Modeling of Extracellular Potentials Measured by Microelectrode Arrays

Abstract

Microelectrode arrays (MEAs) offer a promising way to study single-cell and network activity in cortical columns, with high spatial and temporal resolution. This thesis investigates models relating the measured local field potential (LFP) to the underlying neural activity. For the two-monopole approximation, a point-source formula, derived on the assumption of an infinite and homogeneous medium, was compared to the results of finite element simulations. The latter incorporated the saline solution, surrounding chamber, and electrode plate used in real MEA experiments. The impact of the electrical conductivity profile of tissue was also studied, for a two-monopole and a ball-and-stick neuron. The experimental set-up was seen to significantly affect the LFP measured by the MEA. Inhomogeneous and anisotropic tissue conductivity also influenced the LFP, but to a smaller extent. The results indicate that finite element methods improve modeling of MEA measurements, and should be preferred to the simple point-source formula. Mikroelektrodematriser muliggjør måling av båade enkeltcelle- og nettverksaktivi- tet i biter av hjernebarken, med høy oppløsning i tid og rom. Formåalet med denne masteroppgaven er å undersøke modeller som relaterer det elektriske potensialet målt på matrisen, til den underliggende nevrale aktiviteten. En punktkildeformel for et homogent og uendelig medium, ble sammenlignet med elementmetodesimul-eringer som omfattet det virkelige fysiske oppsettet i slike eksperimenter. I tillegg ble betydningen av anisotropi og inhomogenitet i vevets elektriske ledningsevneundersøkt, både for en to-monopol og for et ball-og-pinne-nevron. De utførte simuleringene tyder på at det eksperimentelle oppsettet har en anselig påavirkning på potensialene som måles. Inhomogenitet og anisotropi var også av betydning, dog i mindre grad. Det konkluderes at elementmetoden er fordelaktig for modellering av elektriske potensialer i ikroelektrodematrisemålinger, og bør foretrekkes framfor den enkle punktkildeformelen.