Navegando por Autor "Takahashi, Daniel Yasumasa"

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Acoplamento dos sinais frontais do cérebro à respiração de ratos durante repertório comportamental espontâneo no campo aberto
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2023-02-13) Barreto, Davi Drieskens Carvalho de Castro Sá; Laplagne, Diego Andrés; https://orcid.org/0000-0001-5860-1667; http://lattes.cnpq.br/0293416967746987; http://lattes.cnpq.br/7235040136157868; Takahashi, Daniel Yasumasa; Velho, Tarciso André Ferreira; http://lattes.cnpq.br/8194534389725093; Belluscio, Mariano Andrés; Barbosa, Flávio Freitas
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.
Active neural coordination of motor behaviors with internal states
(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022-09) Zhang, Yisi S; Takahashi, Daniel Yasumasa; Hady, Ahmed El; Liao, Diana A; Ghazanfar, Asif A
The brain continuously coordinates skeletomuscular movements with internal physiological states like arousal, but how is this coordination achieved? One possibility is that the brain simply reacts to changes in external and/or internal signals. Another possibility is that it is actively coordinating both external and internal activities. We used functional ultrasound imaging to capture a large medial section of the brain, including multiple cortical and subcortical areas, in marmoset monkeys while monitoring their spontaneous movements and cardiac activity. By analyzing the causal ordering of these different time series, we found that information flowing from the brain to movements and heart-rate fluctuations were significantly greater than in the opposite direction. The brain areas involved in this external versus internal coordination were spatially distinct, but also extensively interconnected. Temporally, the brain alternated between network states for this regulation. These findings suggest that the brain's dynamics actively and efficiently coordinate motor behavior with internal physiology
Active sampling as an information seeking strategy in primate vocal interactions
(Springer Science and Business Media LLC, 2024-09) Varella, Thiago T.; Takahashi, Daniel Yasumasa; Ghazanfar, Asif A.
Active sensing is a behavioral strategy for exploring the environment. In this study, we show that contact vocal behaviors can be an active sensing mechanism that uses sampling to gain information about the social environment, in particular, the vocal behavior of others. With a focus on the real-time vocal interactions of marmoset monkeys, we contrast active sampling to a vocal accommodation framework in which vocalizations are adjusted simply to maximize responses. We conduct simulations of a vocal accommodation and an active sampling policy and compare them with actual vocal interaction data. Our findings support active sampling as the best model for real-time marmoset monkey vocal exchanges. In some cases, the active sampling model was even able to partially predict the distribution of vocal durations for individuals to approximate the optimal call duration. These results suggest a non-traditional function for primate vocal interactions in which they are used by animals to seek information about their social environments
Amostragem longitudinal e em larga escala da comunicação ao longo do dia em Callithrix jacchus (Callitrichidae, Primates)
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2022-02-18) Sá, Anna Gabriely Barroso de; Takahashi, Daniel Yasumasa; http://lattes.cnpq.br/4659230362946311; http://lattes.cnpq.br/3496180687690450; Miranda, Maria de Fatima Arruda de; http://lattes.cnpq.br/4654421846443562; Pereira, Rodrigo Neves Romcy; http://lattes.cnpq.br/9209418339421588
A comunicação é um comportamento vital para a sobrevivência e reprodução de todas as espécies, inclusive os saguis-comuns. O fato de ocorrer transmissão vocal põe em questão o aprendizado vocal, antes pensado ser exclusivo da espécie humana. No entanto, estudos com primatas não-humanos demonstraram alta plasticidade vocal, desde a presença de dialetos entre diferentes grupos a alterações no chamado de acordo com o status social. Tal plasticidade possibilita perceber que vários fatores podem vir a influenciar a variação de comportamentos vocais, como por exemplo: o ciclo circadiano, que influencia quase todos os organismos vivos, regulando mecanismos biológicos e comportamentais, como forrageio e reprodução. Como para o Callithrix jacchus, um primata com um comportamento vocal diversificado e complexo, a comunicação é de extrema importância é de se esperar que com um repertório de aproximadamente 15 tipos de vocalizações, elas sejam influenciadas por fatores externos, como a variação temporal. Dessa forma, foi vista a necessidade de estudos mais aprofundados em primatas não-humanos, como o sagui-do-tufo-branco, para complementar e aprimorar o monitoramento acústico desses animais. Então, tendo como objetivo validar a hipótese de variação vocal ao longo do dia, o estudo foi feito com animais cativos do Instituto do Cérebro da UFRN sendo gravados continuamente ao longo do dia através de um sistema de monitoramento automatizado com um gravador de alta qualidade e baixo custo. Assim, foi possível observar que a variação ao longo do dia ocorre dependendo do tipo de vocalização. Além disso, foi concluído que o sistema de monitoramento atingiu as expectativas de registro contínuo podendo vir a tornar possível estudos futuros com populações dessa espécie em campo.
