In Vitro Investigations of Antibiotic Influences on Nerve Cell Network Responses to Pharmacological Agents

Neuronal networks, derived from mouse embryonic frontal cortex (FC) tissue grown on microelectrode arrays, were used to investigate effects of gentamicin pretreatment on pharmacological response to the L-type calcium channel blocker, verapamil. Gentamicin is a broad spectrum antibiotic used to control bacterial contamination in cell culture. The addition of gentamicin directly to medium affects the pharmacological and morphological properties of the cells in culture. A reproducible dose response curve to verapamil from untreated cultures was established and the mean EC50 was calculated to be 1.5 ± 0.5 μM (n=10). 40 μM bicuculline was added to some cell cultures to stabilize activity and verapamil dose response curves were performed in presence of bicuculline, EC50 1.4 ± 0.1 μM (n=9). Statistical analysis showed no significant difference in verapamil EC50s values obtained in presence of bicuculline and hence the data was combined and a standard verapamil EC50 was calculated as 1.4 ± 0.13 μM (n=19). This EC50 was then used to compare verapamil EC50s obtained from neuronal cell cultures with chronic and acute exposures to gentamicin. FC cultures (21- 38 days old) were found to be stable in presence of 2300 μM gentamicin. The recommended concentration of gentamicin for contamination control is 5uL /1 ml medium (108 μM). At this concentration, the verapamil EC50 shifted from 1.4 ± 0.13 μM to 0.9 ± 0.2 μM. Given the limited data points and only two complete CRCs, statistical comparison was not feasible. However, there is a definite trend that shows sensitization of cells to verapamil in presence of gentamicin. The cultures exposed to 108 μM gentamicin for 5 days after seeding showed loss of adhesion and no data could be collected for pharmacological analysis. To conclude, acute gentamicin exposure of neuronal cell cultures causes increased sensitivity to verapamil and chronic or long term exposure to gentamicin may cause loss of adhesion of the cell culture by affecting the glial growth. The effect of chronic exposure to gentamicin on pharmacological responses to verapamil remains inconclusive

A Generic Framework for Real-Time Multi-Channel Neuronal Signal Analysis, Telemetry Control, and Sub-Millisecond Latency Feedback Generation

Distinct modules of the neural circuitry interact with each other and (through the motor-sensory loop) with the environment, forming a complex dynamic system. Neuro-prosthetic devices seeking to modulate or restore CNS function need to interact with the information flow at the level of neural modules electrically, bi-directionally and in real-time. A set of freely available generic tools is presented that allow computationally demanding multi-channel short-latency bi-directional interactions to be realized in in vivo and in vitro preparations using standard PC data acquisition and processing hardware and software (Mathworks Matlab and Simulink). A commercially available 60-channel extracellular multi-electrode recording and stimulation set-up connected to an ex vivo developing cortical neuronal culture is used as a model system to validate the method. We demonstrate how complex high-bandwidth (>10 MBit/s) neural recording data can be analyzed in real-time while simultaneously generating specific complex electrical stimulation feedback with deterministically timed responses at sub-millisecond resolution

AI controlled simulation based environmental assessment

Environmental assessment as complex assignment usually needs to use substitute economical methodologies to estimate environmental state instead of using direct valuing, since there are no absolute points of references and cross-couplings of causes and impacts are not transparent. In cases, when quantifying and clustering is ambiguous usage of FUZZY set theory can be suggested. AI controlled simulation assists in identifying of unknown cross-couplings, and in determining of relative importances from different points of views. This article highlights a complex simulation based environmental assessment methodology

Modeling methodologies of synergic effects related to climate change and sustainable energy management

The main aim of the present article is to highlight the synergic effects related to climate change and sustainable energy management. Due to our model and given methodology it is possible to examine the relations between the terms mentioned above. In our Knowledge Attributed Petri Net based simulation model the most significant elements are highlighted in question of integrating Cellular Neural Networks and Fuzzy Systems into an object oriented formal description. This methodology implies the importance of holistic approach - namely the usage of predefined risk categories, spreading of causes and effects in physical space - that is crucial in these investigations. Only marginal attention is paid to the synergic effects related to adaptation and mitigation efforts according to climate change. Taking every result into account, this methodologically complex subject is possible to examine from the point of sustainability

