Search

Spatial navigation relies on visual landmarks as well as on self-motion information. In familiar environments, both place and grid cells maintain their firing fields in darkness, suggesting that they continuously receive information about locomotion speed required for path integration. Consistently, "speed cells" have been previously identified in the hippocampal formation and characterized in detail in the medial entorhinal cortex. Here we investigated speed-correlated firing in the hippocampus. We show that CA1 has speed cells that are stable across contexts, position in space, and time. Moreover, their speed-correlated firing occurs within theta cycles, independently of theta frequency. Interestingly, a physiological classification of cell types reveals that all CA1 speed cells are inhibitory. In fact, while speed modulates pyramidal cell activity, only the firing rate of interneurons can accurately predict locomotion speed on a sub-second timescale. These findings shed light on network models of navigation.

Support obtained from Financiadora de Estudos e Projetos (http://www.finep.gov.br/) Grant # 01.06.1092.00 to SR; Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (http:// www.cnpq.br/): Grants 481506/2007-1, 481351/2011- 6 and 306604/2012-4 to SR, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (http://www.capes.gov.br/) and Ciencias sem Fronteiras (http://www.cienciasemfronteiras.gov.br/ web/csf/home) to AT and CRC; Fundação de Amparo à Pesquisa do Rio Grande do Norte (http://wwwfapern.rn.gov.br/): Grant Pronem 003/2011 to SR; Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (http://www.fapesp.br/): Grant #2013/ 07699-0 - Center for Neuromathematics to SR; CMP and VRC supported by post-doctoral fellowships from Fundação de Amparo à Pesquisa do Rio Grande do Norte /CNPq. Additional support obtained from the Federal University of Rio Grande do Norte (www.ufrn. br); Ministry of Science, Technology and Innovation (http://www.mcti.gov.br/); Associação Alberto Santos Dumont de Apoio à Pesquisa (http://natalneuro.com/ associacao/index.asp); Pew Latin American Fellows Program (http://www.pewtrusts.org/en/projects/pewlatin-american-fellows/) to SR; Informatics Department of the Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Norte (http:// portal.ifrn.edu.br/) to WB. The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript Sleep is critical for hippocampus-dependent memory consolidation. However, the underlying mechanisms of synaptic plasticity are poorly understood. The central controversy is on whether long-term potentiation (LTP) takes a role during sleep and which would be its specific effect on memory. To address this question, we used immunohistochemistry to measure phosphorylation of Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (pCaMKIIα) in the rat hippocampus immediately after specific sleep-wake states were interrupted. Control animals not exposed to novel objects during waking (WK) showed stable pCaMKIIα levels across the sleep-wake cycle, but animals exposed to novel objects showed a decrease during subsequent slow-wave sleep (SWS) followed by a rebound during rapid-eye-movement sleep (REM). The levels of pCaMKIIα during REM were proportional to cortical spindles near SWS/REM transitions. Based on these results, we modeled sleep-dependent LTP on a network of fully connected excitatory neurons fed with spikes recorded from the rat hippocampus across WK, SWS and REM. Sleep without LTP orderly rescaled synaptic weights to a narrow range of intermediate values. In contrast, LTP triggered near the SWS/REM transition led to marked swaps in synaptic weight ranking. To better understand the interaction between rescaling and restructuring during sleep, we implemented synaptic homeostasis and embossing in a detailed hippocampal-cortical model with both excitatory and inhibitory neurons. Synaptic homeostasis was implemented by weakening potentiation and strengthening depression, while synaptic embossing was simulated by evoking LTP on selected synapses. We observed that synaptic homeostasis facilitates controlled synaptic restructuring. The results imply a mechanism for a cognitive synergy between SWS and REM, and suggest that LTP at the SWS/REM transition critically influences the effect of sleep: Its lack determines synaptic homeostasis, its presence causes synaptic restructuring.

Introdução Embora seja uma das ideias mais influentes em Neurociências, a teoria das assembleias neuronais, consagrada por Hebb(1949), não pôde ser testada por décadas devido a limitações técnicas. O desenvolvimento tecnológico recente possibilitou que populações neuronais sejam registradas simultaneamente, porém revelou a carência de ferramentas para analisar dados de alta dimensionalidade típicos de tais registros. Aqui, apresentamos um método para extrair assembleias imersas em registros de grandes populações, possibilitando a análise de grupos de células como um todo, substituindo a análise de células individuais. Objetivos 1) Desenvolver um método para detectar e extrair padrões de co-ativação de registros de população neuronais, 2) aplicar o método para entender os mecanismos para a organização de atividade de assembleias no hipocampo. Métodos Nosso algoritmo detecta correlações de alta ordem nas atividades de subgrupos de células e usa Análise de Componentes Independentes (do inglês, ICA) para extrair suas assinaturas. Essas assinaturas representam padrões de co-ativação que podem ser usados para estimar a atividade dessas assembleias com alta resolução temporal. Todos os passos do método foram validados em atividades de neurônios simulados. Em seguida, aplicamos o método para analisar a atividade de células piramidais da região CA1 do hipocampo de ratos enquanto eles forrageavam em campo aberto. Resultados e Conclusões Nosso resultados demonstram que assembleias formadas por células piramidais de CA1 estão mais acopladas às oscilações teta hipocampais do que os neurônios que as compuseram analisados individualmente (teste t, p

Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient ıfico e Tecnol ogico (CNPq)/Minist erio da Ci^encia e Tecnologia (MCT), Coordenação de Aperfeic oamento de Pessoal de N ıvel Superior (CAPES), Fundação de Apoio a Pesquisa do Estado do Rio Grande do Norte (FAPERN), Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP), Pr o-Reitoria de P os-Graduação da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), Programa de Apoio a N ucleos Emergentes (PRONEM 003/2011 FAPERN/CNPq), and Pew Latin American Fellows Program in the Biomedical Sciences. The oscillatory activity of hippocampal neuronal networks is believed to play a role in memory acquisition and consolidation. Particular focus has been given to characterising theta (4–12 Hz), gamma (40–100 Hz) and ripple (150–250 Hz) oscillations. Beyond these well-described network states, few studies have investigated hippocampal beta2 (23–30 Hz) activity in vivo and its link to behaviour. A previous sudy showed that the exploration of novel environments may lead to the appearance of beta2 oscillations in the mouse hippocampus. In the present study we characterised hippocampal beta2 oscillations in mice during an object recognition task. We found prominent bursts of beta2 oscillations in the beginning of novel exploration sessions (four new objects), which could be readily observed by spectral analysis and visual inspection of local field potentials. Beta2 modulated hippocampal but not neocortical neurons and its power decreased along the session. We also found increased beta2 power in the beginning of a second exploration session performed 24 h later in a slightly modified environment (two new, two familiar objects), but to a lesser extent than in the first session. However, the increase in beta2 power in the second exploration session became similar to the first session when we pharmacologically impaired object recognition in a new set of experiments performed 1 week later. Our results suggest that hippocampal beta2 activity is associated with a dynamic network state tuned for novelty detection and which may allow new learning to occur.

The morphogen Sonic Hedgehog (SHH) plays a critical role in the development of different tissues. In the central nervous system, SHH is well known to contribute to the patterning of the spinal cord and separation of the brain hemispheres. In addition, it has recently been shown that SHH signaling also contributes to the patterning of the telencephalon and establishment of adult neurogenic niches. In this work, we investigated whether SHH signaling influences the behavior of neural progenitors isolated from the dorsal telencephalon, which generate excitatory neurons and macroglial cells in vitro. We observed that SHH increases proliferation of cortical progenitors and generation of astrocytes, whereas blocking SHH signaling with cyclopamine has opposite effects. In both cases, generation of neurons did not seem to be affected. However, cell survival was broadly affected by blockade of SHH signaling. SHH effects were related to three different cell phenomena: mode of cell division, cell cycle length and cell growth. Together, our data in vitro demonstrate that SHH signaling controls cell behaviors that are important for proliferation of cerebral cortex progenitors, as well as differentiation and survival of neurons and astroglial cells.

The processing of spatial and mnemonic information is believed to depend on hippocampal theta oscillations (5–12 Hz). However, in rats both the power and the frequency of the theta rhythm are modulated by locomotor activity, which is a major confounding factor when estimating its cognitive correlates. Previous studies have suggested that hippocampal theta oscillations support decision-making processes. In this study, we investigated to what extent spatial decision making modulates hippocampal theta oscillations when controlling for variations in locomotion speed. We recorded local field potentials from the CA1 region of rats while animals had to choose one arm to enter for reward (goal) in a four-arm radial maze. We observed prominent theta oscillations during the decision-making period of the task, which occurred in the center of the maze before animals deliberately ran through an arm toward goal location. In speed-controlled analyses, theta power and frequency were higher during the decision period when compared to either an intertrial delay period (also at the maze center), or to the period of running toward goal location. In addition, theta activity was higher during decision periods preceding correct choices than during decision periods preceding incorrect choices. Altogether, our data support a cognitive function for the hippocampal theta rhythm in spatial decision making

Recent studies show that higher order oscillatory interactions such as cross-frequency coupling are important for brain functions that are impaired in schizophrenia, including perception, attention and memory. Here we investigated the dynamics of oscillatory coupling in the hippocampus of awake rats upon NMDA receptor blockade by ketamine, a pharmacological model of schizophrenia. Ketamine (25, 50 and 75 mg/kg i.p.) increased gamma and high-frequency oscillations (HFO) in all depths of the CA1-dentate axis, while theta power changes depended on anatomical location and were independent of a transient increase of delta oscillations. Phase coherence of gamma and HFO increased across hippocampal layers. Phase-amplitude coupling between theta and fast oscillations was markedly altered in a dose-dependent manner: ketamine increased hippocampal theta-HFO coupling at all doses, while theta-gamma coupling increased at the lowest dose and was disrupted at the highest dose. Our results demonstrate that ketamine alters network interactions that underlie cognitively relevant theta-gamma coupling.

