Functional organization and networ resilience in self-organizing clustered neuronal cultures

Abstract

Major dynamical traits of a neuronal network are shaped by its underlying circuitry. In several neurological disorders, the deterioration of brain's functionality and cognition has been ascribed to changes in the topological properties of the brain's circuits. To deepen in the understanding of the activity-connectivity relationship, neuronal cultures have emerged as remarkable systems given their accessibility and easy manipulation. A particularly appealing configuration of these in vitro systems consists in an assembly of interconnected aggregates of neurons termed 'clustered neuronal networks'.

These networks exhibit a complex dynamics in which clusters fire in small groups, shaping communities with rich spatiotemporal properties. The detailed characterization of this dynamics, as well as its resilience to perturbations, has been the main objective of this thesis. In our experiments we monitored spontaneous activity using calcium fluorescence imaging, which allows the detection of neuronal firing events with both high temporal and spatial resolution. The detailed analysis of the recorded activity, in the context of network theory and community analysis, allowed for the quantification of important properties, including the effective connectivity map and its major topological descriptors.

As major results, we observed that these clustered networks present hierarchical modularity, assortative mixing and the presence of a rich club core, a series of features that have also been observed at the scale of the brain. All these characteristic topological traits are associated with a robust architecture that reinforces and stabilizes network activity. To verify the existence of such robustness in our cultures, we studied their resilience upon chemical and physical damage. We concluded that, indeed, clustered networks present higher resilience compared to other configurations. Moreover, these clustered networks exhibited recovery mechanisms that can be linked to the balance between integration and segregation in the network, which ultimately tend to preserve network activity upon damage. Thus, these in vitro preparations offer a unique scenario to explore vulnerability in networks with topological properties similar to the brain. Moreover, the combination of all these approaches can help to develop models to quantify damage upon network degradation, with promising applications for the study of neurological disorders in vitro.

Desvelar la relación entre la red de conexiones anatómica y su emergente dinámica es uno de los grandes desafíos de la neurociencia actual. En este sentido, los cultivos neuronales han tomado un papel muy importante para entender esta cuestión, ya que fenomenologías fundamentales pueden ser estudiadas a escalas más tratables. Los cultivos neuronales se obtienen típicamente a base de disociar tejido neuronal de una parte específica del cerebro, corteza cerebral de rata en nuestro caso, y su cultivo en un medio adecuado. Neuronas en cultivo constituyen en 1-2 semanas una red nueva con una actividad espontánea rica.

Una de las preparaciones in vitro que ofrece mayor potencial es las 'redes clusterizadas'. Estas redes se auto-organizan de forma natural, formando grupos de neuronas (clústeres) interconectados a través de axones. La caracterización de la dinámica de estas redes clusterizadas, así como su sensibilidad a perturbaciones, ha sido el objetivo principal de esta tesis.

Así, hemos caracterizado la red funcional del cultivo a partir de su dinámica espontánea, desarrollando para ello un novedoso modelo fisicomatemático. Hemos observado que las redes tienen una conectividad modular, donde clústeres tienden a conectarse fuertemente en pequeños grupos, los cuales a su vez se conectan entre ellos. Además, las redes funcionales muestran propiedades topológicas clave, en especial asortatividad (interconexión preferente de clústeres con número similar de conexiones) y la existencia de un 'rich club' (grupo de clústeres con una interconectividad tan destacada que forman el núcleo fundamental de la red). Estas propiedades confieren una gran robustez y flexibilidad a la red. Por esta razón, en la tesis hemos investigado diferentes perturbaciones físicas y bioquímicas, demostrando que las redes clusterizadas son mucho más resistentes a daño que otras configuraciones, lo que refuerza la relación entre las propiedades topológicas descritas y resistencia al daño. Además, observamos que las redes presentaron diferentes mecanismos de reforzamiento entre conexiones para preservar la actividad de la red. Por ello, las redes clusterizadas constituyen una plataforma ideal para estudiar resistencia en redes o como sistema modelo aplicado a estudios de enfermedades neurodegenerativas, como por ejemplo Alzheimer.