Bursting dynamics and topological structure of in vitro neuronal networks

Abstract

Das Verhältnis von Struktur und Dynamik wird untersucht im Fall von neuronalen Netzwerken in vitro. Der prominenteste Aspekt der Dynamik dieser Zellkulturen ist das Auftreten von Phasen global synchroner Aktivität, so genannter Bursts. Wie in den vergangenen Jahren gezeigt wurde, ist der Beginns solcher Bursts gekennzeichnet durch eine zeitlich hierarchische Abfolge, und wir untersuchen die Frage, inwieweit dies durch die zu Grunde liegende Struktur bestimmt ist. Wir zeigen, dass in silico die erwartete Zeit der erstmaligen Aktivierung eines Neurons relativ zum Burst-Beginn mit hoher Genauigkeit vorhergesagt werden kann, wenn seine topologische Nachbarschaft miteinbezogen wird. Dies stellt die große Bedeutung der Netzwerk-Struktur für die neuronale Dynamik hervor und führt zu der Frage, inwieweit diese Struktur auf Grund von Beobachtungen der Dynamik bestimmt werden kann. Das Maß für die Aktivität sind Kalzium-Fluoreszenz-Aufnahmen, die die gleichzeitige Vermessung von Tausenden von Neuronen erlaubt. Wir zeigen, dass die kausalen Einflüsse zwischen zwei Neuronen vom dynamischen Zustand des Netzwerkes abhängen. Ein sehr guter Überlapp zwischen effektiven und strukturellen Verbindungen, und folglich eine gute Rekonstruktion, kann dennoch erreicht werden durch ein neues Maß der Kausalität, welches wir „verallgemeinerte Transfer-Entropie“ nennen. Schließlich demonstrieren wir die Selbstkonsistenz des vorgestellten Ansatzes durch Vorhersage von dynamischen Aspekten mit Hilfe der rekonstruierten Netzwerkstruktur.