Distributed coding of sound locations in the auditory cortex

Although the auditory cortex plays an important role in sound localization, that role is not well understood. In this paper, we examine the nature of spatial representation within the auditory cortex, focusing on three questions. First, are sound-source locations encoded by individual sharply tuned neurons or by activity distributed across larger neuronal populations? Second, do temporal features of neural responses carry information about sound-source location? Third, are any fields of the auditory cortex specialized for spatial processing? We present a brief review of recent work relevant to these questions along with the results of our investigations of spatial sensitivity in cat auditory cortex. Together, they strongly suggest that space is represented in a distributed manner, that response timing (notably first-spike latency) is a critical information-bearing feature of cortical responses, and that neurons in various cortical fields differ in both their degree of spatial sensitivity and their manner of spatial coding. The posterior auditory field (PAF), in particular, is well suited for the distributed coding of space and encodes sound-source locations partly by modulations of response latency. Studies of neurons recorded simultaneously from PAF and/or A1 reveal that spatial information can be decoded from the relative spike times of pairs of neurons – particularly when responses are compared between the two fields – thus partially compensating for the absence of an absolute reference to stimulus onset.Peer Reviewedhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/47436/1/422_2003_Article_439.pd

Unified selective sorting approach to analyse multi-electrode extracellular data

Extracellular data analysis has become a quintessential method for understanding the neurophysiological responses to stimuli. This demands stringent techniques owing to the complicated nature of the recording environment. In this paper, we highlight the challenges in extracellular multi-electrode recording and data analysis as well as the limitations pertaining to some of the currently employed methodologies. To address some of the challenges, we present a unified algorithm in the form of selective sorting. Selective sorting is modelled around hypothesized generative model, which addresses the natural phenomena of spikes triggered by an intricate neuronal population. The algorithm incorporates Cepstrum of Bispectrum, ad hoc clustering algorithms, wavelet transforms, least square and correlation concepts which strategically tailors a sequence to characterize and form distinctive clusters. Additionally, we demonstrate the influence of noise modelled wavelets to sort overlapping spikes. The algorithm is evaluated using both raw and synthesized data sets with different levels of complexity and the performances are tabulated for comparison using widely accepted qualitative and quantitative indicators

Pharmacological modulation of Kv3.1 mitigates auditory midbrain temporal processing deficits following auditory nerve damage

Higher stages of central auditory processing compensate for a loss of cochlear nerve synapses by increasing the gain on remaining afferent inputs, thereby restoring firing rate codes for rudimentary sound features. The benefits of this compensatory plasticity are limited, as the recovery of precise temporal coding is comparatively modest. We reasoned that persistent temporal coding deficits could be ameliorated through modulation of voltage-gated potassium (Kv) channels that regulate temporal firing patterns. Here, we characterize AUT00063, a pharmacological compound that modulates Kv3.1, a high-threshold channel expressed in fast-spiking neurons throughout the central auditory pathway. Patch clamp recordings from auditory brainstem neurons and in silico modeling revealed that application of AUT00063 reduced action potential timing variability and improved temporal coding precision. Systemic injections of AUT00063 in vivo improved auditory synchronization and supported more accurate decoding of temporal sound features in the inferior colliculus and auditory cortex in adult mice with a near-complete loss of auditory nerve afferent synapses in the contralateral ear. These findings suggest modulating Kv3.1 in central neurons could be a promising therapeutic approach to mitigate temporal processing deficits that commonly accompany aging, tinnitus, ototoxic drug exposure or noise damage

