Emergência de topologia de redes complexas a partir da auto-organização de neurônios in vitro - Antonello, Priscila Corrêa [UNIFESP] (2022)
Objetivo: Investigar como a auto-organização de neurônios in vitro conduz redes neuronais a desenvolverem topologia de redes complexas. Métodos: Neste estudo, foram analisadas as propriedades topológicas de redes inferidas a partir de técnicas de conectividade efetiva aplicadas a spike trains de neurônios hipocampais dissociados de ratos, durante a maturação das culturas entre 6 e 35 dias in vitro. Os dados empíricos foram extraídos de um conjunto de dados livremente disponível (TIMME et al., 2016a). A Entropia de Transferência Bivariada foi computada usando sinais binados e binarizados, derivados dos registros neurais, para construir redes ponderadas e direcionadas. As propriedades topológicas foram medidas usando métricas de teoria de grafos e comparadas durante diferentes estágios do desenvolvimento das redes. Resultados: Mudanças na topologia das redes incluíram um aumento esperado na densidade de arestas e o surgimento de um único componente grande conectado ao longo do tempo. Foi observada uma organização em arquitetura small-world como em trabalhos anteriores, e cinco motifs direcionados de 3 nós foram significativamente mais frequentes do que em redes aleatórias. O uso de um algoritmo de detecção de comunidades permitiu o rastreamento da divisão das redes em módulos não sobrepostos contendo um pequeno número de neurônios, com a maioria deles compreendendo neurônios próximos e maximizando a eficiência global dentro dos módulos. Além disso, foi realizada uma classificação da hubidade dos neurônios considerando grau, força, e duas medidas de centralidade. Encontramos uma relação entre as classificações dos neurônios nestas quatro medidas e a taxa de disparo, bem como seu papel topológico no que diz respeito às conexões fora dos módulos. Conclusões: Estes resultados sugerem que há uma organização da topologia das redes em desenvolvimento nestes arranjos neuronais progredindo de uma arquitetura mais segregada para uma arquitetura mais integrada, com propriedades de redes complexas. Os resultados, considerando módulos e hubidade, fornecem evidências da importância da localização física e da taxa de disparo dos neurônios na organização das redes neuronais, o que permitiu a formulação de uma nova hipótese sobre como as redes efetivas emergem das interações neuronais.