Electrophysiological and computational studies on the mechanisms and functional impact of cortical synchronization

In order to investigate the role of neuronal synchronization in perceptual grouping, a new method was developed to record selectively from multiple cortical sites of known functional specificity as determined by optical imaging of intrinsic signals. To this end, a matrix of closely spaced guide tubes was developed in cooperation with a company providing the essential manufacturing technique RMPD® (Rapid Micro Product Development). The matrix was embedded into a framework of hard and software that allowed for the mapping of each guide tube onto the cortical site an electrode would be led to if inserted into that guide tube. With these developments, it was possible to determine the functional layout of the cortex by optical imaging and subsequently perform targeted recordings with multiple electrodes in parallel. The method was tested for its accuracy and found to target the electrodes with a precision of 100 µm to the desired cortical locations. Using the developed technique, neuronal activity was recorded from area 18 of anesthetized cats. For stimulation, Gabor-patches in different geometrical configurations were placed over the recorded receptive fields merging into visual objects appropriate for testing the hypothesis of feature binding by synchrony. Synchronization strength was measured by the height of the cross-correlation centre peaks. All pairwise synchronizations were summarized in a correlation index which determined the mean difference of the correlation strengths between conditions in which recording sites should or should not fire in synchrony according to the binding hypothesis. The correlation index deviated significantly from zero for several of these configurations, further supporting the hypothesis that synchronization plays an important role in the process of perceptual grouping. Furthermore, direct evidence was found for the independence of the synchronization strength from the neuronal firing rate and for neurons that change dynamically the ensemble they participate in. In parallel to the experimental approach, mechanisms of oscillatory long range synchronization were studied by network simulations. To this end, a biologically plausible model was implemented using pyramidal and basket cells with Hodgkin-Huxley like conductances. Several columns were built from these cells and intra- and inter-columnar connections were mimicked from physiological data. When activated by independent Poisson spike trains, the columns showed oscillatory activity in the gamma frequency range. Correlation analysis revealed the tendency to locally synchronize the oscillations among the columns, but a rapid phase transition occurred with increasing cortical distance. This finding suggests that the present view of the inter-columnar connectivity does not fully explain oscillatory long range synchronization and predicts that other processes such as top-down influences are necessary for long range synchronization phenomena.Die über den visuellen Kortex verteilte Repräsentation von Objektmerkmalen wirft die Frage auf, wie Merkmalsbezüge aufrecht erhalten werden. So muss z.B. in irgendeiner Weise kodiert werden ob zwei Liniensegmente, die von im Gesichtsfeld weit entfernten rezeptiven Feldern detektiert werden, zu einer oder zwei verschiedenen Linien gehören, d.h. ob die beiden Liniensegmente verbunden sind oder nicht. Eine Möglichkeit solche Bezüge zu kodieren liegt darin, sie in den zeitlichen Bezügen der neuronalen Entladungsmuster einzubetten und zwar derart, dass Neurone zusammengehöriger Merkmale ihre Entladungen synchronisieren. Dieser relationalen Kodierungsstrategie ist inhärent, dass sie nur durch gleichzeitige Messung mehrerer neuronaler Signale nachgewiesen werden kann. Ein weiteres Problem bei der Suche nach der vom Gehirn verwendeten Kodierung besteht in der anisotropen Verteilung der rezeptiven Feldeigenschaften über die Kortexoberfläche hinweg. Diese variiert von Individuum zu Individuum und macht es daher schwer, gezielt von mehreren Neuronen mit bestimmten rezeptiven Feldeigenschaften elektrophysiologische Daten zu erheben. Daher wurde im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit eine Methode entwickelt, um die Techniken des Optical Imagings (OI) intrinsischer Signale und der Elektrophysiologie zu vereinen und so die simultane Aufnahme mehrerer neuronaler Signale von vorbestimmter Funktionalität zu ermöglichen. Die Entwicklung und die Methode selbst werden im Folgenden näher beschrieben. Durch OI kann die funktionelle Architektur des Kortex über einen makroskopischen Bereich (ca. 5 x 10 mm) kartiert werden. Das Hauptproblem, das in dieser Dissertation gelöst werden sollte bestand darin, ein Platzierungssystem für Elektroden zu entwickeln, welches es ermöglicht, Punkte auf den OI-Karten auszuwählen und Elektroden an den korrespondierenden Stellen des Kortex’ zu platzieren. Dazu wurden drei Ansätze verfolgt, von denen die ersten zwei verworfen werden mussten. Die Erfahrungen mit den ersten beiden Ansätzen, die benötigte Präzision von wenigstens 200 µm Platzierungsgenauigkeit und die gleichzeitige Anwendbarkeit auf viele Elektroden machten es notwendig, eine von Kanälen durchzogene Matrix mit einer Genauigkeit zu fertigen, die mit herkömmlichen Techniken wie Bohren, Ätzen oder auch Laserbohrung nicht erreicht wird. Daher wurde in Kooperation mit einer Firma die das RMPD® (Rapid Micro Product Development) Fertigungsverfahren beherrscht eine Matrix entwickelt, die alle notwendigen, im Folgenden aufgezählten Eigenschaften besitzt: · Hohe Dichte der Kanäle (>20 Kanäle pro mm2, 220 µm Gitterkonstante) · Hohes Aspektverhältnis der Kanäle (15 mm Höhe : 0.15 mm Durchmesser) um Elektroden möglichst wenig Spiel zu geben · Material quillt unter Einfluss von Feuchtigkeit nicht auf · Material ist flexibel, sodass die dünnen Wände zwischen den Kanälen bei Einführung und Scherung der Elektroden nicht brechen · Reproduzierbarkeit der Kanalpositionen bei erneuter Herstellung der Matrix (ca. 1 µm Fertigungsvarianz) Weiterhin wurden Geräte und Software entwickelt, um die Positionen der Röhrchen auf die OI-Karten zu projizieren, die Elektroden in die ausgewählten Röhrchen einzufädeln und sie schließlich mittels Mikrotrieben kontrolliert in das kortikale Gewebe vorzufahren. Das Verfahren zeigte bei Tests, dass es Elektroden mit einer Genauigkeit von ca. 100 µm platziert. Die entwickelte Methode zur Platzierung von Elektroden nach OI-Karten wurde in Tierexperimenten angewendet. In diesen Experimenten sollte die Abhängigkeit neuronaler Synchronisation von visueller Objektzugehörigkeit anhand des visuellen Areals 18 der anästhesierten Katze erörtert werden. Existierende Studien zu diesem Thema verwendeten zumeist paarweise elektrophysiologische Aufnahmen, weshalb hier mittels der neuen Aufnahmetechnik von mehreren kortikalen Stellen gleichzeitig Daten erhoben werden sollten. Eine Folge der Synchronisationstheorie ist, dass ein und dasselbe Neuron an verschiedenen Assemblies teilnehmen kann. Solch ein Wechsel zwischen zwei Assemblies ist noch nicht direkt nachgewiesen worden. Daher wurden in den Experimenten auch Stimuluskonfigurationen gewählt, die einen Wechsel der Teilnahme an einem von zwei Assemblies provoziert. Erfolgreich verwendete Stimuli wurden in erster Linie aus mehreren so genannten Gabor-Patches (Kreisrunde Objekte mit einer räumlichen Gabor-Intensitätsverteilung) konstruiert. Die Objektzugehörigkeit von Neuronen konnte durch drehen oder entfernen eines Gabor-Patches geändert werden. Insgesamt wurden fünf Experimente von fünf bis sieben Tagen Dauer an anästhesierten Katzen durchgeführt. Für die Analyse der in den Experimenten aufgenommenen Multi Unit Aktivities (MUAs) sollten ursprünglich die das MUA-Signal bildenden Single Unit Aktivities (SUAs) anhand der Form ihrer Aktionspotentiale (AP) extrahiert werden, um das Synchronizitätsverhalten auf Einzelzellebene untersuchen zu können. Um diese Sortierung durchführen zu können, dürfen die Signale keinerlei Störungen von einer den AP vergleichbaren Amplitude enthalten, da sonst die Charakteristik der Form verloren geht und eine Unterscheidung der verschiedenen Zellen unmöglich wird. Obwohl einige Störquellen vor und während der Experimente erkannt und eliminiert wurden verblieben einige Störungen im Signal aller Elektroden. Daher wurde ein Verfahren entwickelt um mittels Principal Component Analysis (PCA) zwischen den Kanälen korrelierte Störungen abzuschätzen und zu eliminieren. Obwohl sich das Verfahren in Simulationen als sehr effizient und nützlich herausstellte, konnte es die Störungen nicht