Avaliação dos efeitos do canabigerol e do canabinol nas crises agudas induzidas pelo pentilenotetrazol em camundongos
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2024-06-21) Lamartine, Adriana Freire; Takahashi, Daniel Yasumasa; http://lattes.cnpq.br/4659230362946311; http://lattes.cnpq.br/9243894383609211; Sequerra, Eduardo Bouth; Menezes, João Ricardo
Fitocanabinoides, metabólitos secundários produzidos por plantas do gênero Cannabis, modulam a excitabilidade celular e apresentam efeitos promissores no tratamento adjuvante anticrise em epilepsias de difícil controle. O tetrahidrocanabinol (THC) e o canabidiol (CBD), os dois fitocanabinoides com maior concentração em inflorescências de Cannabis sp., possuem massa e estrutura molecular similares, porém distintos efeitos farmacológicos: o THC tem um evidente efeito psicotrópico e pró-convulsivante, enquanto o CBD não afeta o comportamento ou a percepção, apesar de notável atividade anticrise em estudo clínicos e pré-clínicos. Por outro lado, pouco se conhece a respeito dos efeitos farmacológicos de outros fitocanabinoides, como o canabigerol (CBG, molécula precursora do THC e CBD) e o canabinol (CBN, resultado da degradação do THC e CBD). O CBG e o CBN interagem com diferentes alvos moleculares, como receptores do sistema endocanabinoide (CB1), porém seus efeitos farmacológicos sobre a hiperexcitabilidade neuronal são desconhecidos. Neste trabalho, avaliamos o efeito anticrise do CBG e do CBN em um modelo de crise aguda induzida quimicamente pelo pentilenotetrazol (PTZ) em camundongos (CEUA/UFRN #043/2022). A administração de PTZ (60 mg/Kg, s.c.) produziu espasmos, abalos mioclônicos e, em alguns animais, crises límbicas generalizadas. O pré-tratamento (1 h antes do PTZ) com CBG ou CBN, nas doses de 3, 30 ou 300 mg/Kg (i.p.) não modificou a latência, a quantidade ou a gravidade dos comportamentos ictais induzidos pelo PTZ, quando comparado ao grupo controle (CTR, animais que receberam veículo, i.e., óleo de milho; p>0,05, ANOVA). Por outro lado, o pré-tratamento com diazepam (5 mg/Kg, tradicional fármaco anticrise, usado aqui como controle positivo) aumentou a latência para o primeiro espasmo e a primeira mioclonia, além de reduzir significativamente o número de eventos quando comparados ao grupo controle (p<0,05, teste t não-pareado). Surpreendentemente, o prétratamento com CBG ou CBN aumentou a proporção de animais apresentando crises límbicas, independente da dose. A proporção de animais com crise no grupo CTR foi de 2/16 (13%), enquanto que no grupo CBG foi de 8/17 (47%, CTR vs CBG, chi-quadrado=4,66, p=0,031) e no grupo CBN foi de 5/16 (31%, CTR vs CBN, chi-quadrado=1,65, p>0,05). Nossos resultados demonstram que o CBG e o CBN não possuem atividade anticrise no modelo de crise aguda induzida pelo PTZ e sugere que, de fato, esses fitocanabinoides favorecem a expressão de crises límbicas. Acreditamos que esse estudo expande nossa compreensão do potencial e das limitações do sistema endocanabinoide no controle da excitabilidade neuronal.
Caracterização da produção vocal ultrassônica neonatal induzida por separação materna e avaliação de sua validade como biomarcador da atividade exploratória ao desmame em um modelo animal de autismo
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2023-04-06) Bessa, Rafael dos Santos de; Pereira, Rodrigo Neves Romcy; http://lattes.cnpq.br/9209418339421588; https://orcid.org/0000-0001-9507-3402; http://lattes.cnpq.br/6313181480655294; Takahashi, Daniel Yasumasa; http://lattes.cnpq.br/4659230362946311; Ruggiero, Rafael Naime; Aguiar, Cleiton Lopes; Silva, Regina Helena da
A comunicação durante a interação social é uma fator preponderante para a escolha da resposta comportamental mais adequada em cada situação. Ratos utilizam vocalizações na faixa do ultrassom (VUSs) que transmitem informações sobre seu estado emocional e contribuem para o início e manutenção de interações sociais. O repertório vocal observado em animais adultos deriva do desenvolvimento e da maturação de vocalizações inatas de animais neonatos, as chamadas VUSs de 40-kHz. Essas VUSs são emitidas principalmente durante situações de estresse e evocam na mãe uma resposta de aproximação ao filhote e cuidado parental. Devido à essa resposta evocada, as VUSs de 40-kHz tem grande peso para a sobrevivência dos filhotes durante as três primeiras semanas de vida. Apesar deste ser um período de rápido crescimento e grandes