Clique of functional hubs orchestrates population bursts in developmentally regulated neural networks

It has recently been discovered that single neuron stimulation can impact network dynamics in immature and adult neuronal circuits. Here we report a novel mechanism which can explain in neuronal circuits, at an early stage of development, the peculiar role played by a few specific neurons in promoting/arresting the population activity. For this purpose, we consider a standard neuronal network model, with short-term synaptic plasticity, whose population activity is characterized by bursting behavior. The addition of developmentally inspired constraints and correlations in the distribution of the neuronal connectivities and excitabilities leads to the emergence of functional hub neurons, whose stimulation/deletion is critical for the network activity. Functional hubs form a clique, where a precise sequential activation of the neurons is essential to ignite collective events without any need for a specific topological architecture. Unsupervised time-lagged firings of supra-threshold cells, in connection with coordinated entrainments of near-threshold neurons, are the key ingredients to orchestrate population activity.

L'analisi di una rete neurale in sviluppo, effettuata dall'Istituto dei sistemi complessi (Isc) del cnr di Sesto Fiorentino in collaborazione con l'Università di Tel Aviv, ha messo in luce che l'attività neurale è controllata da pochi neuroni organizzati in una 'clique' funzionale.Questi risultati, pubblicati oggi su PLOS Computational Biology, rappresentano un contributo importante per la comprensione del funzionamento di reti complesse, quali i circuiti cerebrali. Lo studio, effettuato da Dr S. Luccioli e A. Torcini (Isc-Cnr) e da P. Bonifazi, E. Ben-Jacob e A. Barzilai (Università di Tel Aviv), offre un preciso modello per l'organizzazione dei circuiti cerebrali nelle prime fasi di sviluppo.Durante la ricerca il team ha scoperto che la dinamica della rete è orchestrata da pochi neuroni organizzati in piccole unità funzionali ('clique'), ove il tempo di attivazione di ogni neurone è fondamentale per l'innesco della attività collettiva.Il lavoro è stato ispirato da recenti misure sperimentali relative all'attività dell'ippocampo di topi nelle prime fasi di sviluppo (Bonifazi et al., Science, 2009). I risultati sono stati ottenuti nell'ambito del Laboratorio Congiunto Italo-Israeliano di Neuroscienze coordinato dal Dr A. Torcini e dal Prof. E. Ben-Jacob, finanziato dal Ministero degli Affari Esteri Italiano.