Plant-Derived Medicines with Potential Use in Wound Treatment

The skin is among the largest and one of the most important organs in the human body. It represents the first line of defence of the body; provides protection from mechanical impacts of the environment, limits the influence of variations in the temperature, prevents entrance of chemicals and microorganisms and restricts radiation effect. Skin damage affects all skin functions; therefore, wounds can compromise patient’s well-being, self-image, working capacity and independence. Due to all mentioned, a good wound management is necessary not only for the individual but also for the community. Herbal medicines have been used to accelerate wound healing since ancient times. Recently, scientists have been able to employ scientific methods to prove efficacy of many of these herbs and to get a better understanding of mechanisms of their actions. The popularity of herbal medicines may be explained by the perception that herbs cause minimal adverse effects. Preparations from traditional medicinal plants in wound management involve disinfection, debridement and the provision of suitable environment for natural healing process. In this chapter, the field of wound healing is briefly introduced. Further, the crucial information regarding plants, which are effectively used as wound healing agents in traditional medicine are gathered

How can cognitive enrichment revert the effects of stress

Tese de mestrado. Biologia (Biologia Humana e Ambiente). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011O sistema nervoso é responsável pelos processos que tornam a vida humana possível. Permite-nos pensar, sonhar e criar memórias. Controla as nossas acções mais básicas e involuntárias como piscar os olhos, respirar e manter os nossos corações a bater. Os neurónios são as unidades básicas do sistema nervoso, são células notáveis pela especialização para comunicação intercelular que apresentam. Normalmente os neurónios apresentam quatro regiões distintas: o corpo celular, dendrites, axónio e terminais pré-sinápticos. Entre a ponta de cada terminal sináptico e o ponto de contacto no neurónio seguinte há um pequeno espaço chamado sinapse. Cada neurónio pode ligar-se a cerca de 1000 a 10000 outros neurónios. Apesar de muitas destas conexões serem especializadas, todos os neurónios utilizam uma de duas possíveis formas de transmissão sináptica: eléctrica ou química. A força de ambas as formas de transmissão sináptica pode ser aumentada ou diminuída através da actividade celular. Esta plasticidade sináptica é vital para a formação de memórias e para os processos de aprendizagem. Long term potentiation de sinapses químicas é um dos modelos mais estudados para a formação de memórias no cérebro de mamíferos. O sistema nervoso pode ser dividido em duas partes principais: o sistema nervoso central (SNC), que é constituído pelo cérebro e espinal medula, e o sistema nervoso periférico (SNP), que consiste nos nervos craniais e espinais e gânglios associados. O sistema nervoso central pode ser dividido em sete partes: espinal medula, medula, ponte, cerebelo, mesencéfalo, diencéfalo e os hemisférios cerebrais. O córtex prefrontal poderá estar relacionado com a organização da informação interna e externa que é necessária para produzir comportamentos complexos. É a área cerebral que mais espaço ocupa no cérebro humano, e é maior na nossa espécie do que em outros primatas. Este facto poderá ser mais um indício de que o córtex prefrontal está envolvido em algumas capacidades consideradas inteligentes. Está também envolvido no processamento de informação cognitiva e emocional e nos processos de memória de trabalho ou working memory (WM). A working memory é uma memória temporária que é bastante útil no cumprimento de tarefas. O hipocampo é outra zona do cérebro, também muito importante na formação de memória (em especial, memória espacial) e na aprendizagem. As funções do hipocampo podem varar entre espécies, mas a maior parte dos estudos são convergentes, no que respeita a caracterização da anatomia e fisiologia desta área. O hipocampo está ligado ao córtex prefrontal, sendo que esta conexão é feia por axónios que têm origem no subículo e terminam nos neurónios