Comparison of three spike detectors dedicated to single unit action potentials of the auditory nerve

International audienceThis paper compares three methods for the detection of single unit action potentials in auditory nerve. The detector structures are similar consisting of a filtering procedure in the first stage and a decision rule in the second stage. The detection accuracy of each detector is characterized by the couple probability of a true detection vs. rates of false detection with synthetic data. The performance comparison between detectors shows that the detector using a band-pass finite-impulse-response filter with complex coefficients offers the best performance. This observation was especially evident for low signal to noise ratios. This finding is confirmed with real data and leads us to revise the protocol of spike detection in auditory nerve

Spiking Pattern of the Mouse Developing Inner Hair Cells Is Mostly Invariant Along the Tonotopic Axis

During development, the sensory cells of the cochlea, the inner hair cells (IHCs), fire spontaneous calcium action potentials. This activity at the pre-hearing stage allows the IHCs to autonomously excite the auditory nerve fibers and hence, represents an efficient mechanism to shape the tonotopic organization along the ascending auditory pathway. Using calcium imaging, we show that the activity in the developing cochlea consists of calcium waves that propagate across the supporting and sensory cells. Both basal and apical IHCs were characterized by similar spontaneous calcium transients interspaced with silent periods, consistent with bursts of action potentials recorded in patch-clamp. In addition, adjacent auditory hair cells tend to have a synchronized [Ca2+]i activity, irrespective of their location along the base-to-apex gradient of the cochlea. Finally, we show that the mechanical ablation of the inner phalangeal cells (IPCs), a class of supporting cells, reduces the synchronized [Ca2+]i activity between neighboring sensory cells. These findings support the hypothesis that the tonotopic map refinement in higher auditory centers would depend on the synchronization of a discrete number of auditory sensory cells

Analyse de distributions spatio-temporelles de transitoires dans des signaux vectoriels. Application à la détection-classification d'activités paroxystiques intercritiques dans des observations EEG

President du Jury : Jean-Louis Coatrieux (Directeur de recherche INSERM)Rapporteur 1 : Pedro Guedes de Oliveira (Professeur des universités de Porto)Rapporteur 2 : Didier Wolf (Professeur des universités à Nancy)Examinateur 1 : Patrick Chauvel (Professeur des universités à Marseille)Examinateur 2 : Fabrice Wendling (Chargé de recherche INSERM)Examinateur 3 : Jean-Jacques Bellanger (Maître de conférence à l'université de Rennes1)Electroencephalographic signals (EEG) recorded in epileptic patients reflect, apart from periods corresponding to seizures, transient signals referred to as "interictal epileptiform events" (IEEs). The analysis of IEEs can contribute to the study of intractable partial epilepsies. A method of characterization of the spatio-temporal distribution of IEEs in depth-EEG recordings is presented. The method proceeds in four steps:1. Detection of monochannel IEEs. The detection method, based on a heuristic approach, uses a wavelet filter banks to enhance the sharp part of IEEs. The mean value of the obtained statistics is analyzed by a Page-Hinkley algorithm aimed at detecting abrupt changes corresponding to spikes.2. Fusion of monochannels IEEs. The procedure looks for co-occurents monochannels IEEs using a sliding temporal window and builts multichannels IEEs.3. Extraction of subsets of channels frequently and significantly active during multichannels IEE (called "activation sets").4. Evaluation of the existence of a reproducible temporal order (possibly partial) in extracted activation sets.Methods proposed in each step have been evaluated with simulated EEG signals (step 1) and Markovian models (steps 2-4). The results show that the whole method is robust to false alarms. This method is applied to long duration signals recorded in 8 patients (each one containing several thousands of IEEs). The results show a high reproducibility of the spatio-temporal distributions of IEEs and allow identification of particular anatomo-functional networks.Les signaux électroencéphalographiques enregistrés chez les patients épileptiques reflètent, en dehors des périodes correspondant aux crises d'épilepsie, des signaux transitoires appelés "activités épileptiformes" (AE). L'analyse des AE peut contribuer à l'étude des épilepsies partielles pharmaco-résistantes. Une méthode de caractérisation de la dynamique spatio-temporelle des AE dans des signaux EEG de profondeur est présentée dans ce document. La méthode est constituée de quatre étapes:1. Détection des AE monovoie. La méthode de détection, qui repose sur une approche heuristique, utilise un banc de filtres en ondelettes pour réhausser la composante pointue des AE (généralement appelée "spike" dans la littérature). La valeur moyenne des statistiques obtenues en sortie de chaque filtre est ensuite analysée avec un algorithme de Page-Hinkley dans le but de détecter des changements abrupts correspondant aux spikes.2. Fusion des AE. Cette procédure recherche des co-occurrences entre AE monovoie à l'aide d'une fenêtre glissante puis forme des AE multivoies.3. Extraction des sous-ensembles de voies fréquement et significativement activées lors des AE multivoies (appelés "ensembles d'activation").4. Evaluation de l'éxistence d'un ordre d'activation temporel reproductible (éventuellement partiel) au sein de chaque ensemble d'activation.Les méthodes proposées dans chacune des étapes ont tout d'abord été évaluées à l'aide de signaux simulés (étape 1) ou à l'aide de models Markoviens (étapes 2-4). Les résultats montrent que la méthode complète est robuste aux effets des fausses-alarmes. Cette méthode a ensuite été appliquée à des signaux enregistrés chez 8 patients (chacun contenant plusieurs centaines d'AE). Les résultats indiquent une grande reproductibilité des distributions spatio-temporelles des AE et ont permis l'identification de réseaux anatomo-fonctionnels spécifiques