mudanças fisiológicas para o filhote, a maioria dos estudos não analisa de forma longitudinal as VUSs de 40-kHz nesta fase crítica do desenvolvimento. Além disso, entender como as propriedades acústicas e os padrões de emissões se modificam a medida que o animal amadurece pode ajudar a identificar potenciais biomarcadores de transtornos do desenvolvimento, como o autismo. Neste estudo, analisamos as propriedades acústicas e o padrão de emissão de VUSs de 40-kHz emitidas por ratos neonatos durante 5 min de separação materna nos dias pós-natais 07, 14 e 21. Também investigamos os efeitos da exposição pré-natal ao ácido valpróico (VPA) sobre a produção vocal. Nossos resultados mostram uma redução das emissões em animais VPA e alterações nas propriedades acústicas e nos padroẽs de emissão em comparação aos animais controle. Ao aplicar duas técnicas distintas de classificação, uma rede de convolução neural (RCN) e um modelo de mistura de gaussianas (MMG), para separar espectro-temporalmente as VUS, encontramos nos animais com fenótipo autista uma redução significativa da variedade de classes emitidas. A complexidade das emissões, quantificada pelo grau de possibilidades de transições entre as VUSs, também está dramaticamente reduzida nesses animais, indicando um repertório vocal empobrecido em relação aos controles. Ao final da terceira semana pósnatal, quando os animais foram desmamados, avaliamos os comportamentos exploratórios durante o teste de campo aberto. Os animais tratados com VPA apresentam redução destes comportamentos comparados aos controles. Análises comportamentais mostraram uma correlação positiva entre VUSs com modulação da frequência e comportamentos exploratórios durante o teste de campo-aberto, em contraste com uma correlaçao negativa entre VUSs não-moduladas e tais comportamentos. Deste modo, concluímos que ratos expostos ao VPA apresentam alterações no desenvolvimento vocal, caracterizado não apenas por uma redução quantitativa de sua produção vocal mas também por padrões biocaústicos e dinâmicas de vocalização alteradas, que se correlacionam com comportamentos pósdesmame. Por fim mostramos através de métodos de classificação semi-automatizados que as VUSs de 40-kHz podem ser separadas em tipos distintos e que tais classificações apresentam correspondência biológica uma vez que observamos correlações significativas entre esses tipos de USV e comportamentos exploratórios ao final da terceira semana de vida.
Caracterização funcional de pares e assembleias de neurônios intra- e inter-hemisféricos no córtex visual primário
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2023-06-12) Frota, Beatriz Carvalho; Schmidt, Kerstin Erika; Ocazionez, Sérgio Andrés Conde; http://lattes.cnpq.br/7159531395590165; http://lattes.cnpq.br/4902752912395893; http://lattes.cnpq.br/2930959007397988; Ocazionez, Sérgio Andrés Conde; Tort, Adriano Bretanha Lopes; https://orcid.org/0000-0002-9877-7816; http://lattes.cnpq.br/3181888189086405; Takahashi, Daniel Yasumasa; Santos, Natanael Antônio dos
Em primatas e carnívoros, o córtex visual primário contém conexões horizontais seletivas de longo alcance que contribuem para o agrupamento de elementos locais da imagem de acordo com sua orientação, direção do movimento e alinhamento colinear. Esses circuitos seletivos também podem ser decisivos para manter vieses na atividade cortical espontânea que condicionam as respostas neuronais ao facilitar as prováveis conjunções de formas ou trajetórias de movimento antes que tal estímulo chegue. Assim, as interações funcionais em curso devem refletir a topografia seletiva das conexões. Perto da borda do córtex visual primário, essas conexões se estendem através do corpo caloso com a mesma seletividade para orientação, direção do movimento e colinearidade para ligar locais homotópicos nos dois hemisférios e unificar a imagem dividida em duas metades na linha média vertical do campo visual. Devido a essa ação central das conexões calosas visuais, é possível comparar as interações inter-hemisféricas e intra-hemisféricas espontâneas e evocadas pelo mesmo estímulo e investigar se elas representam formas e direções de movimento que cruzam a linha média vertical. Para abordar as assinaturas neuronais dessas interações funcionais, estudamos a atividade dos neurônios que representam estímulos que cruzam a linha média nos dois córtices visuais, registrando simultaneamente de 2 x 16 eletrodos