Comparative study of extracellular recording methods for analysis of afferent sensory information: Empirical modeling, data analysis and interpretation

Background: Physiological studies of sensorial systems often require the acquisition and processing of data extracted from their multiple components to evaluate how the neural information changes in relation to the environment changes. In this work, a comparative study about methodological aspects of two electrophysiological approaches is described. New method: Extracellular recordings from deep vibrissal nerves were obtained by using a customized microelectrode Utah array during passive mechanical stimulation of rat´s whiskers. These recordings were compared with those obtained with bipolar electrodes. We also propose here a simplified empirical model of the electrophysiological activity obtained from a bundle of myelinated nerve fibers. Results: The peripheral activity of the vibrissal system was characterized through the temporal and spectral features obtained with both recording methods. The empirical model not only allows the correlation between anatomical structures and functional features, but also allows to predict changes in the CAPs morphology when the arrangement and the geometry of the electrodes changes. Comparison with existing method(s): This study compares two extracellular recording methods based on analysis techniques, empirical modeling and data processing of vibrissal sensory information. Conclusions: This comparative study reveals a close relationship between the electrophysiological techniques and the processing methods necessary to extract sensory information. This relationship is the result of maximizing the extraction of information from recordings of sensory activity.Fil: Farfan, Fernando Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas; Argentina. Universidad Nacional de Tucumán. Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología. Departamento de Bioingeniería. Laboratorio de Medios e Interfases; ArgentinaFil: Soto Sanchez, Cristina. Universidad de Miguel Hernández; España. Consorcio Centro de Investigación Biomédica en Red de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina; EspañaFil: Pizá, Alvaro Gabriel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas; Argentina. Universidad Nacional de Tucumán. Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología. Departamento de Bioingeniería. Laboratorio de Medios e Interfases; ArgentinaFil: Albarracin, Ana Lia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas; Argentina. Universidad Nacional de Tucumán. Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología. Departamento de Bioingeniería. Laboratorio de Medios e Interfases; ArgentinaFil: Soletta, Jorge Humberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas; Argentina. Universidad Nacional de Tucumán. Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología. Departamento de Bioingeniería. Laboratorio de Medios e Interfases; ArgentinaFil: Lucianna, Facundo Adrián. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas; Argentina. Universidad Nacional de Tucumán. Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología. Departamento de Bioingeniería. Laboratorio de Medios e Interfases; ArgentinaFil: Fernandez, Esteve. Universidad de Miguel Hernández; España. Consorcio Centro de Investigación Biomédica en Red de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina; Españ

Information Theory is abused in neuroscience

In 1948, Claude Shannon introduced his version of a concept that was core to Norbert Wiener's cybernetics, namely, information theory. Shannon's formalisms include a physical framework, namely a general communication system having six unique elements. Under this framework, Shannon information theory offers two particularly useful statistics, channel capacity and information transmitted. Remarkably, hundreds of neuroscience laboratories subsequently reported such numbers. But how (and why) did neuroscientists adapt a communications-engineering framework? Surprisingly, the literature offers no clear answers. To therefore first answer "how", 115 authoritative peer-reviewed papers, proceedings, books and book chapters were scrutinized for neuroscientists' characterizations of the elements of Shannon's general communication system. Evidently, many neuroscientists attempted no identification of the system's elements. Others identified only a few of Shannon's system's elements. Indeed, the available neuroscience interpretations show a stunning incoherence, both within and across studies. The interpretational gamut implies hundreds, perhaps thousands, of different possible neuronal versions of Shannon's general communication system. The obvious lack of a definitive, credible interpretation makes neuroscience calculations of channel capacity and information transmitted meaningless. To now answer why Shannon's system was ever adapted for neuroscience, three common features of the neuroscience literature were examined: ignorance of the role of the observer, the presumption of "decoding" of neuronal voltage-spike trains, and the pursuit of ingrained analogies such as information, computation, and machine. Each of these factors facilitated a plethora of interpretations of Shannon's system elements. Finally, let us not ignore the impact of these "informational misadventures" on society at large. It is the same impact as scientific fraud

Neural encoding schemes of tactile information in afferent activity of the vibrissal system