Modélisation mathématique de l'activité électrophysiologique des neurones auditifs primaires

En réponse à une stimulation sonore, la cellule ciliée interne libère du glutamate qui va activer des récepteurs distribués sur le bouton post-synaptique. Les courants post-synaptiques vont ensuite dépolariser la terminaison périphérique des neurones auditifs primaires, et initier le déclenchement d'un potentiel d'action. Tandis que la connaissance des mécanismes pré-synaptiques a considérablement progressé ces 10 dernières années, les mécanismes responsables de l'initiation des potentiels d'action sont encore méconnus. Dans cette étude, nous avons déterminé les conductances ioniques nécessaires au déclenchement des potentiels d'action.Les paramètres biophysiques des conductances (Na+ et K+) ont été identifiés (algorithme d'identification trace entière) à partir d'enregistrements de patch clamp acquis sur les corps cellulaires. Un modèle mathématique de nœud de Ranvier a ensuite été développé en faisant l'hypothèse que les canaux présents sur le corps cellulaire et sur un nœud de Ranvier étaient de même nature mais en densité différente. Les paramètres de ce modèle ont été identifiés pour reproduire les potentiels d'action extracellulaire au moyen d'un algorithme de descente du gradient.Nous avons identifié : i) un courant Na+ entrant rapide (GNa activation: V1/2=-33 mV, tau_act< 0.5 ms; inactivation: V1/2=-61 mV, tau_inact < 2 ms) et deux courants K+ sortants, un rectifiant retardé activé à haut seuil (GKH, activation: V1/2=-41 mV; tau_act < 2.5 ms) et un activé à bas seuil (GKL, activation: V1/2=-56 mV; tau_act < 5 ms). Le modèle de nœud de Ranvier génère des potentiels d'action extracellulaire similaires à ceux enregistrés in vivo. La différence de durée du potentiel d'action observée le long de l'axe tonotopique (i.e. 450 s de durée pic à pic à 1 kHz contre 250 s à 20 kHz) s'explique parfaitement par un gradient de densité en canaux ioniques le long de la cochlée (GNa ~78 nS, GKL ~9 nS, GKH ~3 nS à 1 kHz contre GNa ~90 nS, GKL ~12 nS, GKH ~6 nS à 20 kHz).Cette étude a permis d'identifier les conductances ioniques et les densités de canaux responsables de l'initiation des potentiels d'action dans les neurones auditifs primaires. Elle suggère que la coopération entre le courant Na+ et des 2 courants K+ est probablement à l'origine de la haute fréquence de décharge de ces neurones. Le modèle de nœud de Ranvier permet en outre de tester de nouvelles stratégies de stimulation électrique dans le contexte de l'implant cochléaire.In response to sound stimulation, inner hair cell triggers glutamate release onto the dendrite-like processes of primary auditory neurons and drives action potentials, which are convey to the central nervous system. Whereas knowledge of the transfer function at the ribbon synapse has considerably progress, little is known about the voltage-gated ionic channels which shape the action potential. Here, we provide a comprehensive computational model bridging the gap between the voltage-dependent currents measured in vitro on fresh isolated primary auditory neurons and spikes (extracellular action potentials) recorded in vivo from guinea pig auditory nerve fibers.Voltage-dependent currents (Na+ and K+) of SGNs somata patch-clamp recordings were fitted by a Hodgkin-Huxley model with a full trace identification algorithm. Node of Ranvier model was designed from the hypothesis that channel expressed on soma were identical, but differ in density. Simulated spikes were adjusted in order to match in vivo single-unit recordings with gradient-descent algorithm. Computation of the data allows to the identification of: i) one fast inward Na current (GNa activation: V1/2=-33 mV, act< 0.5 ms; inactivation: V1/2=-61 mV, inact < 2 ms); and ii) two K conductances, a high voltage-activated delayed-rectifier component (GKH, activation: V1/2=-41 mV; act < 2.5 ms) and a low voltage-activated component (GKL, activation: V1/2=-56 mV; act < 5 ms). Node of Ranvier model generate spikes that fit with in vivo recordings. Interestingly, the different spike durations along the tonotopic axis measured in vivo (i.e. 450 s peak-to-peak duration versus 250 s for 1 to 20 kHz, respectively) was explain by a gradual change in Na and K channel densities along the cochlea (GNa ~78 nS, GKL ~9 nS, GKH ~3 nS at 1 kHz versus GNa ~90 nS, GKL ~12 nS, GKH ~6 nS at 20 kHz).This study identifies the ionic conductances and densities, which shape the action potential waveform of auditory nerve fibers and suggests that the interplay of fast inward Na+ current and the two K+ enables the auditory nerve fibers to sustain high firing rates. In addition, this node of Ranvier model provides a valuable tool to design new electrical stimulation strategies for cochlear implants.MONTPELLIER-BU Sciences (341722106) / SudocSudocFranceF