separados espacialmente. Esses eletrodos foram colocados em partes homotópicas do córtex visual, ou seja, a zona de transição entre a área 17 e 18, em gatos (n = 4). Para implantar eletrodos em locais corticais direta ou indiretamente ligados pelo corpo caloso, realizamos imagens de sinal intrínseco para definir com precisão a área da borda. Posteriormente, obtivemos registros eletrofisiológicos extracelulares durante a estimulação visual com gratings e cenas naturais desenhados para estudar a integração. Como uma medida eficiente de interação funcional, usamos coerência espontânea e evocada por estímulo entre pares de taxas de disparo na banda de low-gamma, focando em pares de neurônios com campos receptivos sobrepostos. Para restringir a análise a neurônios com resposta otimizada, aplicamos um teste de sinal e um critério de seletividade de orientação e direção. Observamos coerência significativa da banda low-gamma espontânea e evocada (30-59 Hz) na maioria dos pares inter-hemisféricos (n=131) e intra-hemisféricos (n=132) de unidades únicas com RFs sobrepostos, mas com amplitudes maiores entre as unidades intra-hemisféricas. Dentro do mesmo hemisfério, a coerência decaiu com a distância cortical entre os neurônios da mesma preferência de orientação (ISO) e atingiu o pico novamente em um intervalo de cerca de 800 μm de acordo com o agrupamento de conexões horizontais de longo alcance. A coerência espontânea intra - e inter-hemisférica e a coerência evocada por estímulos foram maiores para pares com seletividade a mesma orientação ou direção de movimento (ISO) do que com a seletividade oposta (CROSS). No geral, a horizontal (± 45 graus) evocou maior coerência do que os gratings verticais (± 45 graus). Surpreendentemente, esse viés foi o mesmo para pares intra - e inter-hemisféricos. Com estimulação de cena natural, a coerência intra-hemisférica foi maior para pares de seletividade de direção oposta (CROSSdir), em contraste dos gratings, mas para pares inter-hemisféricos de seletividade de mesma direção (ISOdir). Também em contraste aos gratings, as coerências foram maiores para direções de movimento cruzando (para esquerda, para direita) a linha média vertical do que para direções paralelas a ela (para cima e para baixo). Durante a estimulação com gratings e cenas naturais, observamos ambos os tipos de assembleias, tanto restritas à população de neurônios intra-hemisféricos quanto inter-hemisféricos. Com gratings, as assembleias intra-hemisféricas foram significativamente mais frequentemente ativadas do que as inter-hemisféricas. No entanto, semelhante ao viés na coerência, a estimulação com gratings horizontais (± 45 graus) produziu taxas de ativação das assembleias inter-hemisféricas significativamente maiores do que com as verticais. Curiosamente, com a estimulação de cena natural, as assembleias intra e inter-hemisféricas não diferem na taxa de ativação nem na seletividade ao estímulo, indicando que, nessas condições, ambas as populações estão funcionalmente interconectadas em um único circuito horizontal que inclui os dois hemisférios. Em conclusão, confirmamos que a atividade espontânea e evocada por estímulos de redes intra - e inter-hemisféricas reflete a seletividade de axônios de longo alcance para ligar neurônios de propriedades de resposta semelhantes em distâncias mais longas. As interações neuronais seletivas podem ser vistas tanto na atividade de coerência na faixa de low-gamma quanto na atividade de populações simultaneamente ativas de neurônios abrangendo um ou ambos os córtices visuais. Os resultados são compatíveis com a interpretação de que essas conexões servem para antecipar e mediar prováveis operações de agrupamento entre neurônios que representam o meridiano vertical, como aquelas causadas por movimentos de cruzamento, frequentemente observados em cenas naturais, ou formas como o caso em gratings. Eles também confirmam que as conexões intra - e inter-hemisféricas dentro da representação do campo visual central no córtex visual primário provavelmente não são circuitos com funções distintas, mas formam uma única rede horizontal que continua até o outro hemisfério através do corpo caloso.
Chronic brain functional ultrasound imaging in freely moving rodents performing cognitive tasks
(Elsevier BV, 2023-12) Hady, Ahmed El; Takahashi, Daniel Yasumasa; Sun, Ruolan; Akinwale, Oluwateniola; Boyd-Meredith, Tyler; Zhang, Yisi; Charles, Adam S.; Brody, Carlos D.
