Identification of neuronal network properties from the spectral analysis of calcium imaging signals in neuronal cultures

Neuronal networks in vitro are prominent systems to study the development of connections in living neuronal networks and the interplay between connectivity, activity and function. These cultured networks show a rich spontaneous activity that evolves concurrently with the connectivity of the underlying network. In this work we monitor the development of neuronal cultures, and record their activity using calcium fluorescence imaging. We use spectral analysis to characterize global dynamical and structural traits of the neuronal cultures. We first observe that the power spectrum can be used as a signature of the state of the network, for instance when inhibition is active or silent, as well as a measure of the network's connectivity strength. Second, the power spectrum identifies prominent developmental changes in the network such as GABAA switch. And third, the analysis of the spatial distribution of the spectral density, in experiments with a controlled disintegration of the network through CNQX, an AMPA-glutamate receptor antagonist in excitatory neurons, reveals the existence of communities of strongly connected, highly active neurons that display synchronous oscillations. Our work illustrates the interest of spectral analysis for the study of in vitro networks, and its potential use as a network-state indicator, for instance to compare healthy and diseased neuronal networks.

Autoevaluación: Fisiopatología del sistema endocrino

El sistema endocrino es un sistema indispensable para mantener el desarrollo, el crecimiento, la reproducción, el metabolismo y la homeostasis del organismo. Está constituido por células que liberan al torrente sanguíneo unas sustancias denominadas hormonas que actúan como «mensajeros químicos», de forma similar a los impulsos eléctricos que utiliza el sistema nervioso; producen efectos únicamente en las células diana, que son las que disponen de receptores específicos para dichas hormonas. Éstas son transportadas por el torrente circulatorio solas o asociadas a determinadas proteínas, y poseen un sistema de autorregulación a través de los ejes hipotalámico-hipofisoglandular utilizando mecanismos de retroalimentación; es decir, las hormonas segregadas por una glándula inhiben la liberación de las hipotalámicas y de las hipofisarias. En este contexto, es necesario recordar que al hacer referencia a las hormonas dentro del ámbito sanitario se utilizan siglas y abreviaturas derivadas del inglés con la intención de agilizar la comunicación científica. Los distintos síndromes endocrinos pueden deberse a dos mecanismos que no son excluyentes: la modificación del tamaño de la glándula y las modificaciones de la actividad funcional (hipofunción o hiperfunción), derivando sus manifestaciones clínicas del mecanismo causante. Las manifestaciones de hipo o hiperfunción vendrán dadas por el exceso o déficit de las acciones que fisiológicamente desempeñan las hormonas que están implicadas; además, un aumento de tamaño glandular podrá ocasionar lesión o compromiso de espacio en una localización anatómica o en sus estructuras próximas. Pese a que la alteración más común dentro del sistema endocrino es la diabetes mellitus, no se incluye en este cuestionario ya que su importancia radica en el síndrome metabólico que provoca. Debido a esto, se trató de ella dentro de la autoevaluación sobre fisiopatología del metabolismo, publicada en esta misma revista en el número 4 del volumen 29 (2011). A través del siguiente cuestionario se profundizará en algunos conceptos importantes dentro de la fisiopatología del sistema endocrino.