Neuronal Assembly Detection and Cell Membership Specification by Principal Component Analysis

LOPES-DOS-SANTOS, V. , CONDE-OCAZIONEZ, S. ; NICOLELIS, M. A. L. , RIBEIRO, S. T. , TORT, A. B. L. . Neuronal assembly detection and cell membership specification by principal component analysis. Plos One, v. 6, p. e20996, 2011.

An investigation of Hebbian phase sequences as assembly graphs

Hebb proposed that synapses between neurons that fire synchronously are strengthened, forming cell assemblies and phase sequences. The former, on a shorter scale, are ensembles of synchronized cells that function transiently as a closed processing system; the latter, on a larger scale, correspond to the sequential activation of cell assemblies able to represent percepts and behaviors. Nowadays, the recording of large neuronal populations allows for the detection of multiple cell assemblies. Within Hebb's theory, the next logical step is the analysis of phase sequences. Here we detected phase sequences as consecutive assembly activation patterns, and then analyzed their graph attributes in relation to behavior. We investigated action potentials recorded from the adult rat hippocampus and neocortex before, during and after novel object exploration (experimental periods). Within assembly graphs, each assembly corresponded to a node, and each edge corresponded to the temporal sequence of consecutive node activations. The sum of all assembly activations was proportional to firing rates, but the activity of individual assemblies was not. Assembly repertoire was stable across experimental periods, suggesting that novel experience does not create new assemblies in the adult rat. Assembly graph attributes, on the other hand, varied significantly across behavioral states and experimental periods, and were separable enough to correctly classify experimental periods (Naïve Bayes classifier; maximum AUROCs ranging from 0.55 to 0.99) and behavioral states (waking, slow wave sleep, and rapid eye movement sleep; maximum AUROCs ranging from 0.64 to 0.98). Our findings agree with Hebb's view that assemblies correspond to primitive building blocks of representation, nearly unchanged in the adult, while phase sequences are labile across behavioral states and change after novel experience. The results are compatible with a role for phase sequences in behavior and cognition.

The influence of visual inter-hemispheric connections on spiking, assembly and LFP activities, and their phase relationship during figure-ground stimulation

Desde os descobrimentos pioneiros de Hubel e Wiesel acumulou-se uma vasta literatura descrevendo as respostas neuronais do córtex visual primário (V1) a diferentes estímulos visuais. Estes estímulos consistem principalmente em barras em movimento, pontos ou grades, que são úteis para explorar as respostas dentro do campo receptivo clássico (CRF do inglês classical receptive field) a características básicas dos estímulos visuais como a orientação, direção de movimento, contraste, entre outras. Entretanto, nas últimas duas décadas, tornou-se cada vez mais evidente que a atividade de neurônios em V1 pode ser modulada por estímulos fora do CRF. Desta forma, áreas visuais primárias poderiam estar envolvidas em funções visuais mais complexas como, por exemplo, a separação de um objeto ou figura do seu fundo (segregação figura-fundo) e assume-se que as conexões intrínsecas de longo alcance em V1, assim como as conexões de áreas visuais superiores, estão ativamente envolvidas neste processo. Sua possível função foi inferida a partir da análise das variações das respostas induzidas por um estímulo localizado fora do CRF de neurônios individuais. Mesmo sendo muito provável que estas conexões tenham também um impacto tanto na atividade conjunta de neurônios envolvidos no processamento da figura quanto no potencial de campo, estas questões permanecem pouco estudadas. Visando examinar a modulação do contexto visual nessas atividades, coletamos potenciais de ação e potenciais de campo em paralelo de até 48 eletrodos implantados na área visual primária de gatos anestesiados. Estimulamos com grades compostas e cenas naturais, focando-nos na atividade de neurônios cujo CRF estava situado na figura. Da mesma forma, visando examinar a influência das conexões laterais, o sinal proveniente da área visual isotópica e contralateral foi removido através da desativação reversível por resfriamento. Fizemos isso devido a: i) as conexões laterais intrínsecas não podem ser facilmente manipuladas sem afetar diretamente os sinais que estão sendo medidos, ii) as conexões inter-hemisféricas compartilham as principais características anatômicas com a rede lateral intrínseca e podem ser vistas como uma continuação funcional das mesmas entre os dois hemisférios e iii) o resfriamento desativa as conexões de forma causal e reversível, silenciando temporariamente seu sinal, permitindo conclusões diretas a respeito da sua contribuição. Nossos resultados demonstram que o mecanismo de segmentação figurafundo se reflete nas taxas de disparo de neurônios individuais, assim como na potência do potencial de campo e na relação entre sua fase e os padrões de disparo produzidos pela população. Além disso, as conexões laterais inter-hemisféricas modulam estas variáveis dependendo da estimulação feita fora do CRF. Observamos também uma influência deste circuito lateral na coerência entre potenciais de campo entre eletrodos distantes. Em conclusão, nossos resultados dão suporte à ideia de um mecanismo complexo de segmentação figura-fundo atuando desde as áreas visuais primárias em diferentes escalas de frequência. Esse mecanismo parece envolver grupos de neurônios ativos sincronicamente e dependentes da fase do potencial de campo. Nossos resultados também são compatíveis com a hipótese que conexões laterais de longo alcance também fazem parte deste mecanismo