PDMS기반의 고원형 신경 접속 전극 구조 설계 및 구현

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·정보공학부, 2016. 2. 서종모.복잡한 표면 굴곡을 갖는 신경 조직과 효과적으로 인터페이스하기 위한 PDMS기반의 유연한 평판형 미세전극을 개발하고 그 성능을 검증하였다. 기록전극 측면에서, 기존의 요철형 전극 구조를 탈피하고 고원지형 모양의 전극을 특징으로하는 플라토(plateau)전극 제조 방법을 제안하였다. 기존의 다른 생체적합성 폴리머인 폴리이미드나 패럴린으로 제작된 다채널전극은 낮은 적합성(conformability)과 신경조직과 비교하여 높은 영률 그리고 뉴런과 전극 사이에 공기 갇힘 현상이 발생하는 한계를 가지고 있었다. 전극의 요철 구조는 뇌와 같이 부드러운 신경 조직에서는 재분포(repopulation)현상으로 문제가 완화되지만 척수와 같이 신경 다발로 이루어진 조직에서는 신호 열화의 주된 요인이 되었다. 본 연구에서사용한PDMS는생체적합성폴리머중가장신경조직과의영률이유사하고 뛰어난 적합성을 가지고 있어 기록용전극의 재료로 적합하다. 그러나 다른폴리머와 유사하게 PDMS의 소수성 특성으로 인하여 전극의 크기가 작아질수록 공기 갇힘현상이 두드러지게 발생하였고 이로인하여 실험의 신뢰성에 문제가 발생하였다. 개발된 플라토전극은 신경조직과의 적합성 및 공기 갇힘 현상을 효과적으로 해결함으로써 신뢰성있는 동물실험을 수행할 수 있었다. 자극전극 측면에서, 기존 수직형 벽면 전극의 전류 밀도 분포는 전극의 가장자리에서 가장 강하게 나타나 조직을 균일하게 자극하기 어려웠다. 하지만 전극의 벽면 모양에 따라 전극의 표면에 유기되는 전류 밀도 분포가 변하는 것을 확인하고 PDMS기반의 경사벽면을 갖는 전극 제작 기법을 제안하고 제작하였다. 경사각을 제어하기 위해서 음성감광제의 노광에너지를 변화시키는 방법을 이용하였다. 과소노광정도와 마스크와 감광제의 간격에 따라 감광제 기둥의 경사를 효율적으로 제어할 수 있으며,이를 이용하여 전극 벽면의 경사를 제어할 수 있었다. 그리고 수직 벽면 전극, 경사벽면 전극, 표면 부착형 전극구조에서 전류 밀도 분포를 검증하기 위하여 COMSOL을 이용해 전류 밀도 분포를 시뮬레이션하였다. 다층 기판 제작에 있어 가장 중요한 층간연결 기법을 기존의 수직형 층간연결에서 경사형 층간연결로 대체함으로써 도금공정없이 다층기판을 제작하는 공정 기술을 제안하였다. 그리고 층간연결 과정에서 PDMS와 금을 연결하기 위한 티타늄을 배제하는 공정을 제안함으로써 층간연결에서 발생하는 저항을 효과적을 방지하였다. 그리고 PDMS기판의 인장 및 굽힘시험을 수행하여 인장비율이4%이내에서는 단선이 발생하지 않음을 확인하였고 3000회의굽힘 실험 동안에 성능의 열화가 미미함을 확인하였다. 본 연구에서는 8개의 층간연결과 5회의 도선 교차가 발생하는 양면 기판을 제작하여 제안 기법의 유효성을 검증하였다. 기존 방식으로 제작한 오목한(recessed) 전극과 제안한 플라토 전극을 이용하여 동물 실험을 수행하였다. 오목한 전극에서는 공기 갇힘 현상으로 인하여 신뢰성 있는 신호 기록이 이루어지지 않았으나, 플라토 전극에서는 공기 갇힘 현상이 일어나지 않아 효과적으로 생체 신호를 기록할 수 있었다. 동물 실험은 두가지 환경에서 진행하였는데, 한 실험은 설치류의 회음부를 물리적으로 자극함으로써 발생하는 척수신경 신호를 기록함으 로써 자극의 유효성을 검증하였고, 다른하나는 2가지의 냄새물질을 설치류의 코에 주입한 후, 뇌의 후각망울에서 그 신호를 측정함으로써 자극의 유효성을 검증하였다.I. 서 론 1 1.1 신경 접속 기술 1 1.2 다채널 전극열 기술 4 1.2.1 폴리머 기반의 유연한 표면형 MEA 6 1.2.2 실리콘 고무 9 1.2.3 PDMS 기반의 유연한 표면형 MEA 12 1.3 PDMS기반의 반도체 공정 기술 15 1.3.1 미세 공정 문제 15 1.3.2 기록 전극 문제 16 1.3.3 자극 전극 문제 17 1.3.4 다층 기판 문제 18 1.4 요약 20 II. 연구 방법 23 2.1 PDMS를 이용한 반도체 공정 24 2.1.1 표면 처리 기술 24 2.1.2 금속 도선 식각 29 2.1.3 기존의 PDMS 패터닝 기법 42 2.1.4 제안 주물 기법 44 2.2 기록용 플라토(Plateau) 전극 50 2.2.1 플라토 전극 제작 공정 51 2.2.2 전극 프로파일 56 2.2.3 임피던스 측정 58 2.2.4 전극의 표면 접촉 성능 60 2.3 자극용 경사 전극(slated-edge electrode) 60 2.3.1 기존 전극의 전류 밀도 문제 61 2.3.2 경사 전극 제작 공정 62 2.3.3 신뢰성 실험 67 2.3.4 전극 구조에 따른 전류 밀도 분포 시뮬레이션 69 2.4 PDMS 기반의 다층 기판 제작의 필요성 69 2.4.1 MPTMS를 이용한 PDMS 표면 개질 71 2.4.2 열압착기를 이용한 PDMS박막 평탄도 향상 73 2.4.3 다층 기판을 위한 연결통로(Via) 구조 74 2.4.4 다층 기판 제작 공정 기법 75 2.4.5 정전 용량 측정 79 2.5 플라토(plateau) 전극을 이용한 동물실험 79 2.5.1 신경 신호 기록을 위한 인터페이스 제작 80 2.5.2 척수 신경 신호 기록 실험 82 2.5.3 후각망울 신경 신호 기록 실험 84 III. 결론 86 3.1 PDMS 기반의 반도체 공정 결과 86 3.1.1 PDMS 표면 개질 결과 86 3.1.2 금속 박막과 PDMS 계면의 접착력 실험 결과 86 3.1.3 금속 도선 제작 실험 결과 90 3.1.4 인장 및 굽힘 실험 결과 97 3.1.5 PDMS 패터닝 기법 결과 98 3.2 기록용 플라토 전극 제작 결과 110 3.2.1 전극 3D 프로파일 결과 111 3.2.2 임피던스 측정 결과 114 3.2.3 공기 갇힘 현상 방지 결과 117 3.3 자극용 경사 전극 제작 결과 117 3.3.1 신뢰성 실험 결과 121 3.3.2 전류 밀도 분포 시뮬레이션 결과 122 3.4 PDMS기반의 다층 기판 제작 결과 124 3.4.1 정전용량 측정결과 124 3.4.2 누화(cross talk) 잡음 127 3.4.3 레이저를 이용한 외형 절단 및 MEA 회수 130 3.5 In Vivo 실험 132 3.5.1 척수 신경 신호 기록 실험 결과 132 3.5.2 후각망울 신경 신호 기록 실험 결과 135 IV. 토의 139 4.1 PDMS 표면처리 기술 139 4.2 사진공정을 위한 음성 감광제 선택 140 4.3 유기 용액에 의한 PDMS 변형 141 4.4 주물 공정 제안 141 4.5 기록용 플라토 전극 142 4.6 자극용 완만한 경사 전극 142 4.7 다층 기판 제작을 위한 연결통로 143 V. 결론 및 향후 연구방향 144 5.1 결론 144 5.2 향후 연구방향 146 참고 문헌 148 Abstract 161Docto