Background: Functional ultrasound imaging (fUS) is an emerging imaging technique that indirectly measures neural activity via changes in blood volume. Chronic fUS imaging during cognitive tasks in freely moving animals faces multiple exceptional challenges: performing large durable craniotomies with chronic implants, designing behavioural experiments matching the hemodynamic timescale, stabilizing the ultrasound probe during freely moving behavior, accurately assessing motion artifacts, and validating that the animal can perform cognitive tasks while tethered. New method: We provide validated solutions for those technical challenges. In addition, we present standardized step-by-step reproducible protocols, procedures, and data processing pipelines. Finally, we present proof-of-concept analysis of brain dynamics during a decision making task. Results: We obtain stable recordings from which we can robustly decode task variables from fUS data over multiple months. Moreover, we find that brain wide imaging through hemodynamic response is nonlinearly related to cognitive variables, such as task difficulty, as compared to sensory responses previously explored. Comparison with existing methods: Computational pipelines in fUS are nascent and we present an initial development of a full processing pathway to correct and segment fUS data. Conclusions: Our methods provide stable imaging and analysis of behavior with fUS that will enable new experimental paradigms in understanding brain-wide dynamics in naturalistic behaviors
O desenvolvimento da catação em Callithrix jacchus (sagui-de-tufo-branco)
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2025-01-17) Campos, Ana Clara Macedo; Takahashi, Daniel Yasumasa; Santos, Silvana Cristina Lima dos; http://lattes.cnpq.br/8096492192703693; http://lattes.cnpq.br/4659230362946311; Souza, Arrilton Araújo de; http://lattes.cnpq.br/8822052460371633; Santos, Silvana Cristina Lima dos; http://lattes.cnpq.br/8096492192703693
Este estudo investigou os fatores que influenciam o comportamento de catação em filhotes de saguis-de-tufo-branco (Callithrix jacchus), com enfoque nas influências do sexo, do grupo familiar e dos parceiros de catação. O comportamento de catação, uma importante ferramenta social em primatas, foi analisado em 10 filhotes (5 machos e 5 fêmeas) distribuídos em três grupos familiares (colônias A, B e E). Os dados foram coletados por meio de observação direta, utilizando o método de amostragem focal, com registro de eventos de catação passiva e ativa até os 155 dias de idade pós-natal dos infantes. Os resultados indicaram que a catação ativa emerge por volta da nona semana de vida, mas é pouco frequente nesta fase do desenvolvimento. Não foram observadas diferenças significativas relacionadas ao sexo ou ao grupo familiar dos infantes na frequência de catação passiva ou ativa. Observou-se que aproximadamente 65% do tempo total de catação passiva dos filhotes foi realizado pelos reprodutores, enquanto os não reprodutores participaram em 21% do tempo, sem variação significativa entre os grupos familiares. Contudo, a análise revelou que o genitor predominante na catação variou entre as colônias: nas colônias A e B, as mães foram as principais responsáveis pela catação dos filhotes, enquanto na colônia E, o pai desempenhou esse papel. Este padrão pode estar relacionado a diferenças contextuais entre os grupos, embora o pequeno tamanho amostral da colônia E (2 animais) limite a generalização do achado. Ainda, estes resultados sugerem que, embora o cuidado parental seja consistente entre os grupos familiares em termos de proporção, podem haver diferenças específicas nos papéis desempenhados por cada progenitor. Estes resultados contribuem para uma melhor compreensão das dinâmicas sociais de saguis-de-tufo-branco e fornecem um quadro comparativo para estudos sobre a evolução de comportamentos sociais em primatas.
Domestication phenotype linked to vocal behavior in marmoset monkeys
(Elsevier, 2020-10) Ghazanfar, Asif A; Kelly, Lauren M; Takahashi, Daniel Yasumasa; Winters, Sandra; Terrett, Rebecca; Higham, James P
The domestication syndrome refers to a set of traits that are the by-products of artificial selection for increased tolerance toward humans [1-3]. One hypothesis is that some species, like humans and bonobos, "self-domesticated" and have been under selection for that same suite of domesticated phenotypes [4-8]. However, the evidence for this has been largely circumstantial. Here, we provide evidence that, in marmoset monkeys, the size of a domestication phenotype-a white facial fur patch-is linked to their degree of affiliative vocal responding. During development, the amount of parental vocal feedback experienced influences the rate of growth of this facial white patch, and this suggests a mechanistic link between the two phenotypes, possibly via neural crest cells. Our study provides evidence for links between vocal behavior and the development of morphological phenotypes associated with domestication in a nonhuman primate
Efeitos eletrofisiológicos do sevoflurano em neurônios piramidais da camada 5 do córtex auditivo primário do camundongo
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2023-05-15) Araújo, Aelton Silva; Leão, Emelie Katarina Svahn; https://orcid.org/0000-0001-7295-1233; http://lattes.cnpq.br/1279823352935722; https://orcid.org/0000-0001-5960-996X; http://lattes.cnpq.br/6864851885074431; Takahashi, Daniel Yasumasa; http://lattes.cnpq.br/4659230362946311; Leão, Ricardo Maurício Xavier
