Bursting dynamics and topological structure of in vitro neuronal networks
Dynamik von Bursts und topologische Struktur von neuronalen Netzwerken in vitro
by Frank Olav Stetter
Date of Examination:2012-10-22
Date of issue:2012-11-15
Advisor:Prof. Dr. Theo Geisel
Referee:Prof. Dr. Theo Geisel
Referee:Prof. Dr. Elisha Moses
Referee:Prof. Dr. Fred Wolf
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Abstract
English
The complex relationship between network structure and dynamics is investigated in neuronal networks in vitro. The most prominent dynamics in these cultured networks is synchronous bursting. As the onset of these bursts has recently been shown to be highly non-random, we study this part of the dynamics to understand the extent to which it is determined by the network structure. We find that, in silico, one can predict the expected first firing time of a given neuron relative to the burst onset with high accuracy, by taking its topological neighborhood into account. This highlights the strong impact of network structure on neuronal dynamics and leads to the question to what extent we can determine the network structure based on observing a period of dynamics. The measure of choice is calcium fluorescence imaging, which allows for the simultaneous recording from thousands of neurons. We find that the causal influences between pairs of cells depend on the dynamical state of the network. A very good overlap between structural and effective connectivity, and thus a good reconstruction, can nonetheless be achieved by a novel measure of causality which we propose. We call this measure Generalized Transfer Entropy. We finally demonstrate the self-consistency of our approach by predicting dynamics based on the reconstructed topology.
Keywords: neuron; connectivity; calcium fluorescence; transfer entropy; causality; bursts; synchronization; in vitro; cultured networks; effective connectivity; network
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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.
Schlagwörter: Neuron; Verbindungen; Kalzium-Fluoreszenz; Transfer-Entropie; Kausalität; Bursts; Synchronisation; In Vitro; Zellkultur; Effektive Konnektivität; Netzwerk