Integration eines Neuro-Sensors in ein Messsystem sowie Untersuchungen zur Unit-Separation

An der Universität Rostock wurde im Rahmen einer Dissertation ein neuartiger CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) Sensorchip zur extrazellulären Analyse elektrisch aktiver biologischer Zellen eingesetzt. Dieser Chip besitzt außer einem MEA (Multielektrodenarray) noch weitere FET (Field Effect Transistor)-basierte Sensoren zur Erfassung unterschiedlicher Zellparameter. Neben der Inbetriebnahme dieses Sensors wurden externe Hardware zur Messwerterfassung und Algorithmen zur Signalaufbereitung entworfen und realisiert. Das Ziel war die Schaffung eines Cell Monitor Systems (CMS) zur teilautomatisierten Nutzung des Silizium-basierten Sensorchips.At the University of Rostock a new hybrid CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensor chip has been applied to analyse biological electrogenic cells. This chip consists of a MEA (Multi Electrode Array) and several types of FET (Field Effect Transistor) based sensors to monitor substance dependent cell reactions in-vitro. The system consists of the actual sensor chip including a cell culture area, an external hardware platform for data acquisition and digital signal processing algorithms for signal conditioning. Finally a Cell Monitor System (CMS) for the semi-automatic data acquisition was realised to increase the efficiency of the sensor chip usage