Neuronal Assembly Detection and Cell Membership Specification by Principal Component Analysis

LOPES-DOS-SANTOS, V. , CONDE-OCAZIONEZ, S. ; NICOLELIS, M. A. L. , RIBEIRO, S. T. , TORT, A. B. L. . Neuronal assembly detection and cell membership specification by principal component analysis. Plos One, v. 6, p. e20996, 2011.

Detecting cell assemblies in large neuronal populations

Recent progress in the technology for single unit recordings has given the neuroscientific community theopportunity to record the spiking activity of large neuronal populations. At the same pace, statistical andmathematical tools were developed to deal with high-dimensional datasets typical of such recordings.A major line of research investigates the functional role of subsets of neurons with significant co-firingbehavior: the Hebbian cell assemblies. Here we review three linear methods for the detection of cellassemblies in large neuronal populations that rely on principal and independent component analysis.Based on their performance in spike train simulations, we propose a modified framework that incorpo-rates multiple features of these previous methods. We apply the new framework to actual single unitrecordings and show the existence of cell assemblies in the rat hippocampus, which typically oscillate attheta frequencies and couple to different phases of the underlying field rhythm

Modulaçao do estresse social sobre parâmetros fisiológicos, comportamentais, cognitivos e plasticidade neuronal em saguis (Callithrix jacchus) juvenis: um modelo psiquiátrico e cognitivo

Nos períodos críticos de plasticidade neural ocorre uma maior permissividade do sistema nervoso ao ambiente, por isto, a ação do estresse sobre o individuo e suas repercussões sobre áreas responsáveis pelo controle dos sistemas de resposta ao estresse e por funções cognitivas complexas vem recebendo bastante atenção. A utilização de modelos experimentais translacionais tem sido imprescindível na elucidação destes mecanismos e das patologias associadas. Diante disto, este trabalho investigou os efeitos do estresse social sobre parâmetros fisiológicos, comportamentais, cognitivos e sobre a neurogênese no córtex pré-frontal (CPF) durante um período crítico de plasticidade cerebral, a fase juvenil, em machos de Callithrix jacchus. Durante cinco meses, 5 animais foram acompanhados em suas famílias (GF) e 5 animais foram isolados socialmente por 4 meses (GI), após um mês em observação em ambiente familiar (fase basal- FB). Ao final do 5º mês foram aplicados 2 testes de memória de trabalho (MT) nos animais GF e GI. Em seguida, 3 animais de cada grupo foram sacrificados para análise do fator de neurogênese BDNF ( Brain Derived Neurotrophic Factor) por imunofluorescência no CPF (sub-regiões orbitofrontal e lateral). Os animais do GF não variaram significativamente o cortisol ao longo do estudo, enquanto o GI elevou o cortisol e comportamentos indicadores de ansiedade (CA) na primeira semana do isolamento. Em seguida, o GI apresentou uma redução no cortisol, nos CA, no peso corporal e um aumento de comportamentos estereotipados e da anedonia, alterações tipicamente depressivas em primatas não-humanos. Ao final, o GI apresentaram níveis de cortisol menores que em FB. Ambos os grupos apresentaram dificuldades em realizar e aprender as tarefas cognitivas e a presença de BDNF no córtex pré-frontal foi independente do grupo (GF ou GI), porém correlacionou-se com os níveis de cortisol presentes na ultima semana do estudo, e os animais com presença de BDNF no CPF lateral e orbitofrontal apresentaram maiores níveis de cortisol. Estes resultados contribuem no processo de validação do sagui como um bom modelo psiquiátrico translacional e aponta para possibilidade de estudos sobre transtornos depressivos na juventude e suas repercussões posteriores. Além disto, os resultados observados para as tarefas cognitivas levou-nos a fazer uma releitura dos protocolos utilizados em estudos de memoria de trabalho com animais adultos desta espécie, com a finalidade de aprimora-los facilitando a aprendizagem em animais juvenis, naives e em situações de estresse. Ademais, evidenciou-se pela primeira vez a relação do estresse, cortisol e níveis de BDNF, em animais juvenis desta espécie, com a fim de contribuir com sua utilização como modelo animal neurocognitivo.

Reprogramming of distinct astroglial populations into specific neuronal subtypes in vitro and in vivo

Recently, the field of cellular reprogramming has been revolutionized by works showing the potential to directly lineage-reprogram somatic cells into neurons upon overexpression of specific transcription factors. This technique offers a promising strategy to study the molecular mechanisms of neuronal specification, identify potential therapeutic targets for neurological diseases and eventually repair the central nervous system damaged by neurological conditions. Notably, studies with cortical astroglia revealed the high potential of these cells to reprogram into neurons using a single neuronal transcription factor. However, it remains unknown whether astroglia isolated from different regions of the central nervous system have the same neurogenic potential and generate induced neurons (iN) with similar phenotypes. Similarly, little is known about the fate that iNs could adopt after transplantation in the brain of host animals. In this study we compare the potential to reprogram astroglial cells isolated from the postnatal cerebral cortex and cerebellum into iNs both in vitro and in vivo using the proneural transcription factors Neurogenin-2 (Neurog2) and Achaete scute homolog-1 (Ascl1). Our results indicate cerebellar astroglia can be reprogrammed into induced neurons (iNs) with similar efficiencies to cerebral cortex astroglia. Notably however, while iNs in vitro adopt fates reminiscent of cortical or cerebellar neurons depending on the astroglial population used for reprogramming, in situ, after transplantation in the postnatal and adult mouse brain, iNs adopt fates compatible with the region of integration. Thus, our data suggest that the origin of the astroglial population used for lineage-reprogramming affects the fate of iNs in vitro, but this imprinting can be overridden by environmental cues after grafting.

Neuronal Assembly Detection and Cell Membership Specification by Principal Component Analysis

LOPES-DOS-SANTOS, V. , CONDE-OCAZIONEZ, S. ; NICOLELIS, M. A. L. , RIBEIRO, S. T. , TORT, A. B. L. . Neuronal assembly detection and cell membership specification by principal component analysis. Plos One, v. 6, p. e20996, 2011.

Detecting cell assemblies in large neuronal populations

Recent progress in the technology for single unit recordings has given the neuroscientific community theopportunity to record the spiking activity of large neuronal populations. At the same pace, statistical andmathematical tools were developed to deal with high-dimensional datasets typical of such recordings.A major line of research investigates the functional role of subsets of neurons with significant co-firingbehavior: the Hebbian cell assemblies. Here we review three linear methods for the detection of cellassemblies in large neuronal populations that rely on principal and independent component analysis.Based on their performance in spike train simulations, we propose a modified framework that incorpo-rates multiple features of these previous methods. We apply the new framework to actual single unitrecordings and show the existence of cell assemblies in the rat hippocampus, which typically oscillate attheta frequencies and couple to different phases of the underlying field rhythm