Recent progress in the technology for single unit recordings has given the neuroscientific community theopportunity to record the spiking activity of large neuronal populations. At the same pace, statistical andmathematical tools were developed to deal with high-dimensional datasets typical of such recordings.A major line of research investigates the functional role of subsets of neurons with significant co-firingbehavior: the Hebbian cell assemblies. Here we review three linear methods for the detection of cellassemblies in large neuronal populations that rely on principal and independent component analysis.Based on their performance in spike train simulations, we propose a modified framework that incorpo-rates multiple features of these previous methods. We apply the new framework to actual single unitrecordings and show the existence of cell assemblies in the rat hippocampus, which typically oscillate attheta frequencies and couple to different phases of the underlying field rhythm

Recent reports converge to the idea that high-frequency oscillations in local field potentials (LFPs) represent multiunit activity. In particular, the amplitude of LFP activity above 100 Hz—commonly referred to as “high-gamma” or “epsilon” band—was found to correlate with firing rate. However, other studies suggest the existence of true LFP oscillations at this frequency range that are different from the well established ripple oscillations. Using multisite recordings of the hippocampus of freely moving rats, we show here that high-frequency LFP oscillations can represent either the spectral leakage of spiking activity or a genuine rhythm, depending on recording location. Both spike-leaked, spurious activity and true fast oscillations couple to theta phase; however, the two phenomena can be clearly distinguished by other key features, such as preferred coupling phase and spectral signatures. Our results argue against the idea that all high-frequency LFP activity stems from spike contamination and suggest avoiding defining brain rhythms solely based on frequency range.

The vast diversity of GABAergic interneurons is believed to endow hippocampal microcircuits with the required flexibility for memory encoding and retrieval. However, dissection of the functional roles of defined interneuron types has been hampered by the lack of cell-specific tools. We identified a precise molecular marker for a population of hippocampal GABAergic interneurons known as oriens lacunosum-moleculare (OLM) cells. By combining transgenic mice and optogenetic tools, we found that OLM cells are important for gating the information flow in CA1, facilitating the transmission of intrahippocampal information (from CA3) while reducing the influence of extrahippocampal inputs (from the entorhinal cortex). Furthermore, we found that OLM cells were interconnected by gap junctions, received direct cholinergic inputs from subcortical afferents and accounted for the effect of nicotine on synaptic plasticity of the Schaffer collateral pathway. Our results suggest that acetylcholine acting through OLM cells can control the mnemonic processes executed by the hippocampus.

It was recently proposed that fast gamma oscillations (60--150 Hz) convey spatial information from the medial entorhinal cortex (EC) to the CA1 region of the hippocampus. However, here we describe 2 functionally distinct oscillations within this frequency range, both coupled to the theta rhythm during active exploration and rapid eye movement sleep: an oscillation with peak activity at ~80 Hz and a faster oscillation centered at ~140 Hz. The 2 oscillations are differentially modulated by the phase of theta depending on the CA1 layer; theta-80 Hz coupling is strongest at stratum lacunosum-- moleculare, while theta-140 Hz coupling is strongest at stratum oriens--alveus. This laminar profile suggests that the ~80 Hz oscillation originates from EC inputs to deeper CA1 layers, while the ~140 Hz oscillation reflects CA1 activity in superficial layers. We further show that the ~140 Hz oscillation differs from sharp wave--associated ripple oscillations in several key characteristics. Our results demonstrate the existence of novel theta--associated high-frequency oscillations and suggest a redefinition of fast gamma oscillations.

Spatiotemporal activity patterns of neurones are organized by different types of coherent network oscillations. Frequency content and crossfrequency coupling of cortical oscillations are strongly state-dependent, indicating that different patterns of wakefulness or sleep, respectively, support different cognitive or mnestic processes. It is therefore crucial to analyse specific sleep patterns with respect to their oscillations, including interaction between fast and slow rhythms. Here we report the oscillation profile of phasic rapid eye movement (REM), a form of REM sleep which has been implicated in hippocampus-dependent memory processing. In all analysed frequency bands (theta, gamma and fast gamma, respectively) we find higher frequencies and higher power in phasic REM compared to tonic REM or wakefulness. Theta-phase coupling of fast oscillations, however, was highest in tonic REM, followed by phasic REM and wakefulness. Our data suggest different roles of phasic and tonic REM for information processing or memory formation during sleep.

OSAN, R. , TORT, A. B. L. , AMARAL, O. B. . A mismatch-based model for memory reconsolidation and extinction in attractor networks. Plos One, v. 6, p. e23113, 2011. Centro de Neurociências, da Universidade de Boston, EUA (RO), Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, Brasil (ABLT e OBA), e Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro, Brasil (OBA). The processes of memory reconsolidation and extinction have received increasing attention in recent experimental research, as their potential clinical applications begin to be uncovered. A number of studies suggest that amnestic drugs injected after reexposure to a learning context can disrupt either of the two processes, depending on the behavioral protocol employed. Hypothesizing that reconsolidation represents updating of a memory trace in the hippocampus, while extinction represents formation of a new trace, we have built a neural network model in which either simple retrieval, reconsolidation or extinction of a stored attractor can occur upon contextual reexposure, depending on the similarity between the representations of the original learning and reexposure sessions. This is achieved by assuming that independent mechanisms mediate Hebbian-like synaptic strengthening and mismatch-driven labilization of synaptic changes, with protein synthesis inhibition preferentially affecting the former. Our framework provides a unified mechanistic explanation for experimental data showing (a) the effect of reexposure duration on the occurrence of reconsolidation or extinction and (b) the requirement of memory updating during reexposure to drive reconsolidation

The association of specific events with the context in which they occur is a fundamental feature of episodic memory. However, the underlying network mechanisms generating what–where associations are poorly understood. Recently we reported that some hippocampal principal neurons develop representations of specific events occurring in particular locations (item-position cells). Here, we investigate the emergence of item-position selectivity as rats learn new associations for reward and find that before the animal’s performance rises above chance in the task, neurons that will later become itemposition cells have a strong selective bias toward one of two behavioral responses, which the animal will subsequently make to that stimulus. This response bias results in an asymmetry of neural activity on correct and error trials that could drive the emergence of particular item specificities based on a simple reward-driven synaptic plasticity mechanism.

Recent evidence suggests that not only the brain rhythms per se, but also the interactions among them are involved in the execution of cognitive tasks, mainly those requiring selective attention, information transmission and memory consolidation. However, still little is known about the general characteristics of cross-frequency coupling (CFC) in several brain regions. In the present work, we aimed to characterize phase-amplitude CFC in the CA1 region of rats (n=9) during different stages of the sleep-wake cycle: wake (WK), slow-wave sleep (SWS), and rapid-eye movement sleep (REM). Local field potentials were recorded using multielectrode arrays implanted in the dorsal hippocampus for chronic neural recordings. Electrode positioning was verified by histological analysis of cresyl-stained brain sections. Phase-amplitude coupling was assessed by means of the comodulogram analysis, a CFC tool we have recently developed. Our results show that (1) each sleep-wake state contains characteristic patterns of phase-amplitude CFC that are robust across all animals studied. (2) The CFC patterns obtained during WK and REM are similar and characterized by theta-phase (5 – 10 Hz) modulation of multiple higher frequencies; on the other hand, comodulograms from SWS period exhibited a distinct pattern, characterized by the modulation of very fast oscillations (> 100 Hz) by delta-phase (0 – 4 Hz), consistent with the occurrence of sharp wave-ripple complexes. All these patterns were stable across electrodes and days. Interestingly, during WK and REM, our results indicate that (3) theta-phase modulation comprises two non-overlapping, circumscribed higher frequency ranges: oscillations in the high-gamma (HG, 60 – 100 Hz) frequency range and oscillations between 120 – 160 Hz, which were defined as high-frequency oscillations (HFO). Moreover, (4) theta-phase preferentially modulated more HG or HFO depending on the spatial position of the electrode, with a clear switching between one and another as a function of electrode location, which was also stable across days. Further analyses indicated that (5) electrodes exhibiting HG or HFO modulation during WK and REM can also be differentiated by other electrophysiological features, such as power spectrum, phase-relations, and SWS comodulograms. We argue that the HFO we observed, though presenting overlapping frequency range with ripple oscillations, are distinct from the latter, which only appear in periods of rest and sleep associated to sharp-wave complexes. Therefore, while characterizing the patterns of rhythmic interactions in different cognitive states, the present work also reveals novel hippocampal oscillations that could only be detected by the use of the new CFC tools. We speculate that the different amplitude-modulated bands correspond to different biophysical processes occurring in CA1: HFO would result from entorhinal synaptic inputs to CA1, and HG from CA3 inputs.

TORRES, F ; FILHO, M.S. ; ANTUNES, C. ; KALININE, E. ; ANTONIOLLI, E. ; PORTELA, Luis Valmor ; SOUZA, Diogo Onofre ; TORT, A. B. L. . Electrophysiological effects of guanosine and MK-801 in a quinolinic acid-induced seizure model. Experimental Neurology , v. 221, p. 296-306, 2010 Quinolinic acid (QA) is an N-methyl-D-aspartate receptor agonist that also promotes glutamate release and inhibits glutamate uptake by astrocytes. QA is used in experimental models of seizures studying the effects of overstimulation of the glutamatergic system. The guanine-based purines (GBPs), including the nucleoside guanosine, have been shown to modulate the glutamatergic system when administered extracellularly. GBPs were shown to inhibit the binding of glutamate and analogs, to be neuroprotective under excitotoxic conditions, as well as anticonvulsant against seizures induced by glutamatergic agents, including QA-induced seizure. In this work, we studied the electrophysiological effects of guanosine against QA-induced epileptiform activity in rats at the macroscopic cortical level, as inferred by electroencephalogram (EEG) signals recorded at the epidural surface. We found that QA disrupts a prominent basal theta (4–10 Hz) activity during peri-ictal periods and also promotes a relative increase in gamma (20–50 Hz) oscillations. Guanosine, when successfully preventing seizures, counteracted both these spectral changes. MK-801, an NMDA-antagonist used as positive control, was also able counteract the decrease in theta power; however, we observed an increase in the power of gamma oscillations in rats concurrently treated with MK-801 and QA. Given the distinct spectral signatures, these results suggest that guanosine and MK-801 prevent QAinduced seizures by different network mechanisms.

Objetivo: Estudos têm demonstrado sinais de lesão cerebral causadas por diferentes mecanismos em usuários de cocaína. A enolase sérica neurônio-específica e a proteína S100B são consideradas marcadores bioquímicos específicos de lesão neuronal e glial. Este estudo objetivou comparar os níveis sangüíneos de S100B e enolase sérica neurônio-específica em usuários crônicos de cocaína e em voluntários que não usam cocaína ou outras drogas ilícitas. Método: Vinte sujeitos dependentes de cocaína, mas não dependentes de álcool, maconha ou outra droga, e 20 sujeitos controles não usuários de drogas foram recrutados. Os sujeitos foram selecionados por amostragem consecutiva e não-probabilística e os níveis de enolase neurônio-específica e S100B foram determinados por ensaio de luminescência. Resultados: Os usuários de cocaína tiveram escores significativamente maior que os controles em todas as dimensões psiquiátricas do SCL-90 e apresentaram prejuízos cognitivos no subteste cubos do WAIS e no span de palavras. Os níveis de S100B foram em média 0,09 ± 0,04 μg/l nos usuários de cocaína e 0,08 ± 0,04 μg/l nos controles. Os níveis de enolase neurônio-específica foram em média 9,7 ± 3,5 ng/l nos usuários e 8,3 ± 2,6 ng/l nos controles. Conclusão: Neste primeiro estudo utilizando esses marcadores específicos de lesão cerebral em usuários de cocaína, os níveis séricos de S100B e enolase específica do neurônio não foram significativamente diferentes entre dependentes de cocaína e controles. Objective: Studies have shown signs of brain damage caused by different mechanisms in cocaine users. The serum neuron specific enolase and S100B protein are considered specific biochemical markers of neuronal and glial cell injury. This study aimed at comparing blood levels of S100B and NSE in chronic cocaine users and in volunteers who did not use cocaine or other illicit drugs. Method: Twenty subjects dependent on cocaine but not on alcohol or marijuana, and 20 non-substance using controls were recruited. Subjects were selected by consecutive and non-probabilistic sampling. Neuron specific enolase and S100B levels were determined by luminescence assay. Results: Cocaine users had significantly higher scores than controls in all psychiatric dimensions of the SCL-90 and had cognitive deficits in the subtest cubes of WAIS and the word span. Mean serum S100B level was 0.09 ± 0.04 μg/l among cocaine users and 0.08 ± 0.04 μg/l among controls. Mean serum neuron specific enolase level was 9.7 ± 3.5 ng/l among cocaine users and 8.3 ± 2.6 ng/l among controls. Conclusions: In this first study using these specific brain damage markers in cocaine users, serum levels of S100B and neuron specific enolase were not statistically different between cocaine dependent subjects and controls.

Os objetivos da presente tese de doutorado foram os de buscar novos antipsicóticos atípicos de baixo preço comercial e também procurar entender o mecanismo de ação que leva a um perfil antipsicótico atípico. Os resultados da tese são divididos em duas partes, de acordo com sua natureza, em experimentais (primeira parte) e teóricos (segunda parte). Para o desenvolvimento da primeira parte, foi necessária primeiramente a programação de um software para medir locomoção em roedores após filmagem com webcam. A seguir, foram investigados os efeitos da guanosina, flunarizina e cinarizina em modelos animais de psicose, bem como em outros paradigmas comportamentais. A guanosina foi escolhida para estudo uma vez que tem se mostrado que ela interage com o sistema glutamatérgico – que sabidamente está envolvido na fisiopatologia da esquizofrenia – promovendo a captação astrocitária de glutamato. Já a flunarizina e a cinarizina, dois bloqueadores de canal de cálcio empregados para tratar enxaqueca e vertigem foram escolhidas pelo fato delas produzirem sinais e sintomas extrapiramidais em pacientes idosos, o que posteriormente foi relacionado às suas propriedades como antagonistas moderados dos receptores dopaminérgicos do tipo D2. A guanosina diminuiu o aumento de locomoção induzido por um antagonista NMDA (MK-801), enquanto que não apresentou efeito sobre o aumento de locomoção induzido por anfetamina, de forma que sua utilidade como potencial antipsicótico deve ser ainda melhor estudada. Tanto a flunarizina quanto a cinarizina foram capazes de diminuir o aumento de locomoção induzido por MK-801 e por anfetamina em doses que não causam efeitos catalépticos importantes. Portanto, foi concluído que estes dois compostos apresentam um potencial perfil de antipsicótico atípico, com as vantagens de já estarem disponíveis para uso comercial, boa tolerabilidade e baixo custo quando comparados com os antipsicóticos atípicos disponíveis comercialmente nos dias de hoje. A segunda parte da tese apresenta alguns resultados teóricos matemáticos que podem ser derivados da teoria da lei de ação das massas aplicada ao binding de receptores, utilizando também resultados experimentais já conhecidos de PET. Estes resultados apresentam insights ao entendimento das diferenças entre os perfis antipsicóticos atípicos e típicos em relação à geração de sinais extrapiramidais. É discutido que fatores culturais e comerciais relacionados à posologia atual empregada no tratamento com antipsicóticos típicos podem ser os responsáveis pelas diferenças de perfis, uma vez que alguns deles são prescritos em doses proporcionalmente maiores em relação à sua afinidade, atingindo assim maiores níveis de bloqueio dopaminérgico no estriado. Uma curta meia-vida plasmática também é apontada como um possível parâmetro importante na geração de um perfil atípico. É mostrado ainda alguns erros de concepção relacionados ao curso temporal da ocupação dopaminérgica que tem sido atualmente cometidos na literatura científica, como o conceito de meia-vida de ocupação de receptores. Como um último resultado teórico, é proposto um algoritmo para a redução de dose em pacientes tratados com antipsicóticos apresentando sinais e sintomas extrapiramidais. The aims of this work were the search for new atypical antipsychotics presenting low cost and the understanding of the mechanism of action leading to atypical antipsychotic profile. The results obtained are presented in two distinct parts based on their nature, namely, experimental (first part) or theoretical (second part). For the development of the first part, a webcam based software to measure locomotion of rodents was programmed. After that, it was investigated the effect of guanosine, flunarizine and cinnarizine on animal models of psychosis, as well as in other behavioral tasks. Guanosine was chosen because it has been shown to interact with the glutamatergic system – which is known to be involved in the pathophysiology of schizophrenia – by promoting astrocytic glutamate reuptake. Flunarizine and cinnarizine, two calcium channel blockers commonly used in many countries to treat vertigo and migraine, were chosen because they were shown to induce extrapyramidal signs in elder patients, which was later related to moderate antagonist properties at dopamine D2 receptors. Guanosine was able to reduce a NMDA antagonist (MK-801) induced hyperlocomotion, whereas it had no effect on the hyperlocomotion induced by amphetamine, and it is discussed that its utility as antipsychotic drug should be further evaluated. Both cinnarizine and flunarizine were able to reduce the hyperlocomotion induced by MK-801 and amphetamine at doses that presented no significant cataleptic behavior. It was therefore concluded that these compounds have a potential atypical antipsychotic profile, with the advantage of already approved for commercial use, presenting well tolerability and very low cost when compared to current commercially available atypical antipsychotics. The second part of this thesis presents some theoretical mathematical results that can be derived from the law of mass action theory applied to receptor binding linked with known PET experimental data. These results present insights to the understanding of the differences between typical and atypical profile of antipsychotics regarding the generation of extrapyramidal syndrome. It is argued that cultural and commercial aspects related to the nowadays employed posology of typical antipsychotics can be responsible for the difference seen in profile, once some typical antipsychotics are prescribed in proportionally higher doses in relation to their affinities, leading therefore to higher dopaminergic blockade. A short plasmatic half-life is also pointed as a possible important factor leading to an atipical profile. Moreover, the second part of this thesis also points to some misconception currently being used in the scientific literature regarding the time-course of dopaminergic occupation, such as the concept of receptor occupation half-life. As a last theoretical based result, it is proposed an algorithm for antipsychotic dose reduction in patients presenting extrapyramidal signs and symptoms.