hinreichen reduzieren, um eine Sortierung der AP zu ermöglichen. Da das PCA-Entstörungsverfahren um so besser wirkt, je mehr Kanäle zur Schätzung des Störanteils zur Verfügung stehen und mit fortschreitender Technik die Anzahl der verwendeten Kanäle weiter ansteigen wird, wird dieses Verfahren in Zukunft nützliche Dienste bei der nachträglichen Entfernung von Störungen leisten. Weiterhin wurde eine Methode entwickelt, um eine Rekonstruktion der mit ca. 20 kHz abgetasteten Signale und damit einen genauen Vergleich der AP zu erlauben. Die Aussicht von 16 Kanälen MUAs aufzunehmen, die sich durchschnittlich noch einmal in drei SUAs aufspalten und unter etwa acht verschiedenen Stimulusbedingungen erhoben wurden und damit an die 9000 Kreuzkorrelationsfunktionen entstünden, machte es notwendig ein Analysekonzept zu entwickeln, das weitgehende Automatisierungen zulässt. Ein solches Konzept wurde mittels objektorientierter Techniken in der Hochsprache IDL implementiert und erfolgreich zur Analyse eingesetzt. Zur Analyse der in den Experimenten erhobenen Daten wurden alle paarweisen Kreuzkorrelationsfunktionen berechnet und die Höhe der zentralen Maxima als Grad der Synchronisierungsstärke gemessen. Für jedes paar wurden die Stimuluskonfigurationen bestimmt, in denen sie der Bindungshypothese zufolge stärker oder schwächer synchronisieren sollten und aus der Differenz der Synchronisierungsstärke für beide Fälle wurde ein Korrelationsindex erstellt. Dieser Index zeigte für alle Stimuli eine signifikante Erhöhung der Synchronisierungsstärke für die Fälle, für die nach der Bindungshypothese eine stärkere Synchronisierungsstärke vorausgesagt wird. Dieses Ergebnis bestätigt die Hypothese, dass die Synchronisierung neuronaler Aktivität eine wichtige Rolle bei der Kodierung von Zusammengehörigkeiten spielt. Weiterhin konnten mit den Gabor-Patches Stimuli erzeugt werden, die verschiedene visuelle Objekte bildeten, ohne die Raten der AP zu ändern. Damit konnte gezeigt werden, dass sich der Grad neuronaler Synchronisierung unabhängig von der Rate ändern und somit als unabhängigen Informationskanal neben den Raten genutzt werden kann. Als letzter wichtiger Befund konnte direkt gezeigt werden, wie sich eine Gruppe von Neuronen in Abhängigkeit vom Stimulus immer mit den Neuronen besser synchronisierten, deren rezeptive Felder auf dem gleichen visuellen Objekt positioniert waren. Da es sich dabei um zwei komplett verschiedene Gruppen von Neuronen handelte, ist das der direkte Nachweis für einen Wechsel der Teilname an verschiedenen Assemblies. Der oben beschriebene experimentelle Ansatz kann prinzipiell die zugrunde liegende Hypothese lediglich falsifizieren, kann jedoch nicht die Mechanismen untersuchen, die zu den beobachteten Phänomenen führen. Die in dieser Arbeit untersuchten Synchronisierungs-phänomene betreffen die Synchronisierung von Neuronengruppen über einen größeren Abstand hinweg, jedoch innerhalb eines Areals. Solche langreichweitigen Synchronisierungen sind in der Regel oszillatorischer Natur, wobei der die Oszillationen verursachende Mechanismus noch nicht gänzlich geklärt ist. Daher wurde parallel zu den experimentellen Ansätzen eine Computersimulation erstellt um der Frage nachzugehen, inwieweit das gegenwärtige Wissen über die intrinsische Konnektivität des Kortex die langreichweitige Synchronisierung neuronaler Gruppen erklären kann. Dazu wurden anatomisch rekonstruierte und auf wenige Zylinder reduzierte Zellen mit Hodgkin-Huxley-Kinetiken zu Netzwerken verbunden, die einer kortikalen Kolumne entsprechen. Die Kolumnen wiederum wurden synaptisch verbunden, wie es in einschlägiger Literatur für Kolumnen gleicher Präferenz beschrieben wurde. Die Kolumnen wurden durch unabhängige Poisson-Prozesse aktiviert und zeigten darauf hin oszillatorische Aktivität im Gamma-Bereich. Eine Korrelationsanalyse zeigte die Tendenz, dass benachbarte Kolumnen ihre Oszillationen synchronisieren, aber einen rapiden Phasensprung um fast 180° zu Kolumnen von größerem kortikalen Abstand erfahren. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die inter-kolumnären Verbindungen die Synchronisierung von Kolumnen über große kortikale Distanzen hinweg nicht erklären kann und legt den Schluss nahe, dass andere Prozesse wie z.B. Rückprojektionen von höheren Arealen für langreichweitige Synchronisierungen nötig sind