When rats acquire sensory information by actively moving their vibrissae, a neural code is manifested at different levels of the sensory system. Behavioral studies in tactile discrimination agree that rats can distinguish different roughness surfaces by whisking their vibrissae. The present study explores the existence of neural encoding in the afferent activity of one vibrissal nerve. Two neural encoding schemes based on “events” were proposed (cumulative event count and median inter-event time). The events were detected by using an event detection algorithm based on multiscale decomposition of the signal (Continuous Wavelet Transform). The encoding schemes were quantitatively evaluated through the maximum amount of information which was obtained by the Shannon’s mutual information formula. Moreover, the effect of difference distances between rat snout and swept surfaces on the information values was also studied. We found that roughness information was encoded by events of 0.8 ms duration in the cumulative event count and event of 1.0 to 1.6 ms duration in the median inter-event count. It was also observed that an extreme decrease of the distance between rat snout and swept surfaces significantly reduces the information values and the capacity to discriminate among the sweep situations.Fil: Farfan, Fernando Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucuman. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucuman. Instituto Superior de Investigaciones Biologicas; Argentina. Universidad Nacional de Tucuman. Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología. Departamento de Bioingeniería. Laboratorio de Medios e Interfases; ArgentinaFil: Albarracin, Ana Lia. Universidad Nacional de Tucuman. Facultad de Medicina; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Felice, Carmelo Jose. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucuman. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucuman. Instituto Superior de Investigaciones Biologicas; Argentina. Universidad Nacional de Tucuman. Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología. Departamento de Bioingeniería. Laboratorio de Medios e Interfases; Argentin

Biomimétoca Neuronal del Sistema Sensorial Periférico de las Vibrisas de la Rata

Este trabajo de tesis está basado en un importante know-how de procedimientos electrofisiológicos para el estudio del sistema vibrisal de la rata, los cuales incluyen estudios de conducción nerviosa para comprender los mecanismos fisiológicos del sistema y estudios conductuales. Estos estudios fueron dirigidos a una de las capacidades sensoriales más sobresalientes de la rata: la capacidad de discriminar objetos de diferentes texturas. Se pusieron en evidencia estrategias conductuales que permitirían a los roedores mejorar la percepción de la información táctil y la existencia de patrones temporales en los aferentes primarios relacionados a la rugosidad de las superficies palpadas.Estos hallazgos electrofisiológicos condujeron, naturalmente, a preguntas tales como: ¿qué característica física de la superficie de rozamiento está siendo codificada por el sistema vibrisal en determinadas condiciones?, ¿Cómo se trasmite esa información? y ¿todas las vibrisas transmiten de igual forma la información?Para comenzar a responder estas preguntas, fue necesario abordar el estudio de las características morfológicas relevantes de las superficies de rozamiento, desarrollar técnicas de procesamiento de la información de las señales electrofisiológicas, modelar el sistema y estudiar posibles diferencias funcionales entre las vibrisas. Así quedaron planteados los objetivos de la tesis.En el desarrollo de este trabajo de tesis se propuso una herramienta estadística, basada en la teoría de la información, que nos permitió cuantificar la información táctil presente en la actividad eléctrica de las fibras nerviosas que inervan las vibrisas; se modeló matemáticamente el comportamiento eléctrico del nervio vibrisal lo que permitió interpretar mejor el significado/motivo por el cual los potenciales evocados del registro se presentan con diferentes formas, amplitud y duración; se realizaron registros electrofisiológicos en la innervación de varias vibrisas en forma simultánea cuando estas eran estimuladas con superficies de diferente rugosidad para revelar y caracterizar los códigos neuronales involucrados en la integración sensorial. Además, se hizo un análisis de respuesta en frecuencia de varias vibrisas que demostró qué, aunque todos los senos foliculares son anatómicamente similares, funcionalmente son muy diferentes. Cada folículo está preparado para tener mayor sensibilidad para un estímulo de frecuencia específico, que a su vez está en sintonía con su vibrisa, cuya frecuencia de resonancia depende exclusivamente de sus características físicas.Por último, considerando los parámetros generales del proceso de transducción determinados en el transcurso de la tesis tales como linealidad, sensibilidad y capacidad de adaptación a diferentes modalidades del estímulo, se plantearon los criterios para una futura implementación en sistemas tecnológicos multisensoriales biomiméticos lo cual representa el mayor aporte de la tesis al conocimiento científico y tecnológico.Fil: Pizá, Alvaro Gabriel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas; Argentin