Investigation of the network's robustness upon a single-neuron perturbation

Cepkenovic, Bogdana; Spehr, Marc; Offenhäusser, Andreas

doi:10.18154/RWTH-2026-00625

Investigation of the network's robustness upon a single-neuron perturbation

Cepkenovic, Bogdana^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Bogdana Cepkenovic, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Offenhäusser, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; Spehr, Marc (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-02-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-00625
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1025240/files/1025240.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
MEA electrophysiology (frei) ; calcium imaging (frei) ; mechanosensitivity (frei) ; network connectivity (frei) ; neuronal perturbation (frei) ; spike sorting (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Ein zentrales Ziel der aktuellen Neurowissenschaft ist die genaue Erkennung von Gemeinschaften physisch und funktionell gekoppelter Neuronen in neuronalen Netzwerken. Aufgrund der reduzierten Amplitudenauflösung der Netzwerkauslesungen ist die Konnektivitätskartierung häufig auf statistische Schlussfolgerungen aus spontaner Aktivität beschränkt, die durch den Kontext, in dem die Aktivität beobachtet wird, verfälscht werden. Eine genaue Konnektivitätskartierung erfordert methodische Fortschritte und deren Auswertung sowie die Untersuchung anderer experimenteller Ansätze als der Beobachtung. Ziel dieser Arbeit war es, herauszufinden, welche Informationen über das Konnektom zuverlässig aus den aktuellen Auslesungen extrahiert werden konnten und ob eine Störung eines einzelnen Neurons Reaktionen auf Netzwerkebene hervorruft, die die miteinander verbundenen Neuronen kennzeichnen. Kapitel 4 befasst sich damit, wie genau neuartige 2D+-Elektroden Informationen über die Signalquelle und die Netzwerkaktivität übermitteln. Die gepaarte Elektrophysiologie ergab eine ausgeprägte Variation der extrazellulären Wellenformen desselben Neurons, was zu fehlerhaften Identifizierungen der erkannten Signalquellen führte. Während intrazelluläre Wellenformvariationen zur Variabilität der 2D+-Elektrodensignale beitrugen, ergab sich ein zusätzlicher beitragender Faktor aus Inkonsistenzen bei der Signalübertragung. Die Änderungen in der Übertragungsfunktion waren reversibel, traten in einer zweiten Zeitskala auf und zeigten einen physikalisch begründeten Beitrag. Im Gegensatz zu den Metriken auf Populationsebene war die paarweise Korrelation besonders empfindlich gegenüber Fehlklassifizierungen. Kapitel 4 schließt mit analytischen Herausforderungen bei Aufzeichnungen mit hoher Amplitude und bietet Lösungen für den Schritt der Spike-Sortierung. Kapitel 5 bewertet die Konsistenz und Kontextabhängigkeit der Kalzium-Zündungscode-Beziehung in Populationsebenen-Auslesungen. Das Benchmarking der Kalziumsignale mittels Patch-Clamp zeigte, dass die Kalziumspur Membrandepolarisationsereignisse zuverlässig vorhersagt. Dementsprechend wurden Netzwerksynchronisationsereignisse, die mit starken Depolarisationen verbunden sind, am zuverlässigsten durch Kalziumbildgebung erkannt. Die Erkennung isolierter Zündungsereignisse war jedoch weniger konsistent und hing von der Stärke der zündungsauslösenden Membrandepolarisationen ab. Die Ergebnisse informieren aktuelle Zündungsvorhersagemodelle über die kurzfristigen Translationsinkonsistenzen einzelner Zellen und positionieren Membrandepolarisationsvorhersagen als ersten Schritt hin zu genauen Zündungsaktivitätsrückschlüssen aus Kalziumbildgebungsstudien.Kapitel 6 untersuchte die Machbarkeit der Topologiekartierung durch Einzelneuronstörung. Die Kalziumbildgebung während des Giga-Seal-Patch-Clamp-Verfahrens zeigte, dass eine Deformation einzelner Neuronen Kalziumeinflüsse im Ziel induziert, die durch die Neuriten hindurch andauern und sich zu gekoppelten Neuronen ausbreiten. Die Kalziumeinflüsse erfolgten über mechanosensitive Ionenkanäle, wurden durch spannungsgesteuerte L-Typ-Kalziumkanäle weiter verstärkt und riefen langsame Membrandepolarisationen hervor, die Aktionspotentiale im Ziel und in den umliegenden Neuronen auslösen konnten. Anders als die elektrische Stimulation einzelner Neuronen erzeugte das Giga-Sealing robuste Kalziumreaktionen, die sich weiter im Netzwerk ausbreiteten und das reagierende Ensemble erregten. Die Ergebnisse legen nahe, dass die gezielte Deformation von Neuronen ein vielversprechender Ansatz für die umfassende Kartierung neuronaler Gemeinschaften sein könnte, und geben Aufschluss über eine biologische Komponente der Verringerung der räumlichen Auflösung bei Deformationen. Schließlich gibt die Verstärkung des reagierenden Ensembles für weitere Eingaben nach dem Giga-Seal Aufschluss über das optimale Zeitfenster für eine zuverlässige Aktivitätsabtastung mittels Patch-Clamp-Verfahren.

