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Optical Recording of Suprathreshold Neural Activity with Single-cell and Single-spike Resolution

Signaling of information in the vertebrate central nervous system is often carried by populations of neurons rather than individual neurons. Also ...

Propagation of suprathreshold spiking activity through neuronal populations is important for the function of the central nervous system. Neural correlations have an impact on cortical function particularly on the signaling of information and propagation of spiking activity. Therefore we measured the change in correlations as suprathreshold spiking activity propagated between recurrent neuronal networks of the mammalian cerebral cortex. Using optical methods we recorded spiking activity from large samples of neurons from two neural populations simultaneously. The results indicate that correlations decreased as spiking activity propagated from layer 4 to layer 2/3 in the rodent barrel cortex.

Correlations decrease with propagation of spiking activity in the mouse barrel cortex.

Vermehrung der Suprathreshold spiking T&auml;tigkeit mittels neuronaler Populationen ist wichtig f&uuml;r die Funktion des zentralen Nervensystems. Neuronale Korrelationen auswirken auf kortikale Funktion vor allem auf die Signalisierung von Informationen und Weitergabe von spiking Aktivit&auml;t. Wir haben daher die Ver&auml;nderung der Korrelationen im Suprathreshold spiking Aktivit&auml;t zwischen rekurrente neuronale Netze der S&auml;ugetier-Gro&szlig;hirnrinde weitergegeben gemessen. Mit optische Methoden verzeichneten wir Blindkontrollen Aktivit&auml;t von den gro&szlig;en Proben von Neuronen aus beiden neuronalen Populationen gleichzeitig. Die Ergebnisse zeigen, dass Korrelationen abgenommen als spiking Aktivit&auml;t vom Schicht 4 Layer 2/3 im Kortex Nagetier Fass weitergegeben.

Korrelationen sinken mit Ausbreitung spiking Aktivit&auml;t in der Maus-Fass-Kortex.

The performance of neural codes to represent attributes of sensory signals has been evaluated in the vertebrate peripheral and central nervous system. Here, we determine how information signaled by populations of neurons is modified by plasticity. Suprathreshold neuronal responses from a large number of neurons were recorded in the juvenile mouse barrel cortex using dithered random-access scanning. Pairing of one input with another resulted in a long-lasting, input-specific modification of the cortical responses. Mutual information analysis indicated that cortical plasticity efficiently changed information signaled by populations of neurons. The contribution of neural correlations to the change in mutual information was negative. The largest factor limiting fidelity of mutual information after pairing was a low reliability of the modified cortical responses.

Impact of cortical plasticity on information signaled by populations of neurons in the cerebral cortex.

Die Leistung des neuronalen Codes, die Attribute der sensorischen Signale darstellen, wurde im Wirbeltier peripheren und zentralen Nervensystems evaluiert. Hier bestimmen wir, wie die Informationen, die von der Bev&ouml;lkerung der Neuronen signalisiert durch Plastizit&auml;t ge&auml;ndert wird. Suprathreshold neuronale Antworten aus einer gro&szlig;en Anzahl von Neuronen wurden die juvenile Maus Fass Kortex mit gerasterten random-Access-scanning erfasst. Eine Eingabe mit einem anderen Paarung ergab eine langanhaltende, Eingabe-spezifische &Auml;nderung der kortikalen Antworten. Gegenseitige Information, dass die Untersuchung ergab, dass kortikale Plastizit&auml;t effizient ver&auml;ndert Informationen durch Bev&ouml;lkerungen der Neuronen signalisiert. Der Beitrag der neuronalen Korrelationen zur Ver&auml;nderung des gegenseitigen Information war negativ. Der gr&ouml;&szlig;te Faktor, die Begrenzung der Treue der gegenseitigen Information nach der Paarung war eine mangelnde Zuverl&auml;ssigkeit der ver&auml;nderten kortikalen Antworten.

Auswirkungen der kortikale Plastizit&auml;t auf Informationen, die von der Bev&ouml;lkerung der Neuronen in der Gro&szlig;hirnrinde signalisiert.

