Theoretical and experimental approaches for the initiation and propagation of activity in spatially embedded neuronal cultures

Abstract

Spatial embedding and inherited metric constraints are a fundamental trait of biological neuronal circuits. However their role in shaping connectivity and dynamics has been often disregarded, with models of neuronal networks paying much more attention to the distribution of connections in the quest for understanding network's behavior. In this thesis we aim at filling this gap by studying the importance of metric features in the complex connectivity- dynamics-noise interplay that shapes spontaneous neuronal activity.

This thesis combines experiments in rat dissociated neuronal cultures with theoretical analyses to better comprehend the relevance of spatial embedding. We developed a new theoretical model grounded on Ising Models to assess metric effects in neuronal cultures' behavior, and in the context of percolation approaches. Once metric effects were settled, we illustrated their relevance in shaping spontaneous activity by perturbing the structural connectivity blueprint of neuronal cultures. This was achieved by patterning the substrate where neurons grow, and by using topographical molds that dictated the connectivity of the network. Next, and since the initiation of bursting activity is governed in great manner by a complex amplification mechanism that involves metric correlations and noise, we focused on the metric-driven amplification of spontaneous single-neuron noise to derive an analytical model that predicts the frequency of bursting events in neuronal cultures. We then further investigated in an experimental context the contribution of noise to the observed activity patterns, and by implementing a moderate electrical stimulation protocol that increases the level of activity noise in cultures. Finally, the latter study was completed with experiments regarding the specific role of inhibition in neuronal networks, to provide a wider understanding of the mechanisms that govern the initiation and propagation of activity fronts in cortical cultures.

L'objectiu d'aquesta tesis és investigar els mecanismes que generen l'activitat espontània i estimulada en xarxes neuronals, més concretament en cultius corticals dissociats, i fent un especial èmfasi en l’efecte de les correlacions mètriques. En aquest marc, l’activitat col·lectiva consisteix en episodis esporàdics de dispars quasi sincronitzats entre totes les neurones del cultiu, anomenats “esclats de xarxa”. Tres elements principals en determinen les característiques: connectivitat entre neurones, dinàmica intrínseca neuronal, i soroll (activacions neuronals aleatòries).

La investigació s’ha centrat en cinc línies de recerca: l’estudi de correlacions mètriques en cultius neuronals; el desenvolupament d’un model teòric per descriure i predir l’esclat de xarxa; l’anàlisi de la propagació dels fronts d’activitat experimentals sota pertorbacions estructurals de la connectivitat del cultiu; l’estudi de l’efecte de la inhibició en la iniciació i propagació dels esclats ‘in vitro’; i l’estudi de la resposta experimental dels cultius sota una estimulació elèctrica moderada de baixa freqüència.

En la primera línia de recerca hem comprovat que les correlacions mètriques dominen el comportament dinàmic del cultiu, fins al punt d’emmascarar la contribució de la distribució del nombre de connexions. En la segona línia hem desenvolupat un model analític que prediu semi- quantitativament la freqüència dels esclats observada experimentalment. La tercera línia s’ha centrat en l’efecte de pertorbacions estructurals en la connectivitat; la dinàmica resultant ha mostrat una gran riquesa en patrons d’activitat, esclats de xarxa a diferents escales, i propagació altament específica de cada cultiu. La quarta línia de recerca ha demostrat que les xarxes sense inhibició disminueixen la seva freqüència d’esclat respecte a les xarxes control, que la velocitat de propagació de l’activitat incrementa lleugerament quan s’ha bloquejat la inhibició, i que els punts on s’inicien ens esclats varien respecte als controls. I, finalment, la cinquena línia de recerca ha constatat que l’aplicació d’un camp elèctric feble augmenta el soroll d’activitat de la xarxa, generant un increment en la freqüència dels esclats de xarxa.