Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/10216/128876
Author(s): Juliana Couras Fernandes Silva
Title: Characterization of synchronization periods in in vitro cultures of cortical neuronal networks with spontaneous activity
Issue Date: 2020-06-23
Abstract: Neuronal systems show coordinated spontaneous activity that impacts activity-dependent circuit formation relevant for physiological processes as memory formation, and non-physiological processes, as epileptic seizures. In vitro cortical cultures show spontaneous activity of short periods of highly coordinated activity - the synchronization periods (SP) - intercalated with longer periods of lower asynchronous activity. Several studies have investigated the mechanisms underlying the generation of this spontaneous activity, but how the neuronal system generates these SPs or if they can be predicted given the previous activity remains unclear. In this work, we show that clusters of SPs can be formed based on the temporo-spatial motif of its activity, its ignition subnetwork and its dynamics. Furthermore, in experiments with microelectrode arrays, we were able to find electrodes whose probability of a SP being about to start given that the electrode registered a spike was high could be used as a metric to identify electrodes, and consequently neurons, acting as predictors. Moreover, we show that highly cross-correlated peak values occur between electrodes whose activity oscillates in two frequency modes, suggesting that these electrodes could play a role in sustaining the network's spontaneous activity. Finally, by simulating cortical networks with minimal connectivity rules it was possible to replicate the SP pattern whose network firing rate ranges matched the experiments, thus suggesting structural components implicated in its generation. Overall, our results suggest that local connectivity, high out degree neurons and closed-loop networks may play a role sustaining the spontaneous activity and generating the SP pattern.
Description: Os sistemas neuronais exibem atividade espontânea coordenada essencial para a formação de circuitos neuronais dependentes da atividade que são relevantes em processos fisiológicos, como a formação de memória, e em processos não fisiológicos, como as convulsões. In vitro, as culturas corticais exibem atividade espontânea de curtos períodos de atividade altamente sincronizada - períodos de sincronização (PS) - intercalados com períodos de atividade assíncrona mais longos. Vários estudos investigaram os mecanismos por detrás da geração desta atividade espontânea, mas como os sistemas neuronais geram estes PSs ou se estes podem ser previstos dada a atividade prévia são questões que permanecem por esclarecer. Neste trabalho, mostramos que os PSs se podem classificar em agrupamentos com base nos seus motivos temporo-espaciais, na sua rede de ignição e na sua dinâmica. Além disso, em experiências com arrays de microeléctrodos, detetámos elétrodos cuja probabilidade de um SP acontecer dado que se registou atividade era mais alta do que o esperado, permitindo identificar estes elétrodos, e consequentemente neurónios, como preditores de PSs. Ademais, mostramos que os picos da correlação cruzada ocorrem entre elétrodos cuja atividade oscila entre dois modos de frequência, o que sugere que os neurónios registados por estes elétrodos podem ter um papel relevante na manutenção da atividade espontânea. Por fim, simulando redes corticais com regras de conectividade mínimas foi possível replicar o padrão de PSs com valores de taxas de disparo semelhantes às experiências, sugerindo, assim, componentes estruturais implicadas na sua geração. Em suma, os nossos resultados sugerem que a conectividade local, neurónios com um elevado grau de saída e sub-redes fechadas poderão ter um papel importante na sustentação da atividade espontânea que gera os PSs.
Subject: Ciências biológicas
Biological sciences
Scientific areas: Ciências exactas e naturais::Ciências biológicas
Natural sciences::Biological sciences
URI: https://hdl.handle.net/10216/128876
Document Type: Dissertação
Rights: restrictedAccess
Appears in Collections:FMUP - Dissertação

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