Τεχνικές ανάλυσης της λειτουργικής συνδεσιμότητας στην CA1 περιοχή του ιππόκαμπου μυών
Creators: name: Λέσκα, Βαλσάμω Νικολάου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2017
Subjects: Ιππόκαμπος Μυών
Λειτουργική Συνδεσιμότητα
Γράφο-θεωρητική Ανάλυση
Hippocampus of mice
Functional Connectivity
Complex Network Analysis

description: Ο ιππόκαμπος αποτελεί από τις σημαντικότερες περιοχές του εγκεφάλου με εμπλοκή σε πολλές εγκεφαλικές λειτουργίες, και ειδικά σε μορφές μάθησης και μνήμης. Ημελέτη της λειτουργικής συνδεσιμότητας σε συγκεκριμένηπεριοχή του ιππόκαμπου μπορεί να δώσει σημαντικές πληροφορίες για τη δραστηριότητα των νευρικών κυττάρων της περιοχής. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η γράφο-θεωρητική ανάλυση(complex network theory) με στόχο την μοντελοποίηση και την ανάλυση της λειτουργικής συνδεσιμότητας της CA1 περιοχής του ιππόκαμπου μυών. Τα τελευταία χρόνια, για τη χαρτογράφηση των λειτουργικών συνδέσεων μεταξύ διαφόρων περιοχών του εγκεφάλου, όπως ο ιππόκαμπος, χρησιμοποιούνται ευρέως σύγχρονες μέθοδοι οπτικής καταγραφής, οι οποίες βοηθούν στην απεικόνιση της χωροχρονικής δραστηριότητας του νευρικού ιστού. Τα δεδομένα που αναλύθηκαν σε αυτή τη διατριβή προήλθαν από οπτικές καταγραφές, χρησιμοποιώντας διέγερση σε γενετικά τροποποιημένες τάσεο-ευαίσθητες πρωτεΐνες σε ποντίκια. Τα δεδομένα αυτά χωρίζονται σε δύο κατηγορίες ανάλογα με το αν στα ποντίκιαέχει χορηγηθεί συγκεκριμένη φαρμακευτική αγωγή ή όχι.Τα πειράματα έγιναν σε φέτες (slices)ποντικών σε τρία (3) διαφορετικά ποντίκια.Οι μεμονωμένες απόκρισεις που παίρνουμε από τις οπτικές καταγραφές είναι βιντεοσειρέςοι οποίες παρουσιάζουν τη νευρική δραστηριότητα του ιππόκαμπου λίγο πριν κατά την διάρκεια και μετά την εφαρμογή ενός ηλεκτρικού ερεθίσματος. Κρίθηκε απαραίτητη η προεπεξεργασία των δεδομένων με σκοπό να έρθουν σε κατάλληλη μορφή για ανάλυση. Η προεπεξεργασία των βιντεοσειρών περιλαμβάνει αρχικα την αναμόρφωση των βιντεοσειρών μέσω φιλτραρίσματος, έπειτα την μετατροπή των δεδομένων σε μια συγκρίσιμη κλίμακα, και τέλος την αφαίρεση ορισμένων trends. Όσο αφορά τηγράφο-θεωρητική ανάλυση αρχικά περιλαμβάνει την κατασκευή των δικτύων και έπειτα την αξιολόγηση και την ανάλυση της τοπολογίας τους μέσων διάφορων μετρικών (network measures) καθώς μέσω της δομής minimal spanning tree. Τέλος, πραγματοποιήθηκε φασματική ομαδοποίηση των γράφων και έπειτα ιεραρχική ομαδοποίηση των υπογράφων που δημιουργήθηκαν, για την καλύτερη κατανόηση της δομής τους. Βάση της παραπάνω ανάλυσης προκύπτουν σημαντικά αποτελέσματασχετικά με την επίδραση της φαρμακευτικής αγωγής στην λειτουργική συνδεσιμότητα του ιππόκαμπου. Συγκεκριμένα, προκύπτει ότι η φαρμακευτική αγωγή επηρεάζει την νευρική ενεργοποίηση των κυττάρων καθώς και τη συνδεσιμότητα του δικτύου. Επίσης φαίνεται ότι επηρεάζει και την οργάνωση του σκελετού συνδεσιμότητας των γράφων μετά την εφαρμογή του ηλεκτρικού ερεθίσματος.
description: The hippocampus is one of the most important areas of the brain, which is involved in many brain functions, especially in learning and memory. The study of functional connectivity in a particular hippocampus region can provide important information for the activity of nerve cells. The aim of this master thesis is complex network analysis in order to model and to analyze the functional connectivity of the CA1 region of the hippocampus mice. In recent years, modern optical recording methods have been widely used in many studies to map functional connectivity between different regions of the brain, such as hippocampus. Optical recording methods visualize space-time activity in the neural tissue. The data, which are analyzed in this thesis came from optical recordings, using stimulation in genetically modified voltage-sensitive proteins in mice. These data are divided into two categories depending on whether the mice have been given a specific medication or not. Experiments were performed on slices in three (3) different mice. Each single trial we get from the optical recordings is a video series that displays the hippocampus neural activity during an electrical stimulus. First of all, it was considered necessary to pre-process the data in order to come in a suitable format for analysis. Pre-processing of video series involves reforming video strings through filtering, then converting data to bring them to a comparable scale, and finally removing trends. The complex network analysis involves constructing the networks and then evaluating and analyzing the topology through various network measures and through the structure minimal spanning tree. Finally, spectral clustering was performed and then hierarchical clustering of the sub-graphs was created, in order to understand their structure. Based on the aforementioned analysis, significant results are obtained regarding the effect of the drugs on the functional connectivity of the hippocampus. In particular, it appears that medication affects nerve cell activation as well as network connectivity. It also affects the organization of connectivity skeleton after the application of the electrical stimulus.