Analyse de distributions spatio-temporelles de transitoires dans des signaux vectoriels. Application à la détection classificationd'activités paroxystiques intercritiques dans des observations EEG

Les signaux électroencéphalographiques (EEG) enregistrés chez des patients épileptiques reflètent, en dehors des périodes correspondant aux crises, de nombreux signaux transitoires appelés "événements paroxystiques intercritiques" (EPIC) dont l'analyse peut contribuer à l'étude des épilepsies partielles pharmacorésistantes. Une méthode de caractérisation de la distribution spatio-temporelle des EPIC à partir des enregistrements EEG de profondeur est présentée. Les EPIC sont détectés puis analysés afin d'extraire des ensembles de sites distribués dans les structures cérébrales, conjointement et significativement impliqués. Cette méthode est appliquée à des signaux de longue durée enregistrés chez 8 sujets comptant chacun plusieurs milliers d'EPIC. Les résultats montrent une reproductibilité élevée des distributions spatio-temporelles des EPIC. La méthode constitue un premier pas vers une mise en correspondance objective de l'organisation des EPIC avec celle des crises.RENNES1-BU Sciences Philo (352382102) / SudocSudocFranceF

Wavelet-Based Spike Sorting of Muscle Spindle Afferent Nerve Activity Recorded With Thin-Film Intrafascicular Electrodes

International audienceThe continuous complex wavelet transform offers a convenient framework for neural spike sorting. Results show that wavelet-based neural spike detection outperforms simple threshold detection, especially with signals with low signal to noise ratio. Classification of action potentials using their signatures in wavelet space performed as well as a classifier based upon principal components analysis, and better than a classifier based upon template matching. Applied on experimental intrafascicular recordings of muscle spindle afferent nerve response to passive muscle stretch, the spike sorting algorithm manages to isolate afferent activity of units having a linear relationship between neural firing rate and muscle length, an important step towards a model-based estimator of muscle length

Epileptic fast intracerebral EEG activity: evidence for spatial decorrelation at seizure onset.

Low-voltage rapid discharges (or fast EEG ictal activity) constitute a characteristic electrophysiological pattern in focal seizures of human epilepsy. They are characterized by a decrease of signal voltage with a marked increase of signal frequency (typically beyond 25 Hz). They have long been observed in stereoelectroencephalographic (SEEG) signals recorded with intra-cerebral electrodes, generally occurring at seizure onset and simultaneously involving distinct brain regions. Spectral properties of rapid ictal discharges as well as spatial correlations measured between SEEG signals generated from distant sites before, during and after these discharges were studied. Cross-correlation estimates within typical EEG sub-bands and statistical tests performed in 10 patients suffering from partial epilepsy (frontal, temporal or fronto-temporal) reveal that SEEG signals are significantly de-correlated during the discharge period compared with periods that precede and follow this discharge. These results can be interpreted as a functional decoupling of distant brain sites at seizure onset followed by an abnormally high re-coupling when the seizure develops. They lead to the concept of 'disruption' that is complementary of that of 'activation' (revealed by significantly high correlations between signals recorded during seizures), both giving insights into our understanding of pathophysiological processes involved in human partial epilepsies as well as in the interpretation of clinical semiology

Actin Filaments Regulate Exocytosis at the Hair Cell Ribbon Synapse

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Detection of synchronized firings in multivariate neural spike trains during motor tasks

International audienceThis paper describes and compares two classical methods for the detection of neuron groups which exhibit synchronized firings in multivariate spike trains. These methods were compared on experimental and randomized data corresponding to the firing activity of 104 neurons located in motor, premotor, and parietal cortices in a monkey during movement tasks. Both methods exhibited high false positive rates in randomized data, but results showed that this rate can be advantageously reduced with a simple postprocessing. Otherwise, one method permitted to detect a significant number of synchronized groups of neurons related to the behavioral task

Spatiotemporal pattern of action potential firing in developing inner hair cells of the mouse cochlea

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