Calcium imaging of nerve activity in the mouse hippocampus provides insights into cell-to-cell interactions [1]. Over time, fluctuations in cellular calcium levels encode distinct brain states during mouse brain imaging. Although synapses connect cells and transmit information, it is challenging to detect the spatiotemporal transmission pathway via calcium imaging of multiple cells due to the complexity of the spatial structure and imaging in a separate focal plane [2]. Reconstruction of the dynamic graph of connections between cells was proposed to overcome this problem.
A dynamic graph comprises of individual graphs for each time point. A graph linked to a particular time
Data analysis is based on an experiment in which a mouse moved along a circular track while the fluorescence of neuronal calcium activity and the mouse’s position were recorded at a frequency of 20 frames per second [4]. A red dot was marked on the mouse’s head to track its position. The reconstructed dynamic graph was compared to the angular coordinate of the mouse on the ring to look for repeating patterns of activity. The racetrack was divided into 20 overlapping sectors, each spanning 36 degrees. The reconstructed networks were then assigned to sectors that aligned with the mouse’s angular position on the track.
Next, we estimated the frequency of individual edge repetitions within each network group. Only edges that occurred at least three times were chosen for further analysis. We found repeated activations of various cell pairs that corresponded to clockwise and counterclockwise movement within the same sector. Furthermore, we identified the presence of alternating activation, where activity occurred in the first cell, then the second cell, and then again in the first cell. In addition, we identified complex sequences of 5–6 non-sequential activations, represented as a digraph without cycles, which is typical for single sectors.
Кальциевая визуализация нервной активности в гиппокампе мышей позволяет получить информацию о взаимодействиях между клетками [1]. Индивидуальные клеточные флуктуации кальция во времени кодируют различные состояния мозга во время съёмки мозга мыши. Хотя клетки соединены синапсами и передают информацию друг другу, трудно обнаружить пространственно-временнόй путь передачи на основе визуализации кальция множества клеток ввиду сложности пространственной структуры и съёмки в отдельной фокальной плоскости [2]. Для решения этой задачи было предложено реконструировать динамический граф связей между клетками.
Динамический граф состоит из одиночных графов для каждого момента времени. Одиночный граф, привязанный к моменту времени
Анализ данных построен на эксперименте, в котором мышь перемещалась по кольцевому треку и с частотой 20 кадров в секунду фиксировались флуоресценция нейрональной кальциевой активности и положение мыши на треке [4]. Маркёр координаты мыши был отмечен на голове. Поиск повторяющихся паттернов активности рассматривался в сопоставлении восстановленного динамического графа с угловой координатой мыши на кольце. Кольцевой трек разбивался на 20 перекрывающихся секторов по 36 градусов, и фиксировалось, в каких из этих секторов находится угловая координата положения мыши. Восстановленные сети были сгруппированы по угловым секторам.
Далее была оценена частота повторения отдельных рёбер внутри каждой группы сетей внутри сектора. Рёбра, возникающие как минимум 3 раза, были отобраны для дальнейшего анализа. Были обнаружены эффекты повторяющихся активаций различных пар клеток при движении по часовой стрелке и против часовой стрелки в одном и том же секторе. Дополнительно обнаружено наличие чередующейся активации: активность возникает в первой клетке, затем во второй клетке, затем снова в первой клетке. Выявлены также сложные последовательности из 5–6 непоследовательных активаций, представимые в виде орграфа без циклов, характерные для отдельных секторов.