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Bursting dynamics and topological structure of in vitro neuronal networks

dc.contributor.advisorGeisel, Theo Prof. Dr.de
dc.contributor.authorStetter, Frank Olavde
dc.date.accessioned2012-11-15T15:59:49Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T13:40:54Zde
dc.date.available2013-01-30T23:51:12Zde
dc.date.issued2012-11-15de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-000D-F091-5de
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-2903
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-2903
dc.description.abstractDas 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.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de
dc.titleBursting dynamics and topological structure of in vitro neuronal networksde
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedDynamik von Bursts und topologische Struktur von neuronalen Netzwerken in vitrode
dc.contributor.refereeGeisel, Theo Prof. Dr.de
dc.date.examination2012-10-22de
dc.subject.dnb530 Physikde
dc.subject.gokRDH 200de
dc.description.abstractengThe 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.de
dc.contributor.coRefereeMoses, Elisha Prof. Dr.de
dc.contributor.thirdRefereeWolf, Fred Prof. Dr.de
dc.subject.topicPhysicsde
dc.subject.gerNeuronde
dc.subject.gerVerbindungende
dc.subject.gerKalzium-Fluoreszenzde
dc.subject.gerTransfer-Entropiede
dc.subject.gerKausalitätde
dc.subject.gerBurstsde
dc.subject.gerSynchronisationde
dc.subject.gerIn Vitrode
dc.subject.gerZellkulturde
dc.subject.gerEffektive Konnektivitätde
dc.subject.gerNetzwerkde
dc.subject.engneuronde
dc.subject.engconnectivityde
dc.subject.engcalcium fluorescencede
dc.subject.engtransfer entropyde
dc.subject.engcausalityde
dc.subject.engburstsde
dc.subject.engsynchronizationde
dc.subject.engin vitrode
dc.subject.engcultured networksde
dc.subject.engeffective connectivityde
dc.subject.engnetworkde
dc.subject.bk33.90de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-3792-2de
dc.identifier.purlwebdoc-3792de
dc.affiliation.instituteFakultät für Physikde
dc.identifier.ppn737899115de


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