Anestésicos gerais são onipresentes na prática médica, mas os mecanismos celulares que promovem amnésia, analgesia, imobilidade e inconsciência modulando canais iônicos dependentes de voltagem e ligantes ainda são pouco compreendidos. Estudos recentes começam a mostrar a diversidade de diferentes anestésicos na regulação de canais iônicos específicos e que neurônios piramidais corticais são afetados por concentrações mais baixas do que interneurônios. Isso destaca que a anestesia geral não segue um mecanismo "geral", mas depende da escolha de anestésicos com efeitos específicos ao tipo celular que precisam ser estudados caso a caso. Por exemplo, os efeitos eletrofisiológicos de anestésicos voláteis, como o sevoflurano, são especialmente difíceis de estudar em preparações in vitro, no entanto, modelos biofísicos preveem a estabilização do estado aberto de canais de K+ dependentes de voltagem de baixo limiar (KV1.2). Aqui, tentamos dar um primeiro passo na identificação do perfil eletrofisiológico do sevoflurano em neurônios piramidais da camada 5 (L5 PNs) do córtex auditivo de camundongos adultos. Aplicamos sevoflurano passando a mistura de carbogênio através de um vaporizador para anestésico volátil, oxigenando e solubilizando o sevoflurano no líquido cefalorraquidiano artificial (aCSF) usado para gravações de patch-clamp de célula inteira. A concentração de sevoflurano em aCSF foi quantificada usando cromatografia gasosa-espectrometria de massa. Além disso, subdividimos os L5 PN em células do tipo A e B com base nas respostas a pequenos passos de corrente despolarizante e hiperpolarizante, uma vez que os L5 PNs do tipo A e B apresentam diferenças sutis nas propriedades da membrana que podem ser moduladas pelo sevoflurano. A quantificação das propriedades passivas e ativas da membrana antes e após a aplicação de sevoflurano em baixa dose (aproximadamente 22 µM) mostrou uma diminuição na frequência de disparo para ambos os tipos de células e um efeito específico de despolarização do limiar do potencial de ação do tipo A PNs (APthreshold no aCSF: -36.31 ± 0.94 mV; média ± E.P.M.; em sevo: -21.75 ± 4.39 mV; p = 0.009; n = 8 células) e aumento da meia-largura do potencial de ação do tipo B PNs (APHalf-width aCSF: 1.80 ± 0,13 ms; sevo: 2,29 ± 0.23; p = 0.041; n = 10). Gravações estáveis após a lavagem do sevoflurano restauraram parcialmente a frequência máxima inicial de disparo, o limiar do potencial de ação para o tipo A e a meia-largura do potencial de ação para o tipo B L5 PNs. Nossos resultados preliminares concluem que o sevoflurano diminui a frequência de disparo de ambos os tipos de L5 PNs, no entanto, as propriedades da membrana são afetadas diferencialmente dependendo do tipo celular. Este trabalho mostra pela primeira vez o efeito direto do sevoflurano em células piramidais corticais da camada 5 e contribui para o entendimento celular do mecanismo de ação dos anestésicos voláteis.
Evolução dos mecanismos de regulação da diferenciação sexual: uma análise em bioinformática
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2024-06-25) Silva, João Vitor Ferreira da; Sousa, Maria Bernardete Cordeiro de; Dalmolin, Rodrigo Juliani Siqueira; https://orcid.org/0000-0002-1688-6155; http://lattes.cnpq.br/4065178015615979; http://lattes.cnpq.br/8488760386226790; http://lattes.cnpq.br/9183882512056288; Lima, João Paulo Matos Santos; https://orcid.org/0000-0002-6113-8834; http://lattes.cnpq.br/3289758851760692; Takahashi, Daniel Yasumasa; http://lattes.cnpq.br/4659230362946311
O processo de diferenciação sexual compreende uma série de mecanismos biológicos fundamentais nas ciências da vida. Como uma questão primordial, a compreensão holística do tema requer o diálogo entre várias áreas de estudo como ecologia, genética, evolução, embriologia e endocrinologia. Devido a sua complexidade, é difícil estimar todo o conhecimento necessário para estudá-la completamente. Este trabalho propôs-se a realizar uma análise utilizando a bioinformática por meio de um método de enraizamento evolutivo de genes ortólogos selecionados na espécie humana. A seleção foi realizada manualmente devido à escassez de bancos de dados especializados no tema, totalizando mais de 300 genes. Essa abordagem permite observar padrões de presença e ausência dos genes selecionados em uma árvore filogenética. A iniciativa tem como objetivo fornecer novas percepções sobre a diferenciação sexual por meio de uma nova ferramenta, capaz de realizar comparações de ortólogos em larga escala. Essa abordagem é proposta como uma alternativa às limitações de estudos anteriores que utilizaram pequenos grupos de genes ortólogos.
Imageamento de cálcio em fatias frescas de cérebro para avaliação de alterações na atividade de neurônios piramidais do córtex auditivo primário de camundongos expostos ao ruído
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2020-12) Araujo, Aelton Silva; Takahashi, Daniel Yasumasa; Leão, Katarina Emelie Svahn; Leão, Richardson Naves; Sousa, Ingrid Nogueira
O zumbido é a percepção fantasma de um som na ausência de estímulo externo. Em modelos animais de zumbido induzido por ruído são relatadas alterações como hiperatividade e maior sincronia de neurônios no núcleo coclear dorsal, colículo inferior, núcleo geniculado medial e córtex auditivo primário. No entanto, ainda é necessário descrever quais classes neuronais são mais afetadas pela exposição ao ruído no córtex auditivo primário, região putativa para tratamentos que envolvem modulação da atividade neuronal. Utilizando um indicador de cálcio geneticamente codificado (GCaMP6f), analisamos os efeitos da exposição ao ruído na atividade de células excitatórias CamKIIα positivas das camadas infragranulares (5-6) em fatias frescas de cérebro de camundongos expostos ao ruído.
