Modeling and analysis of extracellular field potentials in the brain

Abstract

In order to model processes occuring in the brain it is necessary to have reliable measures of neural activity, with a clear intepretation rooted in the biophysics of the neural tissue. One of the most important probes of neural activity is the measurement of extracellular field potentials. The potential picked up by an electrode placed inside the brain is typically filtered in to two distinct frequency bands: the high-frequency part (>500 Hz) captures the spiking output of nearby cells (termed multi-unit activity or MUA), while the low-frequency part (<200-500 Hz) called local field potential (LFP) is thought to mainly reflect synaptic input of the cells in a local volume surrounding the electrode. The ability of the LFP to sample activity in whole populations of neurons makes it an important tool for understand neural network dynamics. Despite its wide use, there is however only limited knowledge about the relation between the measured LFP signal and the underlying neural activity. This thesis addresses different aspects of the relation beween activity at the single-cell or population level and the measured extracellular potential. First, we characterize the salient features of extracellular potentials generated by a single synaptic input. We use a forward-modeling approach where we simulate the LFP generated by neurons with realistic morphologies. We describe how dendrites, due to passive cable properties, filter the signal between input current and measured potential, and propose simplified models of LFP generation. Second, we show how distributions of synapses on to single cells give power-law scaling in power spectra of soma currents, soma potentials and current dipole moments. Third, we investigate the size of the cortical region that contributes to LFP recordings. By a combination of a simplified model and numerical simulations of populations of neurons, we identify the main factors determining the size of this region. Specifically, we highlight the role of correlations in the underlying synaptic activity. Finally, we analyze data from monkey motor cortex and relate oscillations in the LFP to temporally precise synchronized spiking activity. In summary, the findings presented in this thesis provide building blocks for further modeling and interpretation of the LFP, as well as other extracellular potential measures such as the electroencephalogram (EEG).

For å modellere prosesser i hjernen er det nødvendig med pålitelige målinger av den nevrale aktiviteten, med en klar kobling til underliggende prosesser. En av de viktigste målemetodene av nevral aktivitet er måling av ekstracellulært elektrisk potensiale. Potensialet som blir plukket opp av en måleelektrode i hjernen bli typisk splittet i to forskjellige frekvensregimer: høyfrekvensregimet (> 500 Hz) plukker opp fyring av nevroner i nærheten av elektroden (kalt ’multi-unit activity’, MUA), mens lavfrekvensregimet (< 200- 500 Hz), som kalles ’local field potential’ (LFP), reflekterer synaptisk aktivitet i celler i nærheten av elektroden. Siden LFP er et mål på aktiviteten i hele populasjoner av nevroner, er den et viktig mål for å forstå nevral nettverkdynamikk. Til tross for utbredt bruk, er det likevel liten kunnskap om sammenhengen mellom målt LFP og den underliggende nevrale aktiviteten. Denne avhandlingen har fokus på flere aspekter ved sammenhengen mellom enkeltcelleaktivitet og aktivitet på populasjonsnivå, og det målte elektriske potensialet. Først karakteriserer vi iboende egenskaper ved elektriske potensialer fra enkeltsynapsebidrag. Så simulerer vi LFP fra nevroner med realistisk romlig struktur. Vi beskriver hvordan dendritter, gjennom sin passive membran, filtrerer signalet fra input strøm til målt elektrisk potensial, og foreslår forenklede modeller for LFP generering. Deretter viser vi hvordan synaptisk aktivitet i enkeltnevroner gir 1/fα- skalering i power spectra av transmembrane somastrømmer, soma potensialer og dipolstrømmer. For det tredje studerer vi størrelsen på det corticale området som bidrar til LFP målingene. Ved en kombinasjon av forenklede modeller og numeriske simuleringer av populasjoner av nevroner, identifiserer vi hovedfaktorene for hva som bestemmer størrelsen på dette området. Her studerer vi spesielt korrelasjoner i den underliggende synaptiske aktiviteten. Til sist analyserer vi data fra motor cortex til aper og relaterer oscillasjoner i LFP til synkronisitet i fyringsaktivitet. Resultatene i denne avhandlingen vil være et bidrag til ytterligere modellering og tolking av LFP, og også av andre typer målte ekstracellulære elektriske potensialer som EEG.