Functional connectivity at multiple scales: From neuronal cultures to human brain

Abstract

[eng] One of the greatest challenges in the field of neuroscience is to obtain an accurate functional description of the brain that allows us to understand the functioning of higher complexity cognitive processes such as memory or consciousness. Many techniques are used to fit in the various experimental paradigms, among which the functional magnetic resonance (fMRI) imaging stands out. Another standard procedure is the calcium fluorescence imaging, a technique that allows the monitoring of neuronal activations over time thanks to the changes in calcium concentration in the synaptic cleft. This thesis aims to study the functional connectivity of a complex multiscale system, the brain, in a healthy aging paradigm. To achieve this objective, two complementary lines of research have been followed: a mesoscopic approach with primary rat neuronal cultures and a whole–brain study, i.e., at a large scale, using brain spontaneous activity from healthy participants. Throughout the first line of research, neuronal cultures have been developed on surfaces with a certain topography —track and square obstacles— that enabled to characterize the functional features and the dynamical richness of the emerging spontaneous activity. The second line of research has addressed the analysis of the fMRI signal from healthy participants as well as the characterization of the functional networks that derive from connectivity matrices. As a secondary objective, we analysed how the filtering methods affected these functional indicators extracted from the connectivity matrices. In neuronal cultures, and regarding the track’s configuration, we have observed that the activation dynamics was substantially different from the one observed in standard, flat surface cultures. The parallel lines completely break the isotropy of the surface creating a privileged direction in the connections with neighbouring neurons. However, there is a certain possibility that neurons connect transversely, which originate activations throughout the entire neuronal culture. We note that in this paradigm it is no longer possible to assume that the propagation takes place following a circular wave front. Indeed, we found a rapid propagation velocity along the track and a slower speed of propagation in the transverse direction. Finally, local and global measures of segregation and integration such as global efficiency, aggregation coefficient or degree of connectivity have been analysed. This study has allowed us to better understand communication throughout the culture and the dynamic changes of spontaneous activity. Thanks to transfer entropy algorithms to unveil information flow, we have found that cultures with square and track configurations show an effective modular organization, while homogeneous cultures on a flat surface show a more random organization. Effective connectivity analyses have revealed the emergence of spatially compact functional modules that can be associated with topographical features and spatiotemporal activity fronts. All these results support the assumption that the introduction of patterns as physical perturbation modifies the functional dynamics of neuronal cultures and endows them with greater dynamical richness. Regarding the analysis of fMRI signal, the results seem to indicate that the analysis methods fALFF (fractional Amplitude of low-frequency fluctuations) and ReHo (Region Homogeneity) correctly describe the aging process of a healthy population, that is, without decline of cognitive performance, and highlight two interesting facts. On the one hand, fALFF shows that there is a significant difference in low–intensity fluctuations as aging occurs. Other studies have reported a loss of functional connectivity without the manifestation of a decline in neuropsychological measurements or participant performance. On the other hand, ReHo indicates an increase in regional synchrony when comparing the oldest group with the other age groups. This increase in synchronization has been described in other studies as a compensatory mechanism, in which certain regions need greater coherence to continue operating without any decline in neuropsychological performance indicators. We therefore believe that ReHo could be describing the process of healthy aging. In relation to the exploration of filtering methods, we have been able to verify that the most stable technique is TMFG (Triangulated Maximally Filtered Graph). It is also the technique that is furthest away from the null model, i.e., the random distribution of signal correlation, throughout all the connectivity indicators studied. In addition, the advantage of this technique is that it preserves the maximum information stored in the connectivity matrix by eliminating redundant or spurious connections.

