais nos quais essa foi a principal questão sendo abordada. O Estudo I discute as questões envolvidas em selecionar um promotor para estudar estruturas e subpopulações na Área Tegmental Ventral. O Estudo II caracteriza uma subpopulação de células na Área Tegmental Ventral que compartilha a expressão de um promotor, que é anatomicamente muito restrita, e que induz aversão quando estimulada. O Estudo II utiliza uma estratégia similar para investigar a subpopulação no núcleo subtalâmico que expressa PITX2 e VGLUT2 que, quando inativada, causa hiperlocomoção. O Estudo IV explora o fato de que um grupo de células previamente identificadas no Hipocampo Ventral expressa CHRNA2, e indica que essa subpopulação pode ser necessária e suficiente para o estabelecimento do ritmo teta (2-8 Hz) no Hipocampo Ventral de camundongos anestesiados. Todos esses estudos foram guiados pela mesma estratégia de identificar um promotor genético capaz de permitir o controle de uma população de neurônios identificada geneticamente, e eles demonstram as diferentes formas em que essa abordagem pode generar novas descobertas. Neuroscientists have a variety of perspectives with which to classify different parts of the brain. With the rise of genetic-based techniques such as optogenetics, it is increasingly important to identify whether a group of cells, defined by morphology, function or anatomical location possesses a distinct pattern of expression of one or more genetic promoters. This would allow for better ways to study of these genetically defined subpopulations of neurons. In this work, I present a theoretical discussion and threeexperimental studies in which this was the main question being addressed. Paper I discusses the issues involved in selecting a promoter to study structures and subpopulations in the Ventral Tegmental Area. Paper II characterizes a subpopulation of cells in the Ventral Tegmental Area that shares the expression of a promoter and is anatomically very restricted, and induces aversion when stimulated. Paper III utilizes a similar strategy to investigate a subpopulation in the subthalamic nucleus that expresses PITX2 and VGLUT2 which, when inactivated, causes hyperlocomotion. Paper IV exploits the fact that a previously identified group of cells in the ventral hippocampus expresses CHRNA2, and indicates that this population may be necessary and sufficient for the establishment of the theta rhythm (2-8 Hz) in the Local Field Potential of anesthetized mice. All of these studies were guided by the same strategy of characterizing and studying the role of a genetically defined subpopulation of cells, and they demonstrate the different ways in which this approach can generate new discoveries.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES As principais vias aferentes ao hipocampo vêm do córtex entorrinal e fazem parte de um loop que retorna ao entorrinal após passar pelo giro denteado, e pelas subareas do hipocampo CA3 e CA1. Desde a descoberta nos anos 50 de que o hipocampo está envolvido na formação de memórias, esta região vem sendo extensivamente estudada. Além desta função mnemônica, o hipocampo também está associado a navegação espacial. Em camundongos e ratos, células de lugar exibem um aumento da taxa de disparo relacionado à posição do animal. O local do ambiente onde uma determinada célula de lugar se ativa é chamado de campo de lugar. A taxa de disparo das células de lugar é máxima quando o animal está no centro do campo de lugar, e diminui a medida que ele se afasta desse ponto, sugerindo a existência de uma codificação espacial baseada em taxa de disparos. Entretanto, pesquisas prévias vêm mostrando a existência de oscilações hipocampais em múltiplas frequências e ligadas a diferentes estados comportamentais, e muitos acreditam que estas oscilações são importantes para uma codificação temporal. Em particular, oscilações teta (5-12 Hz) possuem uma relação espaço-temporal com as células de lugar conhecida como precessão de fase. Na precessão, a fase de disparos da célula de lugar muda gradualmente do pico de teta para o fundo e, posteriormente, para a fase ascendente, a medida que o animal atravessa o campo de lugar. Além disso, as teorias vigentes sugerem que CA1, a porta de saída do hipocampo, intermediaria a comunicação com o córtex entorrinal e CA3 através de oscilações em diferentes frequências chamadas, respectivamente, de gama alto (60-100 Hz; HG) e gama baixo (30-60 Hz; LG). Essas oscilações se relacionam com teta, estando aninhadas dentro de cada ciclo desta frequência mais lenta. Nesta dissertação, utilizamos dados disponibilizados online para fazer análises computacionais visando reproduzir resultados clássicos e recentes acerca da atividade das células de lugar no hipocampo de ratos em livre movimento. Em particular, nós