A presente dissertação, como já indicado no próprio título, versa sobre exemplos de aplicações da teoria dos processos estocásticos a problemas oriundos de biologia e medicina. É inegável o imenso auxílio que a matemática prestou e vem prestando no desenvolvimento de conhecimentos de diversas áreas de pesquisa ao longo da história da ciência. Em particular, numa estreita relação simbiótica com a física, modelos matemáticos realizaram grandes proezas ao descrever e predizer satisfatoriamente diversos fenômenos , fazendo até mesmo com que a matemática fosse valorizada a um nível de linguagem própria da natureza, principalmente no início do século passado com as grandes revoluções da física teórica. Em grande parte inspirados por tal sucesso, muitos matemáticos têm se voltado para estudar e tentar descrever os fenômenos biológicos. A biologia matemática, que podemos dizer ser uma ciência relativamente nova, é hoje em dia um dos ramos de aplicação da matemática que mais cresce, e que tem ganho cada vez mais respeito e adeptos. Principalmente a partir da metade do último século, vários problemas de áreas biomédicas têm sido cada vez mais atacados com o auxílio sistemático da matemática. Geralmente, os pesquisadores experimentais das áreas biomédicas reportam um grande número de resultados e dados empíricos. A matemática entra para tentar fazer uma costura de tais resultados, de maneira a sintetizá-los numa teoria unificadora. Como aplicações em outras áreas, os modelos são mais elegantes quando não só podem descrever resultados já conhecidos, como também são capazes de predizer resultados futuros. Embora ainda seja uma área de garimpo e muitos modelos estão ainda num estágio de primeira aproximação, a biologia matemática já mostra importantes utilidades de aplicações reais no entendimento dos processos biológicos, e inclusive alguns prêmios Nobel já foram distribuídos a fisiologistas que utilizaram matemática nas suas pesquisas.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Psicodélicos clássicos são substâncias conhecidas por induzir estados alterados de consciência. Esses estados dependem da atividade de receptores serotonérgicos 5-HT2A e 5-HT1A. Porém, devido à longa proibição dessas drogas, pouco é conhecido quanto aos correlatos eletrofisiológicos no cérebro. No primeiro capítulo do presente trabalho, investigamos os efeitos da 5-MeO-DMT(DMT) e do d-LSD, dois potentes agonistas serotonérgicos, na atividade eletrofisiológica do hipocampo (HP) e do córtex pré-frontal (PF) de ratos. Encontramos alterações típicas de comportamento nos 15 minutos subsequentes à injeção das drogas, tais como aumento da locomoção, ocupância da arena, e ocorrência de comportamentos estereotipados (wetdog shake, andar descoordenado etc). Em acordo com resultados prévios, encontramos alterações nos potenciais de campo local (‗local field potential‘, LFP) no PF, bem como no HP. Enquanto a potência na faixa de frequência de theta (5-10Hz) gama (30-100Hz) diminuiu em ambas as áreas nos primeiros 30 minutos após a injeção de DMT, a potência na faixa de delta (0.5-4.5Hz) não apresentou variação significativa. De modo semelhante, porém tardio, o HP apresentou diminuição da potência na faixa de gama após ~4h30min da injeção de d-LSD. Além disso, encontramos um aumento da coerência entre PF e HP na faixa de delta e gama para os experimentos DMT na condição experimental de injeção intraperitoneal (i.p.). Considerando que os achados acima mencionados sugerem que DMT e d-LSD levam a estados cerebrais alterados em termos de eletrofisiologia, decidimos compará-los ao ciclo sono-vigília. Análises de mapa de estados definidos por razões espectrais demonstraram que ambas as substâncias promovem uma mudança no ciclo sono-vigília. Os animais apresentaram maior velocidade durante estados classificados eletrofisiologicamente como sono de movimento rápido dos olhos (‗rapid eye movement‘, REM) e sono de ondas lentas (‗slow wave sleep‘, SWS). Em alguns casos foi possível observar também transições pouco usuais entre estados (WK para REM). Em outras palavras, ainda que o animal estivesse comportamentalmente acordado, essa vigília é similar a estados de sono, pelo menos em termos eletrofisiológicos. Em suma, esses resultados corroboram parcialmente achados anteriores e trazem alguns pontos ao debate. Adicionalmente, os novos resultados encontrados aqui contribuem para um melhor entendimento das mudanças eletrofisiológicas causadas por alucinógenos no cérebro. O segundo capítulo dessa tese é dedicado à investigação do papel cognitivo das fases do sono em termos moleculares (e eletrofisiológicos). O sono desempenha um papel importante na consolidação de memórias, entretanto, pouco se sabe sobre os aspectos moleculares que estão por trás desse papel e sobre qual dinâmica tal perfil apresentaria durante as fases de SWS e sono REM. Em estudo prévio, demonstramos que a CaMKIIα fosforilada, uma proteína quinase relacionada à plasticidade sináptica, diminui durante o SWS e encontra-se com níveis aumentados durante o sono REM no HP de ratos. Tal efeito ocorre somente em animais que foram previamente expostos a objetos novos na vigília precedente, assim como na indução transcricional de genes imediatos (IEG) dependentes de CaMKII durante o sono REM, conforme estudos anteriores de nosso grupo. Tal indução de IEG se dá inicialmente no HP e depois, gradualmente, se transfere ao córtex somestésico primário (S1). Hipotetizamos que o SWS e o sono REM possuem papéis e perfis de fosforilação proteica distintos no processamento de memórias durante o sono. Mais especificamente, fizemos um ‗screening‘ das proteínas fosforiladas no S1 e no HP durante ambas fases do sono em animais expostos (+) ou não expostos (-) à novidade na vigília anterior. Identificamos 535 fosfoproteínas no total para as regiões HP (198) e S1 (337), dentre as quais 90 proteínas foram significativamente moduladas (S1=69; HP=21). Através de análises ontogenéticas encontramos que as proteínas moduladas pertencem a diversas classes, por exemplo, relacionadas à organização de citoesqueleto, processamento de RNA, vias de sinalização por cálcio etc. Os resultados apontam para uma maior abundância de proteínas significativamente moduladas no S1 de animais expostos a novidade durante o SWS (S1=23 HP=9, SWS+ x SWS-). Possivelmente essa modulação (diminuição/aumento) da abundância de proteínas fosforiladas está relacionada aos estados de ativação e desativação (‗up and down‘ states) que ocorrem no SWS. Já durante o sono REM, há menor número de proteínas moduladas (S1=3; HP=3, REM+ x REM-). É possível que a novidade/estímulo gere uma fosforilação mais seletiva de proteínas relacionadas ao processamento sensorial, principalmente durante o sono REM. Encontramos que proteínas relacionadas à plasticidade sináptica estão moduladas e que algumas delas se correlacionam com fusos corticais durante o SWS e sono intermediário (IS). Por exemplo, a Relina, proteína que regula positivamente a morfogênese sináptica, está aumentada durante o sono REM+ comparado ao SWS+, e se correlaciona positivamente com o número de fusos durante o SWS e IS. Comparando os mesmos grupos encontramos que a CaCNA, um canal de cálcio dependente de voltagem, encontra-se com níveis diminuídos de fosforilação. A CaCNA desfosforilada forma um complexo (com Ca+2\Calcineurina) que atua na regulação transcricional de genes relacionados a plasticidade sináptica. As análises funcionais das proteínas que servem de marcadores dos grupos experimentais e análises de correlação com fusos indicam que há enriquecimento concomitante de vias relacionadas a cascatas envolvidas na regulação positiva e negativa da ‗força sináptica‘ (por exemplo, proteínas quinases e fosfatases). Tal ideia é corroborada por achados prévios do nosso grupo e também por evidências recentes de outros grupos (e.x. poda e ‗reforço‘ de sinapses durante o REM após aprendizado motor). Nosso estudo indica que o SWS e o sono REM possuem diferentes perfis de fosforilação de proteínas relacionadas à modulação sináptica, sugerindo que possuem papéis distintos e complementares na consolidação de memórias. Nossos achados corroboram a teoria do entalhamento de memórias durante o sono, no qual algumas sinapses são ‗fortalecidas‘ enquanto outras são ‗enfraquecidas‘. Classic psychedelics are substances known for altering consciousness. Its psychoactive effect is dependent on 5-HT2A and 5-HT1A serotonergic receptors, but due to the long prohibition of these drugs, little is known about their electrophysiological effects on the brain. In the current work I set out to investigate the effects of 5-MeO-DMT (DMT) and d-LSD, two potent serotonergic agonists, on the local field potentials (LFP) recorded from the hippocampus and prefrontal cortex of rats. Typical behavioral alterations ~15 min after drug injection were observed, such as increased locomotion, space occupancy, and the occurrence of stereotyped behaviors (wet-dog shake, uncoordinated gaiting etc). Similar to previous results, LFP alterations were detected in prefrontal cortical areas (PFC), as well as in the hippocampus (HP). The power in the theta (5-12 Hz) and gamma band (30-100 Hz) decreased in the two areas within the first 30 min after (i.p. and i.c.v.) DMT injection for all experiments, except for the highest dose of DMT (i.c.v.) in the PFC. Likewise, we found a similar result for d-LSD in the long-term analysis, there was a decrease in the gamma power after ~4h30min after d-LSD (i.p.) injection. Moreover, coherence analysis revealed that DMT (i.p.) increased the coherence between HP and PFC in the delta and gamma range. Next, we assessed how similar the changes caused by classic psychedelics are to the changes observed across the sleep-wake cycle. State map analysis revealed that both substances promoted a shift in the spectral profile typical of waking (WK) towards that of slow-wave sleep (SWS) or intermediated sleep (IS)/REM. Although animals remain awake after being treated with psychedelics, it is not a normal WK in terms of the LFP spectral profile. While some of the results obtained corroborate previous studies (e.g., the decrease in gamma power in the PFC), we also found divergent results, such as the decrease in PFC theta power. Altogether, the results are novel and promote a better understanding of the neurophysiological alterations caused by classic hallucinogens. The second chapter of this thesis is dedicated to the investigation of the cognitive role of the distinct sleep stages in terms of the molecular (and electrophysiological) correlates. Sleep plays an important role in memory consolidation and cognition, however little is known on the molecular mechanism that underlies this function, and which dynamic it would have across the different sleep stages (SWS and REM sleep). In previous works, we have demonstrated that phosphorylated CaMKIIα, a kinase protein related to synaptic plasticity, and CaMKII-dependent immediate-early gene (IEG), zif-268, are down-regulated during SWS and up-regulated during REM sleep in the HP of rats exposed to novelty in the previous waking. That IEG induction is initiated in the HP and is gradually transferred to the somatosensory cortex (S1). We hypothesized