VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Медицинская биофизика. Нейробиофизика

Динамика импульсной активности определяет эффективность межмодульной связи в модульных сетях in vitro

Я.И. Пигарева1,2*, А.А. Гладков1,2, В.Н. Колпаков1,2, А.С. Букатин3,4, М.С. Землянсков1, В.Б. Казанцев1, А.С. Пимашкин1, И.В. Мухина1,2

1.ННГУ;
2.Приволжский исследовательский медицинский университет;
3.Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж. И. Алфёрова Российской академии наук;
4.Институт аналитического приборостроения Российской академии наук;

* pigareva(at)neuro.nnov.ru

Множество работ посвящено изучению сложной организации структурных и функциональных сетей мозга, однако связь топологии и информационной обработки все еще недостаточно понятна. В последние годы было показано, что нейронные сети мозга обладают модульной организацией, которая способствует эффективной интеграции и распределению информации, устойчивости к повреждениям и быстрой адаптации. Сегрегация нейрональных культур на связанные участки (модули) приводит к формированию паттерна спонтанной активности, отвечающей свойствам модульных систем. Так, каждый из модулей обладает собственной спонтанной пачечной активностью, и в тоже время, часть пачек распространяется от одного модуля к другому с последующей инициацией в нем ответной пачки импульсов. Микрофлюидные методы позволяют сформировать нейронные сети с контролируемым числом модулей и межмодульных связей, а совмещение их с микроэлектродными матрицами - изучать их функциональное взаимодействие с высоким пространственным и временным разрешением. Целью исследования было исследовать взаимосвязь внутримодульной активности нейрональных культур in vitro и эффективности межмодульного взаимодействия.



Методы исследования. Исследование выполнено на экспериментальной модели первичных культур клеток гиппокампа эмбрионов мышей линии С57BL/6. Экспериментальная модель однонаправленно связанных нейронных сетей разработана с использованием методов микрофлюидики и мягкой литографии. Культивирование клеток проводилось в двух камерах микрофлюидного чипа из полидиметилсилоксана (ПДМС), соединенных асимметричными микроканалами так, что между сетями образовывалась направленная связь от сети-Источника в сеть-Приемник. Чипы совмещались с микроэлектродными матрицами с 60 электродами (Multichannel systems, Германия). Регистрация биоэлектрической активности проводилась при помощи установки MEA2100-2x60-System-E (Multichannel systems, Германия) с частотой дискретизации 20 кГц. Детектирование импульсов и пачек импульсов проводилось с помощью разработанных ранее методов в среде Matlab [1]. Данные представлены в виде медианы и перцентилей (75 и 25).



Результаты. Показано, что спонтанная активность, наблюдаемая в модулях, может быть отнесена к двум разным типам по форме распределения таких характеристик, как частота импульсов в пачке и длительность пачки. Нейрональные сети, характеризующиеся наличием кластера “крупных” пачек обладали более высокими уровнями внутримодульной активности, а именно более длинными пачками и большим числом импульсов в пачке. Такая динамика соответствовала и большим уровням межмодульной активности, которая представляла из себя пачки, распространяющиеся из модуля Источника и вызывающие пачку в модуле Приемник. Число распространяющихся пачек составляло 23% (+16.75 -4; n = 11), если активность содержала кластер “крупных” пачек. В нейросетях с активностью без “крупных пачек”, процент таких пачек был менее 4% (+2 -12.25; n = 9; p<0.05; критерий Манна-Уитни).



Выводы. Эффективность взаимодействия модулей, выраженная через процент пачек нейронной сети модуля Источника, инициирующих пачку в модуле Приемнике, определяется не только сформированной связью, но и большей эффективностью внутримодульной активности.



Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-75-10154, https://rscf.ru/project/21-75-10154/.



Литература



1. Gladkov A., Pigareva Y., Kutyina D., Kolpakov V., Bukatin A., Mukhina I., Kazantsev V., Pimashkin, A. Design of cultured neuron networks in vitro with predefined connectivity using asymmetric microfluidic channels. Scientific reports. 2017, 7(1), 15625.

The dynamics of bursting activity determines the efficiency of intermodular connections in modular networks in vitro

Y.I. Pigareva1,2*, A.A. Gladkov1,2, V.N. Kolpakov1,2, A.S. Bukatin3,4, M.S. Zemlyanskov1, V.B. Kazantsev1, A.S. Pimashkin1, I.V. Mukhina1,2

1.N.I. Lobachevsky National Research Nizhny Novgorod State University;
2.Privolzhsky Research Medical University;
3.Alferov Saint-Petersburg National Research Academic University of the Russian Academy of Sciences;
4.Institute for Analytical Instrumentation of the RAS;

* pigareva(at)neuro.nnov.ru

Numerous studies have investigated the complex organization of the brain’s structural and functional networks, but the relationship between topology and information processing is still not well understood. In recent years, it has been shown that brain neural networks have a modular organization that promotes efficient integration and separation of information, resistance to damage, and rapid adaptation. Modular systems combine the properties of functional differentiation and integration. The segregation of neuronal cultures into related areas (modules) makes it possible to obtain the dynamics of spontaneous activity corresponding to the modular systems’ properties. Each module has its own spontaneous burst dynamics, and some bursts propagate from one module to another, initiating a response burst in the Target module. Microfluidic techniques enable the formation of neural networks with a controlled number of modules and intermodule connections. Combination with microelectrode arrays these methods provide high spatial and temporal resolution for investigating functional interaction Our work aimed to investigate the relationship between the intramodular activity of neuronal cultures in vitro and the effectiveness of intermodular interaction.



Research methods. The study was performed on an experimental model of primary cell cultures of the hippocampus of C57BL/6 mouse embryos. A microfluidic chip was developed using soft lithography from polydimethylsiloxane (PDMS). Cell cultivation was performed in two chambers connected by asymmetric microchannels creating a directional connection between the Source and the Target networks. The chip was combined with a microelectrode array with 60 electrodes (Multichannel systems, Germany). Bioelectrical activity was registered using the MEA2100-2x60-System-E device (Multichannel systems, Germany) with a sampling frequency of 20 kHz. Spike and burst detection was performed using previously developed software and the MatLab software package [1]. Data are presented as median and percentile.



Results. Our study showed that the spontaneous activity observed in the modules can be classified into two types based on the distribution of burst’s characteristics as the Spike rates in a burst and the Duration of a burst. The neural networks with a cluster of “large” bursts exhibited higher levels of intramodular activity, including longer bursts and a greater number of spikes per burst.

At the same time, such dynamics corresponded to increased levels of inter-module activity, which consisted of bursts propagating from the Source to the Target module. The percentage of bursts propagating was 23% (+16.75 -4; n = 11) in neural networks with a cluster of “large” bursts. In neural networks with activity without “large” bursts, the percentage of propagated bursts was less than 4% (+2 -12.25; n = 9; p<0.05; Mann-Whitney test).



Conclusions. The efficiency of module interaction, expressed as the percentage of Source module bursts that initiate a burst in the Target module, depends not only on the formed connection, but also on the intramodular activity.



This work was supported by the Russian Science Foundation (21-75-10154), https://rscf.ru/project/21-75-10154/.



References



1. Gladkov A., Pigareva Y., Kutyina D., Kolpakov V., Bukatin A., Mukhina I., Kazantsev V., Pimashkin, A. Design of cultured neuron networks in vitro with predefined connectivity using asymmetric microfluidic channels. Scientific reports. 2017, 7(1), 15625.



Докладчик: Пигарева Я.И.
156
2023-02-15

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists