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Inference of topology and the nature of synapses, and the flow of information in neuronal networks

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Autor(es):
Borges, F. S. ; Lameu, E. L. ; Iarosz, K. C. ; Protachevicz, P. R. ; Caldas, I. L. ; Viana, R. L. ; Macau, E. E. N. ; Batista, A. M. ; Baptista, M. S.
Número total de Autores: 9
Tipo de documento: Artigo Científico
Fonte: PHYSICAL REVIEW E; v. 97, n. 2, p. 7-pg., 2018-02-07.
Resumo

The characterization of neuronal connectivity is one of the most important matters in neuroscience. In this work, we show that a recently proposed informational quantity, the causal mutual information, employed with an appropriate methodology, can be used not only to correctly infer the direction of the underlying physical synapses, but also to identify their excitatory or inhibitory nature, considering easy to handle and measure bivariate time series. The success of our approach relies on a surprising property found in neuronal networks by which nonadjacent neurons do "understand" each other (positive mutual information), however, this exchange of information is not capable of causing effect (zero transfer entropy). Remarkably, inhibitory connections, responsible for enhancing synchronization, transfer more information than excitatory connections, known to enhance entropy in the network. We also demonstrate that our methodology can be used to correctly infer directionality of synapses even in the presence of dynamic and observational Gaussian noise, and is also successful in providing the effective directionality of intermodular connectivity, when only mean fields can be measured. (AU)

Processo FAPESP: 11/19296-1 - Dinâmica não linear
Beneficiário:Iberê Luiz Caldas
Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
Processo FAPESP: 15/50122-0 - Fenômenos dinâmicos em redes complexas: fundamentos e aplicações
Beneficiário:Elbert Einstein Nehrer Macau
Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
Processo FAPESP: 15/07311-7 - Comportamento dinâmico de redes neurais
Beneficiário:Kelly Cristiane Iarosz
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
Processo FAPESP: 16/23398-8 - Plasticidade sináptica em redes neuronais com atraso
Beneficiário:Ewandson Luiz Lameu
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
Processo FAPESP: 16/16148-5 - Comportamento síncrono e plasticidade sináptica em redes complexas
Beneficiário:Kelly Cristiane Iarosz
Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Pós-Doutorado