that the SWS and REM sleep play distinct roles in memory processing during sleep and that the phosphoproteomic profiles are as well distinct. More specifically, we screened the phosphorylated proteins of the S1 and the HP during both sleep stages of animals that were exposed (+) or not exposed (-) to novelty in the previous waking. We identified a total of 535 phosphoproteins in both HP (198) and S1 (337), and 90 were significantly modulated across the sleep cycle (S1=69; HP=21). The ontogenetic analysis revealed that the modulated proteins belong to several classes, for instance, cytoskeleton organization, RNA processing, calcium signalling pathways etc. Overall the results point that novelty-induced changes in protein phosphorylation levels are more pronounced in the S1 mainly during SWS (S1=23, HP=9, SWS+ x SWS-). Possibly, this upward/downward modulation could be related to the characteristics of the ‗up and down‘ states of the slow oscillations of SWS. A variety of functions were identified and a great part of that refers to the general functioning of the neurons, especially during SWS. During REM sleep there are fewer modulated proteins (S1=3, HP=3, REM+ x REM-). It is possible that novelty/stimuli would narrow the phosphorylation to more specific pathways related to sensory processing, mainly during REM sleep. We found that synaptic plasticity-related proteins are significantly modulated and some are correlated to SWS and intermediate sleep (IS) cortical spindle occurrence. For instance, Reelin, a protein that positively regulates synaptic morphogenesis, is upregulated during REM sleep compared to SWS of novelty exposed animals, and it is positively correlated to SWS and IS spindle count. Comparing the same groups (REM+ x SWS+) we found that CaCNA, a calcium voltage-dependent channel, is downregulated. The dephosphorylated CaCNA forms a complex (with Ca+2\Calcineurin) that regulates synaptic plasticity-related gene transcription. The functional analysis of proteins that are markers of experimental groups and spindles correlation analysis indicate that there is a concomitant enrichment of pathways related to synaptic reinforcement and weakening (e.g. activation of proteins kinases and phosphatases). Such an idea is corroborated by previous findings of our group and also by other recent evidence by other groups (e.g. REM sleep synaptic pruning and strengthening after motor learning). Our study indicates that SWS and REM sleep have different phosphorylation profiles, suggesting they have distinct and complementary roles in memory consolidation. Finally, our findings corroborate the theory of synaptic embossing during sleep, in which synapses are ‗reinforced‘ or ‗weakened‘.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES O hipocampo tem sido relacionado com a codificação de memórias bem como com a navegação espacial, enquanto que o córtex pré-frontal é associado a funções cognitivas como a tomada de decisões. Supõe-se que ambas as áreas interajam entre si em tarefas que exijam tanto a navegação no espaço quanto processos de tomada de decisão. Entretanto, as assinaturas eletrofisiológicas por trás dessa comunicação carecem de uma melhor elucidação. Para investigar as dinâmicas das interações hipocampo-prefrontais, nós analisamos potenciais de campo local registrados em ratos desempenhando uma tarefa de alternação espacial num labirinto em formato de oito. Observamos que a coerência de fases nas bandas oscilatórias teta (6-10 Hz) e beta (23-30 Hz) atingem seu pico próximo à região da tomada de decisão do labirinto. Ademais, análises de causalidade de Granger apontam para um fluxo informacional de direcionalidade hipocampo -> córtex pré-frontal na banda teta com maior intensidade em áreas iniciais do labirinto, e na direcionalidade oposta na banda delta, com um pico no início da curva. Adicionalmente, mostramos que os padrões de acoplamento fasefrequência intra e inter-regionais apresentam seletividade espacial. Análises de acoplamento de disparos mostraram que neurônios individuais do córtex pré-frontal são mais moduladas pelo ritmo teta hipocampal que pelo ritmo equivalente da sua própria região. Nossos resultados demonstram maiores níveis de interações eletrofisiológicas entre o hipocampo e o córtex pré-frontal situados próximos à área de decisão do labirinto numa tarefa de alternação espacial. Essas observações corroboram a hipótese de que uma comunicação dinâmica entre essas duas regiões acontece durante decisões espaciais. The hippocampus has been linked to memory encoding and spatial navigation, while the prefrontal cortex is associated with cognitive functions such as decision-making. These regions are hypothesized to communicate in tasks that demand both spatial navigation and decision-making processes. However, the electrophysiological signatures underlying this communication remain to be better elucidated. To investigate the dynamics of the hippocampal-prefrontal interactions, we have analyzed local field potentials and spikes recorded from rats performing an odor-cued spatial alternation task in an 8-shaped maze. We found that the phase coherence of both theta (6-10 Hz) and beta (23-30 Hz) peaked around the choice point area of the maze. Moreover, Granger causality revealed a hippocampus->prefrontal cortex directionality of information flow at theta frequency, peaking at starting areas of the maze, and on the reverse direction at delta frequency, peaking near the turn onset. Additionally, the patterns of phaseamplitude cross-frequency coupling within and between the regions showed spatial selectivity. Lastly, we found that the theta rhythm dynamically modulated neurons in both regions; interestingly, prefrontal cortex neurons were more strongly modulated by the hippocampal theta rhythm than by its LFP. In all, our results reveal maximum electrophysiological interactions between the hippocampus and the prefrontal cortex near the decision-making period of the spatial alternation task. These results corroborate the hypothesis that a dynamic interplay between these regions takes place during spatial decisions.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Edward Tolman postulated the existence of cognitive maps in the brain to explain the animal capability of spatial navigation. Since then, neuroscience seeks to describe brain components underlying this capability. In the present work, we describe advancements in the characterization of a neural sub-population engaged in coding the scalar velocity of rat locomotion. Upon analyzing an open database, we re-discovered the existence of a velocity correlation present in the rate of emission of action potentials of neurons in the dorsal hippocampus. we found that this correlation is independent of theta oscillation frequency (4- 12 Hz) and stable over space and time; moreover, it also persists in different arenas. We then classified the neurons as excitatory and inhibitory by the action potential waveform shapes, the rate of emission of action potentials, and the temporal inter-dependency of action potential emission between pairs of neurons. This classification revealed that, by using Pearson’s r coefficient (speed score) as a correlation metric, in the square open-field arena, only inhibitory neurons high-correlated with locomotion speed (henceforth, speed), even though there was a modulation of the average of the excitatory neurons. Intriguingly, when checking speed correlates in the linear arena, speed score made indistinguishable the correlation among neuronal classes. We then formulated the hypothesis that the apparent locomotion speed correlation of pyramidal neurons in the linear arena is spurious, due to a by-product of their spatial code. To prove this, we simulated artificial neurons that emitted action potentials influenced by the actual animal behavior; the simulated neurons coded either speed or space. The simulation replicated real data Pearson’s r coefficient classifications – true positives in the square arena and false positives in the linear arena for those cells encoding speed. To solve this ethological interdependency, we adopted a new metric of speed correlation – the ratio of the difference of linear-non-linear models prediction accuracy based on speed and position over the prediction accuracy of the two-variable model. This analysis disentangled the ethological issue, satisfactorily classifying the simulated neurons and confirming the spurious hypothesis correlates, and the prevalence of speed correlates in interneurons. The results of the present work demonstrated that a genuine speed correlation is present in the dorsal CA1 of the hippocampus of rats in inhibitory neurons. Edward Tolman postulou a existência de mapas cognitivos no cérebro para explicar a capacidade animal de navegar pelo espaço. Desde então, neurocientistas buscam descrever componentes cerebrais que suportam essa capacidade. No presente trabalho, descrevemos avanços na caracterização de uma sub-população neural que participa na representação da velocidade escalar na locomoção de ratos. Através da análise de um banco de dados aberto, nós re-descobrimos a existência do correlato de velocidade na taxa de emissão de potenciais de ação de neurônios da região CA1 do hipocampo dorsal de ratos. Essa correlação é independente da frequência da oscilação de theta (4-12 Hz) e é estável através do espaço e tempo; além disso, essa correlação persiste em diferentes arenas. A classificação de neurônios entre prováveis excitatórios ou inibitórios revelou que, ao utilizar o coeficiente r de Pearson (índice de velocidade) como métrica de representação de velocidade nos neurônios, somente neurônios inibitórios apresentaram-se como altamente correlacionados com a velocidade na arena quadrada, embora os neurônios excitatórios apresentem uma modulação na média da taxa de emissão de potenciais de ação. Intrigantemente, na arena linear a mesma métrica tornou indistinguiveis as classificações neurais pela correlação com a velocidade. Então, formulamos a hipótese que a aparente correlação com a velocidade dos neurônios excitatórios na arena linear é espúria – um subproduto da correlação de velocidade com o espaço. Para testar essa hipótese, simulei neurônios artificiais que emitem potenciais de ação influenciados pelo comportamento locomotor do animal; essas simulações codificam velocidade ou espaço. As simulações replicaram a classificação pelo índice de velocidade encontrados nos dados reais – ou seja, código de posição não correlaciona com velocidade na arena quadrada mas sim na arena linear. Para solucionar essa interdependência etológica, nós adotamos uma nova métrica de correlação com a velocidade: a razão da diferença da acurácia de predição dos modelos linear-não-linear baseados em velocidade e posição sobre a acurácia de predição do modelo das duas variáveis. Essa análise resolveu o problema etológico, classificou satisfatoriamente as simulações e confirmou a hipótese da correlação espúria na arena linear e a prevalencia da correlação nos neurônios inibitórios. Os resultados deste trabalho demonstra uma correlação genuina da velocidade de locomoção nos neurônios inibitórios na área CA1 do hipocampo dorsal de ratos.