revisitamos o debate sobre a relação da precessão de fase com variações na taxa de disparos e na posição do animal no campo de lugar. Concluímos que este fenômeno não pode ser explicado por nenhuma dessas variáveis sozinha, e sim pela interação entre elas. Nós também realizamos novas análises investigando as propriedades das células de lugar em relação às oscilações. Nós mostramos que o nível de modulação dos disparos por teta afeta apenas levemente a informação espacial contida nas células de lugar, enquanto a fase de disparo média não tem nenhuma influência na informação espacial. Também encontramos que as células de lugar estão moduladas por teta quando disparam fora do campo de lugar. Além disso, nossos resultados mostram que o disparo das células de lugar dentro do ciclo de teta segue os padrões de modulação de HG e LG por teta presentes nos potenciais de campo local de CA1 e córtex entorrinal. Por último, achamos um acoplamento fase-amplitude em CA1 associado apenas aos disparos dentro do campo de lugar na faixa de 40-80 Hz. Concluímos que o disparo de células de lugar está ligado a estados de rede refletidos no potencial de campo local e sugerimos que a atividade dessas células sejam interpretadas como um estado dinâmico ao invés de uma propriedade fixa da célula. The main inputs to the hippocampus arise from the entorhinal cortex (EC) and form a loop involving the dentate gyrus, CA3 and CA1 hippocampal subfields and then back to EC. Since the discovery that the hippocampus is involved in memory formation in the 50's, this region and its circuitry have been extensively studied. Beyond memory, the hippocampus has also been found to play an important role in spatial navigation. In rats and mice, place cells show a close relation between firing rate and the animal position in a restricted area of the environment, the so-called place field. The firing of place cells peaks at the center of the place field and decreases when the animal moves away from it, suggesting the existence of a rate code for space. Nevertheless, many have described the emergence of hippocampal network oscillations of multiple frequencies depending on behavioral state, which are believed to be important for temporal coding. In particular, theta oscillations (5-12 Hz) exhibit a spatio-temporal relation with place cells known as phase precession, in which place cells consistently change the theta phase of spiking as the animal traverses the place field. Moreover, current theories state that CA1, the main output stream of the hippocampus, would interplay inputs from EC and CA3 through network oscillations of different frequencies, namely high gamma (60-100 Hz; HG) and low gamma (30-50 Hz; LG), respectively, which tend to be nested in different phases of the theta cycle. In the present dissertation we use a freely available online dataset to make extensive computational analyses aimed at reproducing classical and recent results about the activity of place cells in the hippocampus of freely moving rats. In particular, we revisit the debate of whether phase precession is due to changes in firing frequency or space alone, and conclude that the phenomenon cannot be explained by either factor independently but by their joint influence. We also perform novel analyses investigating further characteristics of place cells in relation to network oscillations. We show that the strength of theta modulation of spikes only marginally affects the spatial information content of place cells, while the mean spiking theta phase has no influence on spatial information. Further analyses reveal that place cells are also modulated by theta when they fire outside the place field. Moreover, we find that the firing of place cells within the theta cycle is modulated by HG and LG amplitude in both CA1 and EC, matching cross-frequency coupling results found at the local field potential level. Additionally, the phase-amplitude coupling in CA1 associated with spikes inside the place field is characterized by amplitude modulation in the 40-80 Hz range. We conclude that place cell firing is embedded in large network states reflected in local field potential oscillations and suggest that their activity might be seen as a dynamic state rather than a fixed property of the cell.