Structural and dynamical analysis of biological networks

Diferentes tipos de neurônios possuem formas distintas, um fator importante para a regulação da forma é a expressão gênica. Além disso, esta característica também está relacionada com a conectividade entre as células nervosas, formando redes. Por meio delas ocorrem as dinâmicas, como por exemplo o aprendizado. Neste trabalho foi desenvolvido um arcabouço de modelagem e simulação neuronal, para analisar a integração das etapas desde a expressão gênica, passando pela geração dos neurônios até as dinâmicas, permitindo o estudo do sistema e relacionamento entre as partes. Na etapa de geração, foram utilizados diferentes padrões de expressão gênica. Por meio dos neurônios, foram criadas as redes, caracterizadas utilizando medidas de centralidade. Ademais, foram executadas as dinâmicas integra-e-dispara, que simula a comunicação entre os neurônios, e o desenvolvimento hebiano, que é uma dinâmica aplicada para simular o aprendizado. Para quantificar a influência da expressão gênica, foram utilizadas as medidas de correlação de Pearson e a informação mútua. Por meio destes testes, foi possível observar que a expressão gênica influencia todas as etapas, sendo que nelas, exceto na geração da forma neuronal, os padrões de expressão com que os neurônios foram organizados também são um fator importante. Além disso, na medida de centralidade betweenness centrality, foi possível observar a formação de caminhos, denominados caminhos do betweenness. Para descrever os caminhos, foram feitas comparações entre as redes neuronais e outras redes espaciais. Assim, foi possível observar que estes caminhos são uma característica comum em redes geográficas e estão relacionados com as comunidades da rede.Different types of neurons have distinct shapes. An important factor for shape regulation is gene expression, which is also related to the connectivity between nervous cells, creating networks. Dynamics, such as learning, can take place in those networks. In this work we developed a framework for modeling and simulating neurons allowing an integrated analysis from gene expression to dynamics. It will allow the study of the system as a whole as well as the relationships between its parts. In the neuron generation step, we used different patterns of gene expression. The networks were created using those neurons, and several centrality measures were computed to characterize them. Moreover, the dynamic processes considered were the integrate-and-fire model, which simulates communication between neurons, and the hebbian development, which is applied to simulate learning. During every step, Pearsons correlation and mutual information between the level of expression was measured, quantifying the influence of gene expression. Through these experiments it was observed that the gene expression influences all steps, which is in all cases, except in the generation of neuronal shape, an important factor. In addition, by analyzing the betweenness centrality measure, it is possible to observe the formation of paths. To study these paths, comparisons between models and other spatial networks were performed. Thus, it was possible to observe that paths are a common feature in other geographical networks, being related to the connections between network communities