Research reports: 1990 NASA/ASEE Summer Faculty Fellowship Program

Reports on the research projects performed under the NASA/ASEE Summer Faculty Fellowship Program are presented. The program was conducted by The University of Alabama and MSFC during the period from June 4, 1990 through August 10, 1990. Some of the topics covered include: (1) Space Shuttles; (2) Space Station Freedom; (3) information systems; (4) materials and processes; (4) Space Shuttle main engine; (5) aerospace sciences; (6) mathematical models; (7) mission operations; (8) systems analysis and integration; (9) systems control; (10) structures and dynamics; (11) aerospace safety; and (12) remote sensin

Characterization and Redesign of the AFIT Multielectrode Array

Since 1978, faculty and graduate students from the Air Force Institute of Technology (AFIT) have been working on an implantable circuit array that can record visual signals from the brain or stimulate the brain. In the current design the circuit is a 16 x 16 array of pads, each pad being 160 x 160 micrometers with 250 micrometers spacing with an \u27L\u27 shaped reference pad used as a ground reference. The array is multiplexed so that only one I-O line is required to access all 256 pads. This research was twofold: first to analyze the existing circuit and identify sources for noise and then to redesign the circuit with the intent of reducing noise and power consumption. As a result of the research, a new 16 x 17 array has been developed. The new design incorporates new demultiplexing and synchronizing circuitry. The new circuitry exhibits lower noise and consumes much less power. The \u27L\u27 shaped reference pad has been removed-instead each pad and the pad to its right are sampled concurrent1y-one as the sample and one as a reference

Suspension Near-Field Electrospinning: a Nanofabrication Method of Polymer Nanoarray Architectures for Tissue Engineering

Chapter 1. This chapter is divided into six sections. The first will discuss the issue of nerve tissue loss, and the strategies of therapy (1.1). The second describes the role of nanofabrication in tissue engineering (1.2). The third section details the theoretical background of electrospinning in terms of solution and process parameters (1.3). The fourth section introduces near-field electrospinning (NFES), recent advances in this field and the principles of NFES techniques (1.4). The fifth section details objectives for a tissue engineered construct for neural cell therapy, and presents possible viable solutions (1.5). The sixth summarizes the aims and structure of this thesis (1.6)..

Wire guided endoscopy with a finite element analysis of planar electrodes.

As an alternative to conventional colonoscopy, which is time-consuming, requires considerable operator skill, and is often painful and hazardous to the patient, this thesis proposes a new method of examining the colon. It involves using a guide wire, which helps the endoscopist advance the colonoscope with a reduced risk of loop formation. It does this by ensuring that it follows a path along the lumen of the colon and by acting as an anchor against which a motor attached to the tip of the colonoscope pulls the colonoscope forward. Clinical measurements show that use of a conventional colonoscope exceeds the human pain threshold 17% of the time, whilst use of the guide wire assisted colonoscope exceeds the human pain threshold only 4% of the time. It is concluded that guide wire assisted colonoscopy is likely to reduce pain and make the procedure easier for both the patient and the endoscopist. In addition to the guide wire assisted colonoscope, the thesis proposes and assesses the 'planar electrode', an instrument designed to treat colorectal cancer in a more precise and controlled manner than conventional, endoscopic, electrosurgical methods. The planar electrode is assessed using tissue studies and a finite element model. When optimally configured, the planar electrode is shown to coagulate only the tissue between the electrode pair, thereby allowing the endoscopist to oversee the coagulation process as it happens. The finite element model is shown to predict the depth of tissue coagulation within 15% of the depth of coagulation measured in the tissue studies. It is concluded that the planar electrode coagulates tissue in a predictable and controlled manner, and the finite element model is likely to be a useful tool when designing planar electrode configurations for specific tasks