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq A administração de nicotina em seres humanos e roedores é pensada como um melhorador de memória e atenção, também pelo seu efeito positivo na Doença de Alzheimer. O complexo do Septo Medial / Banda Diagonal de Broca (MS/DBB) é um dos principais sistemas colinérgicos – massivamente projetado para o hipocampo através da Fímbria-Fórnix, via esta chamada de via septo-hipocampal. Foi demonstrado que o MS/DBB afeta diretamente o potencial de campo local (LFP) e a organização rítmica do hipocampo, especialmente na geração do ritmo teta - um LFP rítmico intrinsecamente relacionado com a função mnemônica do hipocampo. Experimentos in vitro deram evidências de que a nicotina aplicada no MS/DBB pode gerar um ritmo teta na rede local do MS/DBB. Assim, o presente estudo se propõe a elucidar a função da nicotina no MS/DBB sobre a via septo-hipocampal. Experimentos in vivo, comparando o efeito de microinfusões no MS/DBB de solução salina (n = 5) ou nicotina (n = 8) em camundongos anestesiados por ketamina/xilazina mostraram um aumento na densidade de potência no espectro banda de gama (35 a 55 Hz) em ambas as estruturas (teste de Wilcoxon Rank-Sum, p = 0,038), mas sem alterar a coerência entre as estruturas na mesma banda (teste de Wilcoxon Rank-Sum, p = 0,60). Houve também uma diminuição na densidade potência na banda delta (1-3 Hz) – oscilação induzida pela ketamina. Realizamos também experimentos in vitro sobre o efeito da nicotina na voltagem de membrana e no potencial de ação de neurônios do MS/DBB. Registramos neurônios (n=22) em current-clamp antes e depois da presença de nicotina no meio extracellular; 12 neurônios responderam à nicotina, metade aumentou a taxa de potenciais de ação; outros seis diminuíram, diferindo significativamente no limiar do potencial de ação (- 47,3 ± 0,9 mV vs. -41 ± 1,9 mV, respectivamente, p = 0,007) e na largura do disparo (1,6 ± 0,08 vs. 2 ms ± 0,12 ms, respectivamente, p = 0,01). Além disso, realizamos outro conjunto de experimentos in vitro, relativo à conectividade das três grandes populações neuronais de MS / DBB que usam a acetilcolina, GABA ou glutamato como neurotransmissores. O registro pareado de patch-clamp mostrou que neurônios glutamatérgicos e GABAérgicos realizam contatos intra-septais capazes de produzir correntes sinápticas em neurônios pós-sinápticos do MS/DBB. A probabilidade da conectividade entre diferentes populações neuronais foi implementada em um modelo realista que corrobora que a rede é altamente sensível à geração de ritmo gama. Juntamente com os dados disponíveis, o conjunto completo de experiências corrobora que a nicotina pode atuar como potenciador cognitivo, e um substrato eletrofisiológico provável é através da indução de oscilação gama no circuito local do MS/DBB. Nicotine administration in humans and rodents enhances memory and attention, and also has a positive effect in Alzheimer's Disease. The Medial Septum / Diagonal Band of Broca complex (MS/DBB) – a main cholinergic system – massively projects to the hippocampus through the fimbria-fornix, and this pathway is called the septohippocampal pathway. It has been demonstrated that the MS/DBB acts directly on the local field potential (LFP) rhythmic organization of the hippocampus, especially in the rhythmogenesis of Theta (4-8Hz) – an oscillation intrinsically linked to hippocampus mnemonic function. In vitro experiments gave evidence that nicotine applied to the MS/DBB generates a local network Theta rhythm within the MS/DBB. Thus, the present study proposes to elucidate the function of nicotine in the MS/DBB on the septo-hippocampal pathway. In vivo experiments compared the effect of MS/DBB microinfusion of saline (n=5) and nicotine (n=8) on Ketamine/Xylazine anaesthetized mice. We observed power spectrum density in the Gamma range (35 to 55 Hz) increasing in both structures (Wilcoxon Rank-Sum test, p=0.038) but with no change in coherence between these structures in the same range (Wilcoxon Rank-Sum test, p=0.60). There was also a decrease in power of the ketamineinduced Delta oscillation (1 to 3 Hz). We also performed in vitro experiments on the effect of nicotine on membrane voltage and action potential. We patch-clamped 22 neurons in current-clamp mode; 12 neurons were responsive to nicotine, half of them increased firing rate and other 6 decreased, and they significantly differed in action potential threshold (-47.3±0.9 mV vs. -41±1.9 mV, respectively, p=0.007) and halfwidth time (1.6±0.08 ms vs. 2±0.12 ms, respectively, p=0.01). Furthermore, we performed another set of in vitro experiments concerning the connectivity of the three major neuronal populations of MS/DBB that use acetylcholine, GABA or glutamate as neurotransmitter. Paired patch-clamp recordings found that glutamatergic and GABAergic neurons realize intra-septal connections that produce sizable currents in MS/DBB postsynaptic neurons. The probability of connectivity between different neuronal populations gave rise to a MS/DBB topology that was implemented in a realistic model, which corroborates that the network is highly sensitive to the generation of Gamma rhythm. Together, the data available in the full set of experiments suggests that nicotine may act as a cognitive enhancer, by inducing gamma oscillation in the local circuitry of the MS/DBB.