Investigação da expressão de egr-1 nos gânglios da base durante a produção e percepção vocal em Callithrix jacchus
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2024-06-17) Sá, Anna Gabriely Barroso de; Takahashi, Daniel Yasumasa; http://lattes.cnpq.br/4659230362946311; http://lattes.cnpq.br/3496180687690450; Schmidt, Kerstin Erika; Ribeiro, Sidarta Tollendal Gomes; Lima, Bruss Rebouças Coelho; Simões, Cristiano Soares
Um aspecto fundamental da comunicação humana é a fala flexível, que há muito se acredita ser exclusiva dos humanos entre os primatas. Entretanto, descobertas recentes sugerem que alguns primatas não humanos, como os saguis, também apresentam plasticidade vocal. A investigação dos correlatos neurais da flexibilidade vocal em saguis pode fornecer uma visão de suas origens em humanos devido às homologias cerebrais. Dentre as áreas cerebrais relacionadas ao comportamento vocal, muito se sabe das contribuições corticais, porém a função das regiões subcorticais é muito menos conhecida. Em particular, os gânglios da base estão relacionados à escolha/início de ações, ao controle motor fino e ao aprendizado de sequências motoras; portanto, é provável que sejam relevantes para a flexibilidade vocal. Aqui, usando dados histológicos coletados anteriormente e métodos estereológicos, testamos a hipótese de que o núcleo caudado e o putâmen, nos gânglios da base, são ativados durante a comunicação vocal e usamos a expressão do gene imediato egr-1 para mapear sua ativação em três grupos de saguis. O primeiro grupo não vocalizou durante o teste (C), o segundo grupo ouviu vocalizações de reprodução, mas não vocalizou (H/O), e o terceiro grupo ouviu chamadas de reprodução e vocalizou (H/V). Observamos um aumento na expressão de erg-1 em ambas as áreas na condição H/O em comparação com a condição C e um aumento ainda mais significativo na expressão de erg-1 nas mesmas áreas na condição H/V em comparação com a condição H/O. Para garantir a especificidade das alterações observadas, comparamos as células que expressam erg-1 nas áreas sensoriais e motoras primárias, não encontrando diferença significativa entre as três condições. Além disso, quantificamos a locomoção durante a hora que antecedeu o ponto final do experimento para descartar discrepâncias de movimento como explicação para as diferenças observadas entre os grupos na expressão de erg-1, sem encontrar correlação entre locomoção e variação de expressão. Nossos resultados indicam a ativação dos gânglios basais durante a audição e a produção da vocalização, independentemente de outras áreas cerebrais e movimentos corporais, o que corrobora nossa hipótese. A relevância dos gânglios basais no aprendizado vocal de aves canoras, juntamente com nossas descobertas em saguis, sugere sua importância na compreensão da evolução do aprendizado vocal.
Investigação das funções cognitivas do sono e dos sonhos através de eletroencefalografia, relatos verbais e jogos eletrônicos
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2022-12-14) Brandão, Daniel Soares; Ribeiro, Sidarta Tollendal Gomes; http://lattes.cnpq.br/0649912135067700; http://lattes.cnpq.br/0373631364509781; Takahashi, Daniel Yasumasa; Beijamini, Felipe; Brockington, Guilherme; Miguel, Mário André Leocádio; https://orcid.org/0000-0002-7248-3529; http://lattes.cnpq.br/9973095281534917
O sono é um estado mental e corporal importante para a consolidação das memórias. É muito conservado entre as espécies animais e provavelmente teve uma influência inicial e sustentada na evolução dos comportamentos de presas e predadores. A Teoria da Simulação de Ameaças afirma que sonhar também foi importante ao longo da evolução, devido à capacidade de alertar sobre possíveis ameaças futuras. Limitações metodológicas complicam as comparações de sono e sonhos entre presas e predadores em animais não humanos, mas isso pode ser resolvido convidando os humanos a jogar videogames. Propusemo-nos abordar a ligação entre sono, sonho e a dicotomia presa vs. predador em 13 pares de voluntários adultos que vieram ao laboratório e tiveram sua atividade cerebral registrada através de eletroencefalografia (EEG), enquanto jogavam um videogame um contra o outro por 45 minutos, então dormiam por 2 horas, tinham seus relatos de sonho coletados e então dormiam de novo por mais 45 minutos. No videogame, um participante foi caçado pelo outro em um confronto simulado de predador contra presa. Os resultados indicam que as presas relataram mais sonhos do que os predadores, e que os sonhos relacionados ao jogo contribuíram para a pontuação das presas. As presas também se beneficiaram de um sono mais profundo do que os predadores, o que também foi positivamente correlacionado com a pontuação das presas. Além disso, as presas apresentaram maior potência do EEG na banda de frequência delta (oscilações de ondas lentas entre 1 e 3 Hz), o que também favoreceu sua pontuação. Nenhum efeito foi encontrado para os fusos do sono. O desempenho da presa foi prejudicado pelo número de ocorrências do microestado C, um padrão de atividade elétrica associado com a falta de engajamento em tarefas propostas. Esses resultados sugerem que as ondas lentas durante o sono e os conteúdos dos sonhos relacionados ao jogo melhoram o desempenho pós-sono de indivíduos no papel de presa, enquanto nenhum benefício foi detectado para aqueles no papel de predador. Em conjunto, os resultados mostram que tanto o sono quanto os sonhos são importantes para a adaptação à situação de ser predado, mas não tão relevantes no contexto de ser um predador.