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.

Epilepsias refratárias com esclerose hipocampal e modelos animais de epilepsia com anormalidades na formação hipocampal, são associados com reorganização sináptica e consequente alteração do padrão de conectividade neuronal e oscilações cerebrais. Análise quantitativa do eletroencefalograma tem sido cada vez mais aplicada para estudar alterações específicas em oscilações cerebrais na epilepsia. A maioria destes estudos focam em análises durante ou no início das crises epilépticas. Contudo, a conectividade neuronal é também notavelmente alterada durante os estágios inter e pós-ictais. Neste trabalho, exploramos as alterações nos ritmos cerebrais no período interictal livre de pontas epileptiformes (IES). Estas alterações em oscilações cerebrais em epilepsia têm uma relação importante com anormalidades dos neurônios GABAérgicos, incluindo interneurônios que expressam parvalbumina e somatostatina. Realmente, a perda destes interneurônios do hipocampo é observada em epilepsia e associada com a reorganização anormal da rede neural em epileptogênese e em atividade epileptógena. Uma vez que a liberação de GABA na área hipocampal é dramaticamente reduzida quando as crises epilépticas começam a ocorrer em modelo de epilepsia induzida por pilocarpina, nós analisamos a atividade da descarboxilase do ácido glutâmico (GAD) e quantificamos o conteúdo de GABA e glutamato por HPLC. Como anormalidades do sistema GABAérgico constituem uma alteração importante em muitos tipos de epilepsia, por muitos anos terapias de reposição celular foram desenvolvidas com o intuito de restaurar a inibição em diferentes modelos animais, como a epilepsia. Nos focamos em investigar como transplantes de células precursoras da eminência gangliônica medial (MGE) afetam a rede neural anormal e, consequentemente, as oscilações cerebrais para modificar a atividade das crises epilépticas além de restaurar a inibição. Para tanto, primeiro quantificamos o potencial de campo local (LFP) in vivo em eletrodos corticais (camadas IV-CTX1 e V-ctx2) e em CA1 hipocampais (camadas oriens-Ors, piramidal-Pyr, radiada-Rad e lacunosa-molecular-LM) em ratos 5 semanas após injeção de pilocarpina. Os animais que receberam pilocarpina mas não apresentaram status epilepticus (SE) compõem o grupo não-SE (NSE). Animais que tiveram SE e posteriormente desenvolveram crises epilépticas espontâneas e recorrentes (CER) (animais epilépticos) exibiram maior potência de delta no córtex e Ors, Rad e LM no hipocampo. Eles também apresentaram menor potência de teta no córtex, Ors e LM, menor potência de gama lento em CTx1, Ctx2 e Ors, e menos gama médio e rápido no Ors. Animais NSE tiveram maior potência de delta e menor gama lento somente no Ctx1, e menor potência do teta no córtex e LM. Fundamentalmente, animais epilépticos apresentaram maior coerência córtico-hipocampal na faixa delta entre Ctx1-Ors, Ctx2-Ors, Ctx2-Pyr, Pyr-Ors e acoplamento fase-amplitude (PAC) mais forte da fase delta com todas as frequências na Rad. Animais NSE também apresentaram maior coerência córtico-hipocampal na frequência delta entre Ctx1-Ors e Ctx2-Ors, mas não houve alteração no PAC, sugerindo que há nestes animais alguma reorganização cortical. Em segundo lugar, nós analisamos a atividade da enzima GAD e quantificamos GABA e glutamato por HPLC no período crônico, uma vez que o fluxo de GABA é dramaticamente alterado na área hipocampal no modelo de pilocarpina. Contudo, não foram encontradas diferenças entre os grupos analisados, controles, NSE e animais epilépticos. Em seguida, nós analisamos os efeitos das células derivadas da MGE transplantadas no hipocampo no modelo de epilepsia induzido por pilocarpina. Para isso, realizamos a análise quantitativa de registros peri-ictais in vivo em registros corticais e hipocampais de animais epilépticos que receberam (Pilo+MGE) ou não (Pilo) transplante intra-hipocampal de precursores da MGE. As análises foram realizadas no período crônico, três meses após o transplante. Os principais achados foram: 1) As células transplantadas migraram e se diferenciaram em interneurônios maduros no parênquima cerebral hospedeiro. 2) Animais Pilo+MGE reduziram o número de crises epilépticas. 3) Animais Pilo+MGE apresentaram menor potência de delta e teta no córtex e hipocampo que Pilo, no período 5min pré-ictal, e no córtex no 5min pós-ictal. 4) Animais Pilo+MGE, no córtex, apresentaram aumento da potência de gama rápido e ripples e diminuição do acoplamento delta-gama rápido e delta-ripples nos 20s comparando com 5min antes do início da crise epiléptica. Todas as oscilações corticais estavam reduzidas nos 20s comparadas com 5min pós-ictais nos animais Pilo+MGE. 5) Animais Pilo+MGE apresentaram maior coerência córtico-hipocampal nas faixas delta e teta comparado com Pilo no período 5min pré-ictal, e maior coerência delta nos 20s pós-ictais comparado com animais Pilo. 6) Animais Pilo+MGE tiveram acoplamento delta/teta-gama lento/médio mais fraco nos 20s comparando com 5min antes da crise epiléptica e acoplamento delta-gama baixo mais forte nos 20s após o fim da crise comparando com animais Pilo. No geral, nossos dados sugerem um aumento de sincronia entre o córtex e CA1 do hipocampo em animais epilépticos, particularmente na frequência delta, com um forte acoplamento em Rad, sendo esse provavelmente um importante sítio de sincronização. A quantidade de GABA e atividade da GAD não foram alteradas, sugerindo uma possível mudança adaptativa da neurotransmissão de GABA mesmo com um número reduzido de interneurônios. As células precursoras da MGE transplantadas possivelmente induzem uma reorganização da rede neural do hospedeiro que pode ser responsável pela redução de crises e pelas alterações no padrão oscilatório. Particularmente, a diminuição da potência de delta, aumento da coerência córtico-hipocampal de delta e teta interictal e redução do acoplamento delta-oscilações de alta frequência (HFOs) na área hipocampal podem ser considerados evidências de reorganização sináptica, com consequente redução da epileptogênese. O aumento de potência e diminuição da coerência das HFOs no início da crise epiléptica são provavelmente relacionados com a integração e aumento da inibição induzida pelo transplante. Entender a organização dos ritmos cerebrais em períodos não ictais e o papel dos novos interneurônios na reorganização da rede pode nos ajudar a revelar os mecanismos por trás do controle das crises epilépticas recorrentes (CER), que claramente está além de um simples aumento da inibição. Refractory epilepsies related to hippocampal sclerosis and animal models of epilepsy with abnormalities in the hippocampal formation are associated with synaptic reorganization and consequent altered pattern of neuronal connectivity and brain oscillations. Quantitative electroencephalogram analysis has been increasingly applied to study fine changes in brain oscillations in epilepsy. The majority of these studies have focused on brain synchrony either during or just before the seizure onset. However, neural connectivity is also notably altered during interictal and post-ictal states. In this work, we wanted to explore the changes in brain oscillations during interictal stages free of interictal epileptiform spikes (IES). These changes in brain oscillations in epilepsy are closed related to abnormalities of GABAergic neurons, including parvalbumin and somatostatin-expressing interneurons. Indeed, loss of these interneurons in the hippocampus has been found in epilepsy associated with the abnormal rewiring of the network, epileptogenesis and epileptiform activity. Since GABA release is shown to be dramatically reduced when spontaneous seizures begin to occur in hippocampal area in pilocarpine model of epilepsy, we analyzed the activity of glutamic acid decarboxylase (GAD) and quantified GABA and glutamate content by HPLC. As the GABAergic system is altered in many types of epilepsies, for many years cell replacement therapies have been developed in order to restore inhibition in different type of disease-based models, such as epilepsy, by grafting interneuronal precursor cells. We aimed to investigate how grafts of cells derived from the medial ganglionic eminence (MGE) affect the abnormal neuronal network, and consequently brain oscillations to modify seizure activity besides restoring inhibition. Therefore, first, we performed the quantitative analysis of the in vivo local field potential (LFP) from cortical layers IV to V (electrodes: Ctx1, Ctx2) and hippocampal CA1 areas (stratum oriens-Ors, pyramidale-Pyr, radiatum-Rad and lacunosum-moleculare-LM) in rats about 5 weeks after pilocarpine injection. Animals that received pilocarpine injection but did not develop status epilepticus (SE) are the non-SE (NSE) group. Animals that had SE and later spontaneous recurrent seizures (SRS) (epileptic animals) exhibited higher delta power recorded in cortical and hippocampal Ors, Rad and LM electrodes. They also had lower power of theta in cortical and hippocampal Ors and LM, lower slow gamma in Ctx1, Ctx2 and Ors, and lower middle and fast gamma power in Ors. NSE animals had higher delta and lower slow gamma power in Ctx1 only, and lower theta power in Ctx1, Ctx2 and LM. Essentially, epileptic animals had higher delta coherence between cortex and hippocampus such as, Ctx1-Ors, Ctx2-Ors, Ctx2-Pyr, Pyr-Ors and stronger phase-amplitude coupling (PAC) between delta and all frequencies in Rad. NSE animals also had higher delta coherence between Ctx1-Ors and Ctx2-Ors with no changes in PAC, suggesting some cortical network reorganization. Second, we analyzed the activity of GAD enzyme, and quantified GABA and glutamate by HPLC at the chronic period, since GABA outflow is dramatically changed in hippocampal area in the pilocarpine model of epilepsy. However, we could not find differences between all analyzed groups: controls, NSE and epileptic animals. Next, we analyzed the effect of MGE-derived cells grafted in the hippocampus of pilocarpine model of epilepsy. For that, we performed a quantitative analysis of the in vivo peri-ictal recordings from cortical and hippocampal areas of epileptic animals who had received (Pilo+MGE) or not (Pilo) intrahippocampal MGE-derived cells transplants. The analyses were done at the chronic period, three months after transplantation. The main findings are: 1) Grafted cells migrated and differentiated in mature interneurons in the host brain parenchyma. 2) Pilo+MGE animals had reduced number of seizures. 3) Pilo+MGE animals had lower delta e theta power in the cortex and hippocampus than Pilo, at the 5min pre-ictal period, and in cortical area at the 5min post-ictal period. 4) Pilo+MGE animals in the cortical areas had increased fast gamma and ripples power and decreased delta-fast gamma and delta-ripples phase-amplitude coupling (PAC) at 20s when compared to 5 min before seizure onset. All cortical oscillations were reduced at 20s when compared to 5min post-ictal period of Pilo+MGE animals. 5) Pilo+MGE animals had more cortico-hippocampal coherence in delta and theta bands when compared to Pilo animals at the 5min pre-ictal period, and more delta coherence at 20s post-ictal period when compared to Pilo animals. 6) Pilo+MGE animals had weaker delta/theta–slow/middle gamma PAC at 20s compared with 5min before seizure onset and stronger delta-slow-gamma PAC at 20s compared with Pilo animals after seizure termination. Overall, our data suggest an increased synchrony in cortex and CA1 hippocampal area of epileptic animals, particularly for delta frequency with intense delta coupling in Rad, probably an important synchronization site. GABA release/ content and GAD activity was not changed, suggesting a possible adaptive change in GABA neurotransmission even with the decreased number of interneurons. The grafted MGE-derived cells possibly induced a neuronal network reorganization in the host brain that could be responsible for seizure reduction and alterations in brain oscillation pattern. Particularly, the decrease in delta power, increase in the interictal coherence in delta and theta band and the reduction in delta-high frequency oscillations (HFOs) coupling in the hippocampal area could be considered as indicators of network rewiring, with consequent reduction of epileptogenesis. The increased power and decreased coherence of HFOs at the seizure onset were probably induced by integration of new interneurons and increased inhibition induced by transplantation. Understanding the rhythms organization at non-ictal state and the role of the new interneurons on the reorganized network could help us to unveil the mechanisms behind seizure control that clearly go beyond a simple increase in inhibition.