Doctor of Philosophy

dissertationOptical methods are well-established in the fields of neuroscience, medical imaging, and diagnostics, etc. Optogenetics, for example, enables molecular specificity in optical neural stimulation and recording and has been named the "Method of the Year 2010" by Nature Methods. A novel microdevice was designed, fabricated, developed, and tested to facilitate three-dimensional (3D) deep-tissue light penetration with the capacity to accommodate spatiotemporal modulation of one or more wavelengths to advance a broad range of applications for optical neural interfaces. A 3D optrode array consisting of optically transparent "needles" can penetrate >1 mm directly into tissue, thereby creating multiple independent paths for light propagation that avoid attenuation due to tissue absorption and scattering, providing a high level of selectivity and comprehensive access to tissue not available in current interfaces. Arrays were developed based upon silicon and glass. The silicon optrode array is based upon the well-established Utah electrode array architectures and is suitable for near-infrared (NIR) applications; glass optrodes are appropriate waveguides for both visible and NIR wavelengths. Arrays were bulk-micromachined with high-aspect ratio, a process that has not been reported to be applied to glass previously. In addition to device fabrication, extensive laboratory testing was performed with various optical sources to determine loss mechanisms and emitted beam profiles in tissue across the relevant wavelength ranges, with particular focus on performance metrics for optogenetic and infrared neural stimulation applications. Optrode arrays were determined to be amenable to integration with typical neural stimulation and imaging light delivery mechanisms such as optical fibers and microscopes. Glass optrodes were able to transmit light at ~90% efficiency through depths many times greater than the tissue attenuation length, with negligible light in-coupling loss. Si optrodes were determined to be only ~40% efficient with losses mostly from high index contrast, tip backreflection, and taper radiation. The in-coupling technique and optrode geometry may be modified to produce illumination volumes appropriate for various experimental paradigms. While the focus of this work is on optical neural stimulation, optrode array devices have application in basic neuroscience research, highly selective photodynamic therapy, and deep tissue imaging for diagnostics and therapy

Implantable Low-Noise Fiberless Optoelectrodes for Optogenetic Control of Distinct Neural Populations

The mammalian brain is often compared to an electrical circuit, and its dynamics and function are governed by communication across different types neurons. To treat neurological disorders like Alzheimer’s and Parkinson’s, which are characterized by inhibition or amplification of neural activity in a particular region or lack of communication between different regions of the brain, there is a need to understand troubleshoot neural networks at cellular or local circuit level. In this work, we introduce a novel implantable optoelectrode that can manipulate more than one neuron type at a single site, independently and simultaneously. By delivering multi-color light using a scalable optical waveguide mixer, we demonstrate manipulation of multiple neuron types at precise spatial locations in vivo for the first time. We report design, micro-fabrication and optoelectronic packaging of a fiber-less, multicolor optoelectrode. The compact optoelectrode design consists of a 7 μm x 30 μm dielectric optical waveguide mixer and eight electrical recording sites monolithically integrated on each shank of a 22 μm-thick four-shank silicon neural probe. The waveguide mixers are coupled to eight side-emitting injection laser diodes (ILDs) via gradient-index (GRIN) lenses assembled on the probe backend. GRIN-based optoelectrode enables efficient optical coupling with large alignment tolerance to provide wide optical power range (10 to 3000 mW/mm2 irradiance) at stimulation ports. It also keeps thermal dissipation and electromagnetic interference generated by light sources sufficiently far from the sensitive neural signals, allowing thermal and electrical noise management on a multilayer printed circuit board. We demonstrated device verification and validation in CA1 pyramidal layer of mice hippocampus in both anesthetized and awake animals. The packaged devices were used to manipulate variety of multi-opsin preparations in vivo expressing different combinations of Channelrhodopsin-2, Archaerhodopsin and ChrimsonR in pyramidal and parvalbumin interneuron cells. We show effective stimulation, inhibition and recording of neural spikes at precise spatial locations with less than 100 μV stimulation-locked transients on the recording channels, demonstrating novel use of this technology in the functional dissection of neural circuits.PHDBiomedical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/137171/1/kkomal_1.pd