A mechanism for punctuating equilibria during mammalian vocal development
(Public Library of Science (PLoS), 2022-06-13) Varella, Thiago T.; Zanghi, Yisi S.; Takahashi, Daniel Yasumasa; Ghazanfar, Asif A.
Evolution and development are typically characterized as the outcomes of gradual changes, but sometimes such changes are abrupt: States of equilibrium can be punctuated by sudden change. Here, we studied the early vocal development of three different mammals: common marmoset monkeys, Egyptian fruit bats, and humans. Consistent with the notion of punctuated equilibria, we found that all three species undergo at least one sudden transition in the acoustics of their developing vocalizations. To understand the mechanism, we modeled different developmental landscapes. We found that the transition was best described as a shift in the balance of two vocalization landscapes. We show that the natural dynamics of these two landscapes are consistent with the dynamics of energy expenditure and information transmission. By using them as constraints for each species, we predicted the differences in transition timing from immature to mature vocalizations. Using marmoset monkeys, we were able to manipulate both infant energy expenditure (vocalizing in an environment with lighter air) and information transmission (closed-loop contingent parental vocal playback). These experiments support the importance of energy and information in leading to punctuated equilibrium states of vocal development
Neuronal correlates of locomotion speed in the dorsal CA1 of the rat hippocampus: new insights on the speed cells
(2019-12-06) Góis, José Henrique Targino Dias; Tort, Adriano Bretanha Lopes; ; ; Takahashi, Daniel Yasumasa; ; Pereira, Rodrigo Neves Romcy; ; Treptow, Werner; ; Figuerola, Wilfredo Blanco;
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.
Predicting soft robot’s locomotion fitness
(2021-07-07) Biazzi, Renata Biaggi; Fujita, André; Takahashi, Daniel Yasumasa
Organisms with different body morphology and movement dynamics have distinct abilities to move through the environment. Despite such truism, there is a lack of general principles that predict which shapes and dynamics make the organisms more fit to move. Studying a minimal yet embodied soft robot model under the influence of gravity, we find three features that predict robot locomotion fitness: (1) A larger body is better. (2) Two-point contact with the ground is better than one-point contact. (3) Out-of-phase oscillating body parts increase locomotion fitness. These design principles can guide the selection rules for evolutionary algorithms to obtain robots with higher locomotion fitness
Prenatal development of neonatal vocalizations
(ELife Sciences Publications, Ltd, 2022-07-26) Narayanan, Darshana Z; Takahashi, Daniel Yasumasa; Kelly, Lauren M; Hlavaty, Sabina I; Huang, Junzhou; Ghazanfar, Asif A
Human and non-human primates produce rhythmical sounds as soon as they are born. These early vocalizations are important for soliciting the attention of caregivers. How they develop, remains a mystery. The orofacial movements necessary for producing these vocalizations have distinct spatiotemporal signatures. Therefore, their development could potentially be tracked over the course of prenatal life. We densely and longitudinally sampled fetal head and orofacial movements in marmoset monkeys using ultrasound imaging. We show that orofacial movements necessary for producing rhythmical vocalizations differentiate from a larger movement pattern that includes the entire head. We also show that signature features of marmoset infant contact calls emerge prenatally as a distinct pattern of orofacial movements. Our results establish that aspects of the sensorimotor development necessary for vocalizing occur prenatally, even before the production of sound
A semi-parametric statistical test to compare complex networks
(2019-08-02) Fujita, Andre; Lira, Eduardo Silva; Santos, Suzana de Siqueira; Bando, Silvia Yumi; Soares, Gabriela Eleuterio; Takahashi, Daniel Yasumasa
The modelling of real-world data as complex networks is ubiquitous in several scientific fields, for example, in molecular biology, we study gene regulatory networks and protein–protein interaction (PPI)_networks; in neuroscience, we study functional brain networks; and in social science, we analyse social networks. In contrast to theoretical graphs, real-world networks are better modelled as realizations of a random process. Therefore, analyses using methods based on deterministic graphs may be inappropriate. For example, verifying the isomorphism between two graphs is of limited use to decide whether two (or more) real-world networks are generated from the same random process. To overcome this problem, in this article, we introduce a semi-parametric approach similar to the analysis of variance to test the equality of generative models of two or more complex networks. We measure the performance of the proposed statistic using Monte Carlo simulations and illustrate its usefulness by comparing PPI networks of six enteric pathogens.

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