Acoplamento dos sinais frontais do cérebro à respiração de ratos durante repertório comportamental espontâneo no campo aberto

Breathing is an essential rhythm of life, and the main system that terrestrial mammals use to smell the world around them. Breathing cycles passively carry odorant molecules that bind to the olfactory receptors of the olfactory epithelium, and each cycle is sufficient as a unit of odor sensation....

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Detalles Bibliográficos
Autor Principal: Barreto, Davi Drieskens Carvalho de Castro Sá
Outros autores: Laplagne, Diego Andrés
Formato: doctoralThesis
Idioma:pt_BR
Publicado: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Assuntos:
oscilações acopladas à respiração
bulbo olfatório
córtex pré-frontal
comportamento espontâneo
neurofisiologia comportamental
CNPQ::OUTROS::CIENCIAS
Acceso en liña:https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/52836
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Barreto, Davi Drieskens Carvalho de Castro Sá
Acoplamento dos sinais frontais do cérebro à respiração de ratos durante repertório comportamental espontâneo no campo aberto
description Breathing is an essential rhythm of life, and the main system that terrestrial mammals use to smell the world around them. Breathing cycles passively carry odorant molecules that bind to the olfactory receptors of the olfactory epithelium, and each cycle is sufficient as a unit of odor sensation. It is also known today that breathing modulates activity in the brain. In 1942, work by Edgar Adrian showed that the rhythmic flux of air in the olfactory epithelium of hedgehogs generates oscillations in the olfactory bulb. Recent work in rodents has shown that neuronal oscillations synchronized to respiratory activity occur not only at the olfactory bulb but also across distant brain areas, from prefrontal and visual cortices to subcortical areas, such as the hippocampus and the amygdala. Intriguingly, these widespread respiratory brain rhythms are not continuously present. Instead, the coupling between neuronal activity and respiration across brain regions changes dramatically with time. Previous work also showed that the power of these respiration entrained oscillations is higher in frontal areas. To understand these dynamics, we simultaneously recorded depth video along with respiration (intranasal pressure) and distributed brain signals (anterior cingulate, prelimbic, medial orbital and parietal cortices and olfactory bulb) in 6 rats as they spontaneously behaved in an enriched open field arena (21 sessions of 30 minutes each). Animals displayed a rich set of behavior, ranging from immobility (putative sleep) to walking, grooming, rearing and object exploration. In this thesis, we will present and discuss results on the modulation by respiratory activity on low and high-frequency components of the local field potential (LFP) of the rats' frontal brain. We will show how the magnitude of this modulation is strongly dependent on the instantaneous respiratory rate of the rats and recording site. We found that all breathing frequencies modulate LFP activity in all areas, with higher modulation of low frequency LFP components in the olfactory bulb, and higher modulation of gamma LFP components in the medial orbitofrontal cortex. To better dissect possible modulations of entrainment strength, we detected and selected the behavioral state of the animals and quantified the LFP-respiration entrainment for each one. We found significant modulation of respiratory LFP components for all behaviors. We saw that grooming behavior has the highest modulation of frontal brain LFP by respiratory activity. The results presented here may help to understand a few pieces of this puzzle, and will raise more questions about how and when breathing modulates frontal brain activity.
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Breathing cycles passively carry odorant molecules that bind to the olfactory receptors of the olfactory epithelium, and each cycle is sufficient as a unit of odor sensation. It is also known today that breathing modulates activity in the brain. In 1942, work by Edgar Adrian showed that the rhythmic flux of air in the olfactory epithelium of hedgehogs generates oscillations in the olfactory bulb. Recent work in rodents has shown that neuronal oscillations synchronized to respiratory activity occur not only at the olfactory bulb but also across distant brain areas, from prefrontal and visual cortices to subcortical areas, such as the hippocampus and the amygdala. Intriguingly, these widespread respiratory brain rhythms are not continuously present. Instead, the coupling between neuronal activity and respiration across brain regions changes dramatically with time. Previous work also showed that the power of these respiration entrained oscillations is higher in frontal areas. To understand these dynamics, we simultaneously recorded depth video along with respiration (intranasal pressure) and distributed brain signals (anterior cingulate, prelimbic, medial orbital and parietal cortices and olfactory bulb) in 6 rats as they spontaneously behaved in an enriched open field arena (21 sessions of 30 minutes each). Animals displayed a rich set of behavior, ranging from immobility (putative sleep) to walking, grooming, rearing and object exploration. In this thesis, we will present and discuss results on the modulation by respiratory activity on low and high-frequency components of the local field potential (LFP) of the rats' frontal brain. We will show how the magnitude of this modulation is strongly dependent on the instantaneous respiratory rate of the rats and recording site. We found that all breathing frequencies modulate LFP activity in all areas, with higher modulation of low frequency LFP components in the olfactory bulb, and higher modulation of gamma LFP components in the medial orbitofrontal cortex. To better dissect possible modulations of entrainment strength, we detected and selected the behavioral state of the animals and quantified the LFP-respiration entrainment for each one. We found significant modulation of respiratory LFP components for all behaviors. We saw that grooming behavior has the highest modulation of frontal brain LFP by respiratory activity. The results presented here may help to understand a few pieces of this puzzle, and will raise more questions about how and when breathing modulates frontal brain activity. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq A respiração é um ritmo essencial para a vida, e o principal sistema que mamíferos terrestres utilizam para sentir o cheiro do mundo ao redor. Ciclos respiratórios carregam passivamente moléculas odorantes que se ligam aos receptores olfatórios no epitélio olfativo, e cada ciclo é suficiente como uma unidade da sensação do odor. Também sabe-se hoje em dia que a respiração modula a atividade cerebral. Em 1942, o trabalho de Edgar Adrian mostrou que o fluxo rítmico de ar no epitélio olfativo do porco-espinho gera oscilações no bulbo olfatório. Trabalhos recentes em roedores mostraram que oscilações neurais sincronizadas à atividade respiratória ocorrem não apenas no bulbo olfatório, mas em áreas mais distantes no cérebro, como os córtices pré-frontal e visual, e em áreas subcorticais, como o hipocampo e a amígdala. De forma intrigante, estes ritmos respiratórios distribuídos não estão presentes continuamente. Ao contrário, o acoplamento entre a atividade neural e a respiração dentre as áreas cerebrais muda dramaticamente com o tempo. Estudos anteriores mostraram que o poder dessas oscilações acopladas à respiração é maior em áreas frontais. Para entender essa dinâmica, nós gravamos, simultaneamente, vídeo de profundidade, junto à respiração (pressão intranasal) e sinais cerebrais distribuídos (córtices cingulado anterior, pré límbico, orbitofrontal medial e parietal, e o bulbo olfatório) em 6 ratos enquanto se comportavam espontaneamente num campo aberto enriquecido (21 sessões de 30 minutos cada). Os animais mostraram um rico repertório comportamental, indo de imobilidade (sono presumido) à locomoção, comportamento de autolimpeza, rearing, e exploração de objetos. Nesta tese, vamos apresentar e discutir resultados sobre a modulação, pela respiração, de frequências altas e baixas do potencial de campo local (LFP) de áreas frontais do cérebro de ratos. Nós vamos mostrar como a magnitude dessa modulação depende fortemente da frequência respiratória dos ratos, e da área registrada. Nós descobrimos que todas as frequências respiratórias modulam a atividade do LFP em todas as áreas, com uma modulação mais forte em componentes de frequência mais baixa do LFP no bulbo olfatório e uma modulação mais forte em componentes de frequência mais alta do LFP (gamma) no córtex orbitofrontal medial. Para entender melhor as possíveis modulações da força do acoplamento entre o sinal neural e a respiração, nós detectamos e selecionamos estados comportamentais dos animais, e quantificamos o acoplamento neural à respiração para cada um deles. Nós achamos uma modulação significativa do LFP, pela respiração, em todos os comportamentos, com uma maior modulação no comportamento de autolimpeza. Os resultados mostrados aqui podem ajudar a entender melhor algumas peças desse quebra cabeça, e vão levantar mais questões sobre como e quando a respiração modula a atividade neural do cérebro frontal. 2023-06-21T22:52:34Z 2023-06-21T22:52:34Z 2023-02-13 doctoralThesis DRIESKENS, Davi Carvalho de Castro Sá Barreto. Acoplamento dos sinais frontais do cérebro à respiração de ratos durante repertório comportamental espontâneo no campo aberto. Orientador: Diego Andrés Laplagne. 2023. 132f. Tese (Doutorado em Neurociências) - Instituto do Cérebro, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2023. https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/52836 pt_BR Acesso Aberto application/pdf Universidade Federal do Rio Grande do Norte Brasil UFRN Programa de Pós-graduação em Neurociências

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