piramidais do PFC. O stress é um aspecto comum nas nossas vidas diárias, mas ainda assim há alguma ambiguidade no que toca à sua definição. É um desafio real ou percepcionado, quer endógeno quer exógeno, que perturba o equilíbrio natural do organismo – homeostase. Os humanos e outros animais respondem a estes desafios desencadeando uma série de mecanismos neuronais, endócrinos, neuro-endócrinos e metabólicos. O impacto do stress no cérebro tem recebida imensa atenção nos últimos anos, tanto da parte de neurologistas como de leigos. De facto, o cérebro é o principal órgão por detrás da resposta ao stress: determina o que é ou não uma ameaça, coordena as reacções que cada um tem, e altera-se, estrutural e funcionalmente como resultado de experiências stressantes. Uma das principais respostas ao stress é a activação do eixo HPA (hipotálamo-pituitária-adrenal). Os danos no córtex prefrontal e no hipocampo em consequência de episódios de stress ou de stress crónico estão bem descritos. Em 2007, Cerqueira demonstrou que a plasticidade sináptica entre o hipocampo e o córtex prefrontal diminui depois de um período de stress crónico e que os efeitos do stress neste circuito são devidos a atrofia neuronal, e não a perda de neurónios. Assim, este trabalho propôs-se a tentar compreender como é que estes efeitos do stress poderão ser revertidos. Para isso, utilizámos ratos Wistar Han como modelo animal, e criámos quatro grupos distintos: animais stressados, animais stressados que foram sujeitos a uma tarefa cognitiva, animais controlo e animais controlo que foram submetidos à mesma tarefa. Posteriormente, avaliámos dois parâmetros em cada grupo: plasticidade sináptica e análise morfológica. Para esse efeito utilizámos um protocolo de electrofisiologia. Um estímulo eléctrico no hipocampo gera uma resposta no córtex prefrontal, e essa resposta pode ser aumentada se for induzido LTP. No entanto esse aumento (ou potenciação do sinal) não é tão elevado em animais stressados, sendo por isso uma boa medida para avaliar se o hole board consegue ou não reverter a perda de plasticidade sináptica neste circuito. A análise morfológica consistiu em reconstruir neurónios em três dimensões, utilizando o software Neurolucida e assim conseguir avaliar a quantidade de dendrites, o seu comprimento, e a densidade de espinhas de cada neurónio estudado. Os nossos resultados demonstram que o treino no hole board foi bem sucedido, já que todos os animais aprenderam a tarefa. No entanto, os animais stressados têm mais dificuldade em aprender a tarefa. No protocolo de electrofisiologia, os resultados foram os esperados, os animais stressados demonstraram menor plasticidade sináptica, enquanto que os animais que fizeram a tarefa cognitiva demonstraram maior plasticidade sináptica, embora o aumento da resposta do prefrontal córtex não fosse tão elevado como nos controlos. Em relação à análise morfológica, os resultados também corresponderam ao esperado. Em praticamente todos os parâmetros foi visível a recuperação dos animais que treinaram no hole board, como por exemplo no número de ramos dendríticos, no seu comprimento ou ate na densidade dendrítica de espinhas. Em conclusão, este estudo demonstrou que uma tarefa cognitiva, neste caso o hole board, pode reverter alguns efeitos do stress, incluindo a perda de plasticidade sináptica e a atrofia neuronal na conexão entre i hipocampo e o córtex prefrontal.It is known that stress has negative effects on our health. It is important to understand how stress affects us and how we can revert those effects. We proposed the hypothesis that some consequences of stress might be reverted through cognitive enrichment. So, using Wistar Han rats as an animal model, we formed four groups of animals: control animals, control animals that performed a cognitive enrichment task (hole-board), stressed animals, and stressed animals that performed the same task. We then evaluated two parameters on every animal: synaptic plasticity between the prefrontal cortex (PFC) and the hippocampus and morphological correlate. After analyzing the results, we could conclude that the cognitive enrichment task can, indeed, revert some effects of stress, including the loss of synaptic plasticity and neuronal atrophy