[cat] Un dels grans reptes en el camp de la neurociència consisteix a obtenir una descripció funcional del cervell més acurada que ens permeti entendre el funcionament de processos cognitius de complexitat superior com la memòria o la consciència. Són moltes les tècniques emprades en els paradigmes experimentals, entre les quals destaca l’adquisició d’imatges mitjançant ressonància magnètica funcional (fMRI). Un altre procediment habitual consisteix a utilitzar la fluorescència amb ions de calci, una tècnica que permet monitorar l’activació neuronal al llarg del temps gràcies al canvi en la concentració de calci a l’espai postsinàptic. Aquesta tesi té per objectiu l’estudi de la connectivitat funcional d’un sistema complex multiescala, el cervell, en un paradigma d’envelliment sa. Per aconseguir aquest objectiu s’han seguit dues línies de recerca complementàries: un enfocament mesoscòpic amb cultius neuronals primaris de rata i un estudi whole–brain, és a dir de tot el cervell, a gran escala, emprant senyal cerebral de participants sans. Al llarg de la primera línia de recerca s’han desenvolupat cultius neuronals en superfícies amb una topografia determinada —línies i obstacles quadrats— que han permès caracteritzar els trets funcionals i la riquesa dinàmica de l’activitat espontània subjacent. En la segona línia de recerca s’ha abordat l’anàlisi del senyal fMRI provinent de participants sans així com la caracterització de les xarxes funcionals que es deriven de les matrius de connectivitat. Com a objectiu secundari, s’ha analitzat com els mètodes de filtratge sobre de les matrius de connectivitat afecten a aquests indicadors funcionals. Pel que fa al patró de línies, hem observat com la dinàmica d’activació és substancialment diferent de la dels cultius en superfície llisa. Les línies paral·leles trenquen totalment la isotropia de la superfície on creixen les neurones, creant una direcció privilegiada en les connexions amb les neurones veïnes. Malgrat tot, hi ha una certa possibilitat que les connexions es donin transversalment originant activacions al llarg de tot el cultiu. Cal destacar que en aquest paradigma ja no es pot assumir que la propagació es doni seguint un front circular, de fet s’ha constatat que hi ha una velocitat de propagació ràpida al llarg de la pista i una velocitat més lenta de propagació en la direcció transversal. Per últim, s’han analitzat mesures locals i globals de segregació i integració tals com l’eficiència global, el coeficient d’agregació o el grau de connectivitat. Aquest estudi ens ha permès entendre millor la comunicació al llarg del cultiu i les variacions dinàmiques de les activacions espontànies. Gràcies a l’ús d’algoritmes de transferència d’entropia per a quantificar el flux d’informació en la xarxa neuronal, s’ha trobat que els cultius amb patrons quadrats i línies mostren una organització funcional efectiva modular, mentre que els cultius homogenis sobre superfície llisa mostren una organització més aleatòria. Les anàlisis de connectivitat efectiva han revelat l’aparició de mòduls funcionals espacialment compactes i que es poden associar a les característiques topogràfiques i als fronts d’activitat espai–temporal. Tots aquests resultats donen suport al supòsit que la introducció de patrons com a pertorbació física modifiquen la dinàmica funcional dels cultius neuronals i els doten d’una major riquesa dinàmica. Respecte a l’anàlisi de senyal fMRI, els resultats semblen indicar que els mètodes d’anàlisi fALFF (de l’anglès fractional Amplitude of low-frequency fluctuations) i ReHo (Regional Homogeneity) descriuen correctament el procés d’envelliment sa (sense declivi del rendiment cognitiu) d’una població i posen de manifest dos elements interessants. D’una banda, fALFF mostra que hi ha una diferència significativa en les fluctuacions de baixa intensitat a mesura que es dona l’envelliment. Altres estudis han reportat una pèrdua de connectivitat funcional sense que hi hagi un declivi en les mesures neuropsicològiques ni en el rendiment del participant. D’altra banda, ReHo indica un augment de la sincronia regional quan es compara el grup de més edat amb la resta de grups d’edat. Aquest augment de sincronització s’ha descrit en altres estudis com un mecanisme compensatori en el qual determinades regions necessiten major coherència per a continuar funcionant sense que s’apreciï cap baixada en indicadors de rendiment neuropsicològic. Creiem, doncs, que ReHo podria estar descrivint el procés d’envelliment sa. Amb relació a l’exploració dels mètodes de filtratge, hem pogut constatar que la tècnica més estable és la de TMFG (de les sigles en anglès de Triangulated Maximally Filtered Graph). També és la tècnica que més s’allunya del model nul, és a dir de la distribució aleatòria de correlació de senyals, en els indicadors de connectivitat estudiats. A més, l’avantatge d’aquesta tècnica és que conserva la màxima informació continguda en la matriu de connectivitat tot eliminant les connexions redundants o espúries.