Functional organization and networ resilience in self-organizing clustered neuronal cultures

Desvelar la relacion entre la red de conexiones anatomica y su emergente dinamica es uno de los grandes desafios de la neurociencia actual. En este sentido, los cultivos neuronales han tomado un papel muy importante para entender esta cuestion, ya que fenomenologias fundamentales pueden ser estudiadas a escalas mas tratables. Los cultivos neuronales se obtienen tipicamente a base de disociar tejido neuronal de una parte especifica del cerebro, corteza cerebral de rata en nuestro caso, y su cultivo en un medio adecuado. Neuronas en cultivo constituyen en 1-2 semanas una red nueva con una actividad espontanea rica. Una de las preparaciones in vitro que ofrece mayor potencial es las 'redes clusterizadas'. Estas redes se auto-organizan de forma natural, formando grupos de neuronas (clusteres) interconectados a traves de axones. La caracterizacion de la dinamica de estas redes clusterizadas, asi como su sensibilidad a perturbaciones, ha sido el objetivo principal de esta tesis. Asi, hemos caracterizado la red funcional del cultivo a partir de su dinamica espontanea, desarrollando para ello un novedoso modelo fisicomatematico. Hemos observado que las redes tienen una conectividad modular, donde clusteres tienden a conectarse fuertemente en pequenos grupos, los cuales a su vez se conectan entre ellos. Ademas, las redes funcionales muestran propiedades topologicas clave, en especial asortatividad (interconexion preferente de clusteres con numero similar de conexiones) y la existencia de un 'rich club' (grupo de clusteres con una interconectividad tan destacada que forman el nucleo fundamental de la red). Estas propiedades confieren una gran robustez y flexibilidad a la red. Por esta razon, en la tesis hemos investigado diferentes perturbaciones fisicas y bioquimicas, demostrando que las redes clusterizadas son mucho mas resistentes a dano que otras configuraciones, lo que refuerza la relacion entre las propiedades topologicas descritas y resistencia al dano. Ademas, observamos que las redes presentaron diferentes mecanismos de reforzamiento entre conexiones para preservar la actividad de la red. Por ello, las redes clusterizadas constituyen una plataforma ideal para estudiar resistencia en redes o como sistema modelo aplicado a estudios de enfermedades neurodegenerativas, como por ejemplo Alzheimer.