Intrinsic and functional aspects of neuronal synchrony in primary visual cortex

Abstract

Most neurons in V1 are topologically organized in cortical columns, that coherently respond to a particular, preferred stimulus by increasing their discharge rate. From a statistical point of view, an increase of the frequency of action potentials is not sufficient to explain how neurons in V1 are able to bring together and compute complex stimuli. Modern theories of the primary visual pathway account for spatial and temporal aspects. In particular, the cell assembly hypothesis postulates dynamically interacting groups of neurons as the key mechanism for cortical information processing. As massively parallel extracellular recordings are becoming available, the limited experimental evidence in favor of the temporal coding hypothesis has to be assigned to a large extent to a lack of suitable analysis tools. In this thesis I summarize a work to study the activity of the visual cortex during natural viewing conditions. I, moreover, present new analysis strategies that allow to study the activity of many neurons simultaneously and observe coordinated network activity. In the first part of this doctoral work results of pairwise correlation analysis from simultaneously recorded single units in V1 of free viewing monkeys are related to their eye events, and simultaneously recorded multi-unit activities (MUA) from visual cortex area 17 of anesthetized cats are matched with the corresponding orientation maps. The questions I answer in that context are: how can we relate the concept of orientation maps from optical imaging and the temporal coding hypothesis? What is the relationship between correlated neuronal activity and 1. spatial arrangement of the recording sites, and 2. viewing behavior? Mere pairwise tests are not suitable to conclusively identify assemblies. Existing analysis techniques for higher-order synchrony fail in estimating the necessary parameters, whose number grows exponentially with the number of neurons. Therefore, I designed two novel methods for identifying neurons participating in assembly activity. Both methods enable fast and reliable detection of neurons which participate in correlations. This work provides new insights into the coding strategy employed by neurons of the primary visual cortex. The demonstrated locking of neuronal synchronization to the time of eye fixation, and the evidence that the spatial arrangement of synchronized neurons is in agreement with orientation tuning maps strongly support the hypothesis that primary visual cortex neurons encode visual information via precisely timed spikes. This work sets also the bases for further tests of the temporal coding hypothesis, by introducing two extremely efficient methods for identification of higher-order synchrony. Finally, the analysis of eye movement and natural viewing strategies provides novel approaches to data from free viewing animals and thus open new routes for experiments that aim to relate neuronal activity to natural behavior.

Die meisten Neurone des V1 weisen eine topologische Anordnung in Kolumnen auf, die bei optimaler Reizung ihre neuronale Aktivität erhöhen. Enkodierungsprozesse komplexer Stimuli lassen sich, vom statistischen Standpunkt aus gesehen, nicht abschließend durch Frequenzerhöhungen der Aktionspotentiale erklären. Moderne Theorien der primären Sehbahn beinhalten räumliche sowie zeitliche Aspekte zur Informationsverarbeitung. Insbesondere die Hypothese der Zellassemblies postuliert dynamisch interagierende Gruppen von Neuronen als Grundbaustein kortikaler Informationsverarbeitung. Während simultane Ableitungen von vielen Neuronen immer häufiger Anwendung finden, ist der fehlende experimentelle Beweis für die zeitliche Kodierungshypothese den fehlenden adäquaten Analysemethoden zuzuschreiben. Die vorliegenden Dissertationsschrift untersucht die grundlegenden Mechanismen neuronaler Aktivität im visuellen Kortex während des Sehvorgangs. In diesem Kontext werden neue Strategien vorgestellt, die die Analyse einer großen Anzahl simultan abgeleiteter Neuronen ermöglicht. Im ersten Teil dieser Doktorarbeit präsentiere ich Ergebnisse einer paarweisen Korrelationsanalyse von simultan abgeleiteten V1 Neuronen von Affen während der Exploration von natürlichen Szenen. Desweiteren wird die Korrelationsstruktur von multi-unit Aktivitäten des primären visuellen Kortex anästhesierter Katzen analysiert. In diesem Zusammenhang beantworte ich die folgenden Fragen: In welcher Beziehung steht die kortikale Karte von Orientierungsselektivitäten zu der zeitlichen Kodierungshypothese? Wie ist die Beziehung zwischen 1. korrelierter neuronaler Aktivität, Distanz und räumlicher Anordnung auf dem Ableitgitter und 2. korrelierter neuronaler Aktivität und Sehverhalten ? Eine paarweise Korrelationsanalyse ist nicht ausreichend, um Assemblies herauszufiltern. Existierende Methoden für die Analyse von Korrelationen höherer Ordnung sind jedoch aufgrund ihres exponentiell wachsenden Aufwandes mit steigender Neuronenanzahl nicht anwendbar. Aus diesem Grund entwickelte ich zwei neue Methoden zur Identifikation von Assemblyneuronen. Beide Methoden detektieren schnell und zuverlässig Neurone, die an Korrelationen beteiligt sind. Die vorliegende Arbeit bietet neue Einblicke in die Kodierungsstrategien von Neuronen des primären visuellen Kortex. Die gezeigte Kopplung zwischen Synchronisation und Fixationsbeginn, sowie die räumliche Anordnung synchronisierter Neurone, welche mit der von Orientierungskolumnen übereinstimmt, untermauern die Hypothese, dass Neurone visuelle Informationen über zeitpräzise Aktionspotentiale kodieren. Desweiteren schafft diese Arbeit eine Grundlage für weitere Korrelationsanalysen mit Hilfe von zwei hoch effizienten Methoden für die Identifizierung von Synchronisationen höherer Ordnungen. Die Augenbewegungsanalyse stellt neue Herangehensweisen an Daten von explorierenden Tieren vor, und eröffnet somit neue Wege um neuronale Aktivitäten mit dem Verhalten in Verbindung zu bringen.