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.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) A diferença entre a mentação experimentada durante o sono de oculares rápidos (REM) e o sono não-REM persiste como questão importante para investigação no campo de pesquisa dos sonhos. Estudos anteriores têm mostrado que os relatos de sonho documentados depois do REM são, em média, mais longos, vívidos, bizarros, emocionais e com aspectos mais narrativos do que os relatos do não-REM. Apesar desses achados, falta uma comparação estrutural entre relatos de sonho do REM e não-REM no que diz respeito à organização de palavra-a-palavra, e diversas medidas tradicionais de sonhos podem ser confundidas pelo comprimento do relato. A análise de fala transformada em grafos direcionados de palavras pode ser aplicada para fazer uma avaliação estrutural de relatos verbais e também para controlar as diferenças individuais de verbosidade. No presente estudo, tivemos como objetivo investigar as possíveis diferenças na conectividade dos relatos e sua aproximação a uma estrutura aleatória através da análise de grafos em 125 relatos de sonho obtidos por 19 participantes em despertares controlados nas fases de sono REM e N2. Constatou-se que: (1) grafos do REM possuem uma conectividade maior do que os do N2; entretanto, essas diferenças não foram refletidas na aproximação a um grafo randômico; (2) diversas medidas de grafo podem predizer avaliações externas da complexidade do sonho, onde a conectividade aumenta e sua natureza randômica cai em relação à complexidade do relato; e (3) o Componente Maior Conectado (LCC) do grafo pode melhorar o ajuste de um modelo contendo o comprimento do relato como variável no discernimento da fase do sono e na predição da complexidade do sonho. Esses resultados sugerem que os relatos do REM possuem uma conectividade maior do que os relatos do N2 (i.e. as palavras recorrem com uma distância maior), o que, em nossa visão, está relacionado a diferenças subjacentes na complexidade dos sonhos. Esses achados também apontam para a análise de grafos como um método promissor no campo dos sonhos, devido à sua relação com a complexidade do sonho e ao seu potencial de atuar como uma medida complementar ao comprimento do relato. The extent to which Rapid Eye Movement Sleep (REM) mentation may differ to that of non-REM remains an important area of enquiry in dream research. Previous studies have found that dream reports collected after REM awakenings are, on average, longer, more vivid, bizarre, emotional and story-like compared to those collected after non-REM. Despite this, a comparison of the word-to-word structural organisation of dream reports is lacking, and traditional measures that distinguish REM and non-REM dreaming may be confounded by report length. The analysis of speech as directed word graphs can be suitably applied, as it provides a structural assessment of verbal reports, while controlling for differences in verbosity. In the present study, we aimed to investigate the differences in the connectedness of dream reports and their approximation to a random-like structure through applying speech graph analysis to 125 mentation reports obtained from 19 participants in controlled laboratory awakenings from REM and N2 sleep. We found that: (1) transformed graphs from REM possess a larger connectedness compared to those from N2; (2) measures of graph structure can predict ratings of dream complexity, where increases in connectedness and decreases in their random-like nature are observed in relation to increasing dream report complexity; and (3) the Largest Connected Component (LCC) can improve a model containing report length in predicting sleep stage and dream complexity. These results suggest that REM dream reports have a larger connectedness compared to N2 (i.e. words recur with a longer range), which we interpret to be related to underlying differences in dream complexity. They also point to speech graph analysis as a promising method for dream research, due to its relation to dream complexity and its potential to complement report length in dream analysis.

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.

Os recentes avanços técnicos das duas últimas décadas para o registro de sinais neuroeletrofisiológicos foram essenciais para que se testassem hipóteses há muito propostas acerca de como células nervosas processam e armazenam informação. No entanto, ao permitir maior detalhamento dos dados coletados, as novas tecnologias levam inevitavelmente ao aumento de sua complexidade estatística e, consequentemente, à necessidade de novas ferramentas matemático-computacionais para sua análise. Nesta tese, apresentamos novos métodos para a análise de dois componentes fundamentais nas atuais teorias da codificação neural: (1) assembleias celulares, definidas pela co-ativação de subgrupos neuronais; e (2) o padrão temporal de atividade de neurônios individuais. Em relação a (1), desenvolvemos um método baseado em análise de componentes independentes para identificar e rastrear padrões de co-ativação significativos com alta resolução temporal. Superamos limitações de métodos anteriores, ao efetivamente isolar assembleias e abrir a possibilidade de analisar simultaneamente grandes populações neuronais. Em relação a (2), apresentamos uma nova técnica para a extração de padrões de atividade em trens de disparo baseada na decomposição wavelet. Demonstramos, por meio de simulações e de aplicação a dados reais, que nossa ferramenta supera as mais utilizadas atualmente para decodificar respostas de neurônios e estimar a informação de Shannon entre trens de disparos e estímulos externos.

