Exploración de los procesos neurofisiológicos subyacentes a ondas globales de calcio en el cerebro de Drosophila melanogaster adulto
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Resumen
Este trabajo presenta el desarrollo e implementación de un marco computacional para el análisis cuantitativo de ondas de calcio globales en el cerebro de Drosophila melanogaster registradas mediante Microscopía de Campo de Luz(Light Field Microscopy, LFM). Se aplicaron métodos de flujo óptico basados en mínimos cuadrados (MSE-Gaussian Flow) y Lucas–Kannade. A partir de la evaluación de ambos métodos de flujo óptico en datos simulados de una onda gaussiana se escogió el método de Lucas–Kannade y los parámetros para el análisis de la onda. A partir de los resultados de los vectores de flujo se determinó la velocidad junto con métricas de coherencia direccional y análisis de frecuencia de patrones de propagación, para caracterizar las propiedades físicas y dinámicas de propagación de las ondas neuronales.
Se analizó la actividad espontánea, inducción de la onda con KCl (10 y 100 mM), y Luperox (75 y 100 mM). El análisis espectral (FFT y Welch) mostró que las variaciones más relevantes ocurren en las bandas de baja frecuencia; la ventana temprana tras el inicio (0–50 s) muestra cambios significativos asociados a los eventos de onda. Debido a las variaciones en la varianza de los datos implementando el método de Welch en la banda <0.25 Hz, las comparaciones principales se realizaron sobre los resultados derivados de FFT. En esos análisis, las ondas espontáneas presentan aumentos transitorios en la potencia de baja frecuencia (<0.25–0.5 Hz) inmediatamente después del inicio; la estimulación con 10 mM KCl mostró consistentemente una reducción del cambio en esta banda respecto a las ondas espontáneas, mientras que KCl a 100 mM y Luperox (especialmente 75 mM, 1 h post-disección) inducen aumentos pronunciados en la potencia de baja frecuencia; en varios casos con valores-z muy altos en las comparaciones pareadas. Estas respuestas son en general transitorias y dependen del tiempo post-disección y la edad de las moscas.
En los registros espontáneos, las ondas mostraron patrones heterogéneos de activación con velocidades variables y baja sincronización interregional, especialmente en moscas jóvenes. El rango de velocidad determinado es de 1.5 μm/s a 150 μm/s, y los patrones de velocidad son variables, aunque en general se observa un pico de velocidad; también, a ciertas horas post-disección, las dinámicas de la velocidad se vuelven más oscilatorias. La aplicación de KCl generó un aumento en la amplitud y velocidad de propagación, acompañado de una mayor coherencia direccional y estabilidad temporal, lo que evidencia un incremento en la excitabilidad neuronal global. En moscas viejas, la aplicación de KCl causa un pico de velocidad que va de 25 μm/s a 170 μm/s, reduciendo su pico en velocidad a mayor concentración de KCl y mayor tiempo post-disección. Finalmente, los eventos de onda inducidos con Luperox se calculó una velocidad con rango entre 80 a 150 μm/s, incrementándose con el tiempo post-disección. Además, las ondas inducidas con Luperox mostraron una coordinación espaciotemporal robusta y transiciones organizadas entre macroregiones, y los diferentes umbrales puestos para el área de cada macroregión también nos hablan del reclutamiento de las regiones a nivel espaciotemporal.
El procesamiento de los datos permitió obtener mapas de coherencia ( ), histogramas polares ponderados (rose plots) y mapas de frecuencia direccional, los cuales evidenciaron una propagación predominante en los eventos de onda, zonas cerebrales con orientaciones predominantes y distintos grados de estabilidad. También
se identificaron patrones en la orientación de los vectores promedio que se dan en el pico de velocidad.
En conjunto, esta metodología combina herramientas de óptica computacional, análisis de flujo y estadística direccional para cuantificar propiedades físicas de la actividad neuronal. Desde una perspectiva fisiológica, los resultados reflejan cómo un evento global y sus propiedades, como la frecuencia, la cinética y la propagación, pueden verse influenciados por la modulación química, la edad y el tiempo post-disección, es decir diferentes estados metabólicos. Asi mismo, este trabajo muestra que los procesos neurofisiológicos y la dinámica cerebral global se ven impactados por la ocurrencia de los eventos de onda en el cerebro de Drosophila. (Texto tomado de la fuente)
Abstract
This work presents the development and implementation of a computational framework for the quantitative analysis of global calcium waves in the brain of Drosophila melanogaster recorded using Light Field Microscopy (LFM). Optical flow methods based on least squares (MSE-Gaussian Flow) and Lucas–Kanade were applied. Based on the evaluation of both optical flow methods using simulated Gaussian wave data, the Lucas–Kanade method and the parameters for wave analysis were selected. From the resulting flow vectors, the velocity was determined along with directional coherence metrics and frequency analysis of propagation patterns to characterize the physical and dynamic properties of neuronal wave propagation.
The spontaneous activity, wave induction with KCl (10 and 100 mM), and Luperox (75 and 100 mM) was
analyzed. Spectral analysis (FFT and Welch) showed that the most significant variations occur in the low-frequency bands; the early window after onset (0–50 s) shows significant changes associated with wave
events. Due to variance fluctuations in the Welch estimation in the <0.25 Hz band, the main comparisons
were based on FFT-derived results. In these analyses, spontaneous waves presented transient increases in low-frequency power (<0.25–0.5 Hz) immediately after onset; stimulation with 10 mM KCl consistently
reduced this change compared to spontaneous waves, whereas 100 mM KCl and Luperox (especially 75 mM, 1 h post-dissection) induced pronounced increases in low-frequency power; in several cases with very high z-values in paired comparisons. These responses were generally transient and dependent on post-dissection time and age.
In spontaneous recordings, the waves exhibited heterogeneous activation patterns with variable velocities and low interregional synchronization, especially in young flies. The velocity range was between 1.5 μm/s and 150 μm/s, with variable patterns, and although a velocity peak was generally observed, at certain hours post-dissection the velocity dynamics became more oscillatory. The application of KCl produced an increase in amplitude and propagation velocity, accompanied by higher directional coherence and temporal stability, evidencing an increase in global neuronal excitability. In old flies, the application of KCl caused a velocity peak between 25 μm/s and 170 μm/s, reducing its maximum velocity at higher KCl concentration and longer post-dissection time. Finally, the wave events induced with Luperox showed velocities ranging from 80 to 150 μm/s, increasing with post-dissection time. In addition, Luperox-induced waves showed robust spatio-temporal coordination and organized transitions between macroregions, and the different thresholds set for each macroregion’s area also revealed the spatio-temporal recruitment of regions.
Data processing allowed the generation of coherence maps (ϕ), weighted polar histograms (rose plots), and directional frequency maps, which revealed predominant propagation in wave events, brain regions with consistent orientation, and different degrees of stability. Patterns in the mean vector orientation were also identified around the velocity peak.
Altogether, this methodology combines optic flow analysis, and directional coherence to describe the physical properties of neuronal activity. From a physiological perspective, the results reflect how a global event and its properties such as the frequency, kinetics and propagation could be influenced by chemical modulation, age and time post-disection, or in other words the metabolical states. In the same way, this works show that the neurophisiological process and whole brain dynamics were impacted by the wave event occurance in the Drosophila brain.
Descripción
ilustraciones, diagramas