One central goal of current neuroscience is to accurately detect communities of physically and functionally coupled neurons in neuronal networks. Due to the reduced amplitude resolution of the network readouts, connectivity mapping is often restricted to statistical inferences from spontaneous activity, which are confounded by the context in which the activity is observed. Accurate connectivity mapping demands methodology advances and their evaluations, as well as probing experimental approaches other than observational. This work aimed to identify which information about the connectome could be reliably extracted from the current readouts and whether a single-neuron perturbation evokes network-level responses that mark the interconnected neurons. Chapter 4 addresses how accurately novel 2D+ electrodes convey information about the signal source and network activity. Paired electrophysiology revealed a pronounced variation of the same neuron’s extracellular waveforms, resulting in erroneous identifications of detected signal sources. While intracellular waveform variations contributed to the variability of 2D+ electrode signals, an additional contributing factor originated from inconsistencies in the signal transfer. The changes in the transfer function were reversible, occurred at a second timescale, and indicated a physically grounded contribution. Unlike the population-level metrics, pairwise correlation was particularly sensitive to misclassifications. Chapter 4 concludes with analytical challenges in high amplitude records and offers solutions at the spike-sorting curation step. Chapter 5 evaluates the consistency and context dependence of the calcium-firing code relation in population-level readouts. Benchmarking of the calcium signals by patch-clamp demonstrated that the calcium trace reliably predicts membrane depolarizing events. Accordingly, network synchrony events associated with strong depolarizations were the most reliably detected via calcium imaging. However, detecting isolated firing events was less consistent and depended on the magnitude of firing-evoking membrane depolarizations. The findings inform current firing prediction models about the single-cell short-term translation inconsistencies and position membrane depolarization predictions as the first step toward accurate firing activity inferences from calcium imaging studies. Chapter 6 investigated the feasibility of topology mapping via single-neuron perturbation. Calcium imaging during the giga-seal patch-clamp revealed that a single-neuron deformation induces calcium influxes in the target that persist through the neurites and propagate to coupled neurons. Calcium influxes were via mechanosensitive ion channels, were further potentiated by L-type calcium voltage-gated channels, and evoked slow membrane depolarizations capable of inducing firing in the target and surrounding neurons. Unlike the single-neuron electrical stimulation, giga-sealing produced robust calcium responses that propagated further in the network and excited the responding ensemble. The findings suggest that targeted deformation of neurons may be a promising approach for the broad mapping of neuronal communities and inform about a biological component to the spatial resolution reduction in deformations. Finally, the potentiation of the responding ensemble following giga-seal informs the optimal time window for reliable activity sampling using patch-clamp.

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