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.

O processo de codificação é um aspecto fundamental do funcionamento cerebral. A transformação de estímulos sensoriais em respostas neurofisiológicas tem sido objeto de estudo em diversas áreas da Neurociência. Um dos modos mais utilizados para medir a eficiência de um código neural é pelo uso de medidas advindas da Teoria da Informação, como a informação mútua. Utilizando estas ferramentas, estudos recentes mostraram que no córtex auditivo tanto registros de potenciais de campo local (LFPs - local field potentials) quanto os tempos de disparos de potenciais de ação codificam informação sobre estímulos sonoros. Todavia, não há estudos aplicando ferramentas da Teoria da Informação para investigar a eficiência de códigos que utilizem potenciais pós-sinápticos (PSPs - postsynaptics potentials), isoladamente e em conjunto com análises de LFPs. Estes sinais estão relacionados visto que os LFPs são em parte construídos pela ação conjunta de vários PSPs. A presente dissertação reporta medidas de informação mútua entre respostas de PSPs e LFPs obtidas no córtex auditivo primário de ratos anestesiados e estímulos sonoros de frequências distintas. Nossos resultados mostram que respostas de PSPs possuem informação sobre estímulos sonoros, em níveis comparáveis e mesmo maiores que as respostas de LFPs. Também encontramos que PSPs e LFPs codificam informação sonora independentemente, uma vez que a análise conjunta destes sinais não mostrou sinergia nem redundância Coding process is a fundamental aspect of cerebral functioning. The sensory stimuli transformation in neurophysiological responses has been a research theme in several areas of Neuroscience. One of the most used ways to measure a neural code e ciency is by the use of Information Theory measures, such as mutual information. Using these tools, recent studies show that in the auditory cortex both local eld potentials (LFPs) and action potential spiking times code information about sound stimuli. However, there are no studies applying Information Theory tools to investigate the e ciency of codes that use postsynaptics potentials (PSPs), alone and associated with LFP analysis. These signals are related in the sense that LFPs are partly created by joint action of several PSPs. The present dissertation reports information measures between PSP and LFP responses obtained in the primary auditory cortex of anaesthetized rats and auditory stimuli of distinct frequencies. Our results show that PSP responses hold information about sound stimuli in comparable levels and even greater than LFP responses. We have also found that PSPs and LFPs code sound information independently, since the joint analysis of these signals did neither show synergy nor redundancy.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Desde os descobrimentos pioneiros de Hubel e Wiesel acumulou-se uma vasta literatura descrevendo as respostas neuronais do córtex visual primário (V1) a diferentes estímulos visuais. Estes estímulos consistem principalmente em barras em movimento, pontos ou grades, que são úteis para explorar as respostas dentro do campo receptivo clássico (CRF do inglês classical receptive field) a características básicas dos estímulos visuais como a orientação, direção de movimento, contraste, entre outras. Entretanto, nas últimas duas décadas, tornou-se cada vez mais evidente que a atividade de neurônios em V1 pode ser modulada por estímulos fora do CRF. Desta forma, áreas visuais primárias poderiam estar envolvidas em funções visuais mais complexas como, por exemplo, a separação de um objeto ou figura do seu fundo (segregação figura-fundo) e assume-se que as conexões intrínsecas de longo alcance em V1, assim como as conexões de áreas visuais superiores, estão ativamente envolvidas neste processo. Sua possível função foi inferida a partir da análise das variações das respostas induzidas por um estímulo localizado fora do CRF de neurônios individuais. Mesmo sendo muito provável que estas conexões tenham também um impacto tanto na atividade conjunta de neurônios envolvidos no processamento da figura quanto no potencial de campo, estas questões permanecem pouco estudadas. Visando examinar a modulação do contexto visual nessas atividades, coletamos potenciais de ação e potenciais de campo em paralelo de até 48 eletrodos implantados na área visual primária de gatos anestesiados. Estimulamos com grades compostas e cenas naturais, focando-nos na atividade de neurônios cujo CRF estava situado na figura. Da mesma forma, visando examinar a influência das conexões laterais, o sinal proveniente da área visual isotópica e contralateral foi removido através da desativação reversível por resfriamento. Fizemos isso devido a: i) as conexões laterais intrínsecas não podem ser facilmente manipuladas sem afetar diretamente os sinais que estão sendo medidos, ii) as conexões inter-hemisféricas compartilham as principais características anatômicas com a rede lateral intrínseca e podem ser vistas como uma continuação funcional das mesmas entre os dois hemisférios e iii) o resfriamento desativa as conexões de forma causal e reversível, silenciando temporariamente seu sinal, permitindo conclusões diretas a respeito da sua contribuição. Nossos resultados demonstram que o mecanismo de segmentação figurafundo se reflete nas taxas de disparo de neurônios individuais, assim como na potência do potencial de campo e na relação entre sua fase e os padrões de disparo produzidos pela população. Além disso, as conexões laterais inter-hemisféricas modulam estas variáveis dependendo da estimulação feita fora do CRF. Observamos também uma influência deste circuito lateral na coerência entre potenciais de campo entre eletrodos distantes. Em conclusão, nossos resultados dão suporte à ideia de um mecanismo complexo de segmentação figura-fundo atuando desde as áreas visuais primárias em diferentes escalas de frequência. Esse mecanismo parece envolver grupos de neurônios ativos sincronicamente e dependentes da fase do potencial de campo. Nossos resultados também são compatíveis com a hipótese que conexões laterais de longo alcance também fazem parte deste mecanismo Since Hubel and Wiesel s pioneer finding a vast body of literature has accumulated describing neuronal responses in the primary visual cortex (V1) to different visual stimuli. These stimuli mainly consisted of moving bars, dots or gratings which served to explore the responses to basic visual features such as orientation, direction of motion or contrast, among others, within a classical receptive field (CRF). However, in the last two decades it became increasingly evident that the activity of V1 neurons can be modulated by stimulation outside their CRF. Thus, early visual areas might be already involved in more complex visual tasks like, for example, the segmentation of an object or a figure from its (back)-ground. It is assumed that intrinsic long-range horizontal connections within V1 as well as feedback connections from higher visual areas are actively involved in the figure-ground segmentation process. Their possible role has been inferred from the analysis of the spike rate variations induced by stimuli placed outside the CRF of single neurons. Although it is very likely that those connections also have an impact on the joined activity of neurons involved in processing the figure and on their local field potentials (LFP), these issues remain understudied. In order to examine the context-dependent modulation of those activities, we recorded spikes and LFPs in parallel from up to 48 electrodes in the primary visual cortex of anesthetized cats. We stimulated with composite grating and natural scene stimuli focusing on populations of neurons whose CRFs were situated on the foreground figure. In addition, in order to examine the influence of horizontal connections we removed the inter-hemispheric input of the isotopic contralateral visual areas by means of reversible cooling deactivation. We did so because i) the intrinsic horizontal connections cannot be easily manipulated without directly affecting the measured signals, ii) because inter-hemispheric connections share the major anatomical features with the intrinsic lateral network and can be seen as a functional continuation of the latter across the two hemispheres and iii) because cooling causally and reversibly deactivates input connections by temporarily silencing the sending neurons and thus enables direct conclusions on their contribution. Our results demonstrate that the figure-ground segmentation mechanism is reflected in the spike rate of single neurons, as well as in their LFP power and its phase-relationship to the spike patterns produced by the population. In addition "lateral" inter-hemispheric connections modulate spike rates and LFP power depending on the stimulation of the neurons CRF surround. Further, we observe an influence of this lateral circuit on field- field coherences between remote recording sites. In conclusion, our findings support the idea of complex figure-ground segmentation mechanism acting already in early visual areas on different time scales. This mechanism seems to involve groups of neurons firing synchronously and dependent on the LFP s phase. Our results are also compatible with the hypothesis that long-range lateral connections contribute to that mechanism

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Em humanos, a administração de quetamina - um antagonista não-competitivo do receptor glutamatérgico do tipo NMDA - causa um amplo espectro de sintomas associados à esquizofrenia. Dado o papel dos ritmos cerebrais na realização de tarefas cognitivas, tem sido sugerido que a patofisiologia da esquizofrenia estaria relacionada a desordens de oscilações corticais. Neste estudo utilizamos o registro do potencial de campo elétrico em múltiplos eletrodos implantados no hipocampo de ratos sob o efeito de injeções sistêmicas de doses sub-anestésicas de quetamina (25, 50 e 75 mg/kg IP) para investigarmos as alterações comportamentais e eletrofisiológicas neste modelo animal de psicose. A quetamina alterou o padrão de locomoção e causou diversas mudanças na dinâmica de oscilações neurais. A potência nas bandas de frequência gama e oscilações de alta frequência (OAF) aumentou em todas as profundidades do eixo CA1-giro denteado, enquanto a potência de teta variou dependendo da camada registrada. A coerência de fase de gama e de OAF aumentou entre as camadas de CA1. A quetamina aumentou o acoplamento entre frequências (AEF) de fase-amplitude entre teta e OAF em todas as doses, mas teve efeitos opostos no AEF entre teta e gama de acordo com a dose. Nossos resultados demonstram que o modelo de esquizofrenia induzido por hipofunção dos receptores NMDA está associado com alterações de interações de alta ordem entre oscilações neurais