Acoplamento intermodular direcional enriquece a complexidade funcional em redes neurais biológicas

A organização modular hierárquica é uma topologia de rede canônica que é evolutivamente conservada nos sistemas nervosos dos animais. Dentro da rede, os neurônios formam conexões direcionais definidas pelo crescimento de seus terminais axonais. No entanto, essa topologia é dissimilar à rede formada por neurônios dissociados em cultura, pois eles formam redes conectadas aleatoriamente em substratos homogêneos. Neste estudo, fabricamos dispositivos microfluídicos para reconstituir redes neurais modulares hierárquicas em cultura (in vitro) e investigamos como estruturas não aleatórias, como a conectividade direcional entre módulos, afetam a dinâmica global da rede. A incorporação de conexões direcionais de maneira pseudo-feedforward suprimiu a sincronia excessiva em redes neurais cultivadas e melhorou o equilíbrio entre integração e segregação. Modelar o comportamento de redes neurais biológicas usando redes neurais pulsantes (SNNs) revelou ainda que a modularidade e a direcionalidade cooperam para moldar essa dinâmica de rede. Finalmente, demonstramos que, para uma dada topologia de rede, as estatísticas da dinâmica da rede, como ativação global da rede, coeficiente de correlação e complexidade funcional, podem ser previstas analiticamente com base na decomposição em valores próprios da matriz de transição no modelo de transição de estado. Portanto, a integração de bioengenharia e tecnologias de cultura celular nos permite não apenas reconstituir circuitos de rede complexos no sistema nervoso, mas também entender as relações estrutura-função em redes neurais biológicas, conectando modelagem teórica com experimentos in vitro.