There are many cellular and synaptic mechanisms of plasticity in the vertebrate cortex. How the patterns of suprathreshold spiking activity in a population of neurons change because of this plasticity, however, has hardly been subjected to experimental studies. Here, we measured how evoked patterns of suprathreshold spiking activity in a cortical network were modified by cortical plasticity with single-cell and single-spike resolution. To record patterns of activity in the rodent barrel cortex, we used optical methods to detect suprathreshold activity from up to 40 neurons simultaneously. Pairing of two inputs resulted in a long-lasting modification of the cortical responses evoked by one of the inputs. The results indicate that plasticity rules on the network level inherit properties from synaptic plasticity rules but are also determined by the functional synaptic architecture, as well as the computations carried out in cortical networks. The largest determinants of the modified cortical responses were those observed when inducing changes by pairing the two inputs. On the single-neuron level, the modified responses only weakly reflected those observed when pairing the two inputs for induction of plasticity. Despite the weak reflection on the cellular level, however, the modified patterns reflected the pairing patterns to the degree that a simple decoding mechanism-a linear separator-correctly discriminated the modified responses from other patterns of activity.

Impact of cortical plasticity on patterns of suprathreshold activity in the cerebral cortex.

Es gibt viele zellul&auml;re und synaptische Mechanismen der Plastizit&auml;t im vertebrate Kortex. Wie die Muster der Suprathreshold spiking Aktivit&auml;t bei einer Gesamtbev&ouml;lkerung von Neuronen wegen dieser Plastizit&auml;t ver&auml;ndern wurden jedoch kaum experimentelle Untersuchungen unterzogen. Wir messen hier, wie evozierte Muster der Suprathreshold spiking Aktivit&auml;t in einem kortikale Netzwerk durch kortikale Plastizit&auml;t Einzeller- und Einzel-Spike Aufl&ouml;sung ge&auml;ndert wurden. Um Muster Aktivit&auml;ten im Kortex Nagetier Fass zu erfassen, haben wir optische Verfahren um Suprathreshold Aktivit&auml;t von bis zu 40 Neuronen gleichzeitig zu erkennen. Paarung von zwei Eing&auml;nge f&uuml;hrte zu eine dauerhafte &Auml;nderung der kortikalen Reaktionen hervorgerufen durch einen der Eing&auml;nge. Die Ergebnisse zeigen, dass die Plastizit&auml;t Regeln auf Netzwerkebene synaptische Plastizit&auml;t Regeln Eigenschaften vererben, sondern h&auml;ngen auch von der funktionalen synaptische Architektur sowie die Berechnungen im kortikalen Netzwerken. Die gr&ouml;&szlig;ten Determinanten der ver&auml;nderten kortikalen Antworten wurden beobachtet, wenn Ver&auml;nderungen induzieren durch Kopplung der beiden Eing&auml;nge. Auf der Ebene der einzelnen Neuron spiegelt die ver&auml;nderten Antworten nur schwach sich diejenigen beobachtet, wenn die zwei Eing&auml;nge f&uuml;r die Induktion der Plastizit&auml;t zu koppeln. Trotz der schwachen Reflexion auf zellul&auml;rer Ebene reflektiert jedoch die ge&auml;nderte Muster die koppeln Muster in dem Ma&szlig;e, dass eine einfache Decodierung Mechanismus ein Trennzeichen-richtig die modifizierten Antworten von anderen Mustern der Aktivit&auml;t lineare diskriminiert.

Article	Year
Correlations decrease with propagation of spiking activity in the mouse barrel cortex. Frontiers in neural circuits\| PubMed ID: 21629764	2011
Impact of cortical plasticity on information signaled by populations of neurons in the cerebral cortex. Journal of neurophysiology\| PubMed ID: 21653720	2011
Impact of cortical plasticity on patterns of suprathreshold activity in the cerebral cortex. Journal of neurophysiology\| PubMed ID: 22072515	2012

Gayathri Nattar Ranganathan

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