Interpreting the local field potential as a reflection of cooperative neuronal spiking dynamics

Abstract

Brain activity is observed using various methods of measurement that operate on a large range of spatial and temporal scales. In the case of extracellular recordings, the electrode signal is commonly interpreted on two such levels: while its high-frequency components reveal the precise timing of locally generated action potentials, the low-frequency contributions constitute a mesoscopic population signal --referred to as the local field potential (LFP)-- that is dominated by the superposition of activities of neurons in a larger volume. Although it is commonly assumed that the oscillatory features of the LFP result from the synchronous subthreshold activity in the neuronal population, it is a question of ongoing debate how these oscillations are related to the spiking discharge, and to synchrony on the level of spikes in particular. This thesis contains five reports that describe different aspects of how the relationship between the concerted spiking activity and the LFP is informative of the features and the dynamical organization of the underlying neuronal system. The first study demonstrates learning-related response changes to odor stimulation in the output region of the antennal lobe of the honeybee during olfactory conditioning. We show that learning induces a restructuring of the ensemble representation of odors (based on the rate responses of individual neurons) that is strongest for the rewarded odor. Moreover, observed response changes in LFP power in a given frequency band for the rewarded odor correlate with changes in the size and composition of the neuronal subpopulation phase-locked to the same band. In the second study, we analyze separately the role of four identified neuronal subtypes in the striatum of anesthetized rats in relaying oscillations of cortical origin to the basal ganglia network. The methods based on spike-LFP and spike-ECoG (electrocorticogram) phase coupling, augmented by the analysis of interneuronal cross-correlations, allows us to identify the neuronal subtype, fast spiking interneurons, that is linked to the generation of the oscillatory LFP component in the high-frequency (gamma) range. The third and largest study of this thesis consists of three successive reports that reveal how spike synchrony on a millisecond time-scale is related to the synchronous mass action visible in the LFP. We first show that the amplitude (or envelope) of the LFP is indicative of the proportion of spikes that phase-lock to the LFP. In the following report we directly prove the long-standing hypothesis that synchronous spikes are reflected in the field potential by analyzing the LFP coupling separately for single spikes and precise spike coincidences. Contrary to intuition, we show that this relation holds only for synchronous spikes that occur in time windows where the number of observed coincidences significantly exceeds the expectation. These excess coincidences are signatures of the coordinated discharge patterns of specific neuronal subgroups (assemblies). In the final study we show how the combination of measures of synchrony on the spike and population levels reveals a macroscopic parameter that estimates the network-wide degree to which active cell assemblies contribute to neuronal spike data. In summary, these three studies provide first-time evidence that LFP oscillations are an image of the orchestrated activity of neuronal ensembles, as predicted by one of today's most intriguing theories on neuronal computation.

Gehirnaktivität wird mittels verschiedener Messmethoden beobachtet, die eine große Spannbreite räumlicher und zeitlicher Skalen umfassen. Im Falle extrazellulärer Ableitungen wird das resultierende Signal der Elektrode in der Regel auf zweierlei Ebenen interpretiert: während die höherfrequenten Komponenten das präzise zeitliche Auftreten von Aktionspotentialen nahe der Elektrode sichtbar machen, so liefern die niederfrequenten Anteile ein mesoskopisches Populationssignal --als lokales Feldpotenzial (LFP) bezeichnet-- welches von der überlagerten Aktivität einzelner Neurone in einem größeren Umkreis dominiert wird. Obwohl im allgemeinen angenommen wird, dass die oszillatorischen Eigenschaften des LFP durch synchronisierte unterschwellige Aktivität innerhalb der neuronalen Population hervorgerufen werden, besteht größtenteils Unklarheit darüber inwiefern die Oszillationen mit der Einzelspikeaktivität, und insbesondere mit dem Auftreten synchronisierter Spikeaktivität, zusammenhängen. Diese Dissertationsschrift enthält fünf Berichte, die unterschiedliche Aspekte beleuchten, wie der Zusammenhang zwischen der konzertierten Spikeaktivität und dem LFP Informationen über die Eigenschaften und die dynamische Organisation des zugrunde liegenden neuronalen Systems bereitstellt. Die erste Studie demonstriert lernabhängige Änderungen der neuronalen Antwort auf Duftstimulation im Ausgangsbereich des Antennallobus der Honigbiene während einer olfaktorischen Konditionierung. Der Lernprozess geht mit einer Änderung der Ensembleantwort auf Düfte einher (basierend auf den Ratenantworten einzelner Neurone), die für den belohnten Duft am stärksten ist. Darüber hinaus zeigen wir, dass entsprechende Änderungen in der Power des LFP in bestimmten Frequenzbändern für den belohnten Duft mit Änderungen in der Größe und der Zusammensetzung der neuronalen Subpopulation, die zu dem entsprechenden Band gekoppelt ist, korrelieren. In einer zweiten Studie analysieren wir separat die Rolle vierer identifizierter neuronaler Subtypen im Striatum der anästhesierten Ratte in der Weiterleitung von Oszillationen kortikalen Ursprungs in die Basalganglien. Basierend auf der Spike-LFP und Spike-ECoG (Elektrokortikogramm) Phasenkopplung, und gestärkt durch die Analyse interneuronaler Kreuzkorrelationen, identifizieren wir die Neuronenklasse, die Fast Spiking Interneurone, die zu der Erzeugung oszillatorischer LFP Komponenten des hochfrequenten Gammabereichs in Bezug gesetzt werden kann. Der größte Teil dieser Dissertation besteht aus drei aufeinanderfolgenden Arbeiten, die den Zusammenhang zwischen synchroner Spikeaktivität mit Millisekundengenauigkeit und der im LFP sichtbaren synchronen Massenaktivität aufzeigen. Zuerst zeigen wir, dass die Amplitude (oder Einhüllende) der LFP Oszillationen ein Maß für die Größe der phasengelockten Population darstellt. Durch eine separate Phasenanalyse von Spikes und Spikekoinzidenzen belegen wir in der darauf folgenden Arbeit direkt die langläufige Hypothese, dass synchrone Spikeaktivität im Feldpotenzial reflektiert ist. Entgegen der Intuition gilt diese Aussage jedoch nur für diejenigen präzisen Koinzidenzen, die in Zeitfenstern auftreten in denen die Anzahl der detektierten Koinzidenzen die Erwartung signifikant übertrifft. Diese überschüssigen Koinzidenzen stellen eine Signatur für koordinierte Spikemuster spezifischer neuronaler Subgruppen (Zellassemblies) dar. In der letzten Studie zeigen wir, wie die kombinierte Messung von Synchronizität auf der Spike- und Populationsebene einen makroskopischen Parameter schätzt, der angibt in welchem Maße aktive Zellassemblies zu der gesamten Spikeaktivität des Netzwerkes beitragen. Zusammenfassend erbringen die drei Arbeiten den ersten Beweis dafür, dass LFP Oszillationen ein Abbild orchestrierter Aktivität neuronaler Ensembles darstellen, wie sie durch eine der faszinierendsten aktuellen Theorien neuronaler Informationsverarbeitung vorhergesagt werden.