Nonlinear Processing of Shape Information in Rat Lateral Extrastriate Cortex

In rodents, the progression of extrastriate areas located laterally to primary visual cortex (V1) has been assigned to a putative object-processing pathway (homologous to the primate ventral stream), based on anatomical considerations. Recently, we found functional support for such attribution (Tafazoli et al., 2017), by showing that this cortical progression is specialized for coding object identity despite view changes, the hallmark property of a ventral-like pathway. Here, we sought to clarify what computations are at the base of such specialization. To this aim, we performed multielectrode recordings from V1 and laterolateral area LL (at the apex of the putative ventral-like hierarchy) of male adult rats, during the presentation of drifting gratings and noise movies. We found that the extent to which neuronal responses were entrained to the phase of the gratings sharply dropped from V1 to LL, along with the quality of the receptive fields inferred through reverse correlation. Concomitantly, the tendency of neurons to respond to different oriented gratings increased, whereas the sharpness of orientation tuning declined. Critically, these trends are consistent with the nonlinear summation of visual inputs that is expected to take place along the ventral stream, according to the predictions of hierarchical models of ventral computations and a meta-analysis of the monkey literature. This suggests an intriguing homology between the mechanisms responsible for building up shape selectivity and transformation tolerance in the visual cortex of primates and rodents, reasserting the potential of the latter as models to investigate ventral stream functions at the circuitry level.SIGNIFICANCE STATEMENT Despite the growing popularity of rodents as models of visual functions, it remains unclear whether their visual cortex contains specialized modules for processing shape information. To addresses this question, we compared how neuronal tuning evolves from rat primary visual cortex (V1) to a downstream visual cortical region (area LL) that previous work has implicated in shape processing. In our experiments, LL neurons displayed a stronger tendency to respond to drifting gratings with different orientations while maintaining a sustained response across the whole duration of the drift cycle. These trends match the increased complexity of pattern selectivity and the augmented tolerance to stimulus translation found in monkey visual temporal cortex, thus revealing a homology between shape processing in rodents and primates

Micromachined three-dimensional electrode arrays for in-vitro and in-vivo electrogenic cellular networks

This dissertation presents an investigation of micromachined three-dimensional microelectrode arrays (3-D MEAs) targeted toward in-vitro and in-vivo biomedical applications. Current 3-D MEAs are predominantly silicon-based, fabricated in a planar fashion, and are assembled to achieve a true 3-D form: a technique that cannot be extended to micro-manufacturing. The integrated 3-D MEAs developed in this work are polymer-based and thus offer potential for large-scale, high volume manufacturing. Two different techniques are developed for microfabrication of these MEAs - laser micromachining of a conformally deposited polymer on a non-planar surface to create 3-D molds for metal electrodeposition; and metal transfer micromolding, where functional metal layers are transferred from one polymer to another during the process of micromolding thus eliminating the need for complex and non-repeatable 3-D lithography processes. In-vitro and in-vivo 3-D MEAs are microfabricated using these techniques and are packaged utilizing Printed Circuit Boards (PCB) or other low-cost manufacturing techniques. To demonstrate in-vitro applications, growth of 3-D co-cultures of neurons/astrocytes and tissue-slice electrophysiology with brain tissue of rat pups were implemented. To demonstrate in-vivo application, measurements of nerve conduction were implemented. Microelectrode impedance models, noise models and various process models were evaluated. The results confirmed biocompatibility of the polymers involved, acceptable impedance range and noise of the microelectrodes, and potential to improve upon an archaic clinical diagnostic application utilizing these 3-D MEAs.Ph.D.Committee Chair: Mark G. Allen; Committee Member: Elliot L. Chaikof; Committee Member: Ionnis (John) Papapolymerou; Committee Member: Maysam Ghovanloo; Committee Member: Oliver Bran