Neural Computation via Neural Geometry: A Place Code for Inter-whisker Timing in the Barrel Cortex?

The place theory proposed by Jeffress (1948) is still the dominant model of how the brain represents the movement of sensory stimuli between sensory receptors. According to the place theory, delays in signalling between neurons, dependent on the distances between them, compensate for time differences in the stimulation of sensory receptors. Hence the location of neurons, activated by the coincident arrival of multiple signals, reports the stimulus movement velocity. Despite its generality, most evidence for the place theory has been provided by studies of the auditory system of auditory specialists like the barn owl, but in the study of mammalian auditory systems the evidence is inconclusive. We ask to what extent the somatosensory systems of tactile specialists like rats and mice use distance dependent delays between neurons to compute the motion of tactile stimuli between the facial whiskers (or ‘vibrissae’). We present a model in which synaptic inputs evoked by whisker deflections arrive at neurons in layer 2/3 (L2/3) somatosensory ‘barrel’ cortex at different times. The timing of synaptic inputs to each neuron depends on its location relative to sources of input in layer 4 (L4) that represent stimulation of each whisker. Constrained by the geometry and timing of projections from L4 to L2/3, the model can account for a range of experimentally measured responses to two-whisker stimuli. Consistent with that data, responses of model neurons located between the barrels to paired stimulation of two whiskers are greater than the sum of the responses to either whisker input alone. The model predicts that for neurons located closer to either barrel these supralinear responses are tuned for longer inter-whisker stimulation intervals, yielding a topographic map for the inter-whisker deflection interval across the surface of L2/3. This map constitutes a neural place code for the relative timing of sensory stimuli

The Evolution of Compact Binary Star Systems

We review the formation and evolution of compact binary stars consisting of white dwarfs (WDs), neutron stars (NSs), and black holes (BHs). Binary NSs and BHs are thought to be the primary astrophysical sources of gravitational waves (GWs) within the frequency band of ground-based detectors, while compact binaries of WDs are important sources of GWs at lower frequencies to be covered by space interferometers (LISA). Major uncertainties in the current understanding of properties of NSs and BHs most relevant to the GW studies are discussed, including the treatment of the natal kicks which compact stellar remnants acquire during the core collapse of massive stars and the common envelope phase of binary evolution. We discuss the coalescence rates of binary NSs and BHs and prospects for their detections, the formation and evolution of binary WDs and their observational manifestations. Special attention is given to AM CVn-stars -- compact binaries in which the Roche lobe is filled by another WD or a low-mass partially degenerate helium-star, as these stars are thought to be the best LISA verification binary GW sources.Comment: 105 pages, 18 figure

Functional Convergence of Thalamic and Intrinsic Projections to Cortical Layers 4 and 6

Ascending sensory information is conveyed from the thalamus to layers 4 and 6 of the sensory cortical areas. Interestingly, receptive field properties of cortical layer-6 neurons differ from those in layer 4. Do such differences reflect distinct inheritance patterns from the thalamus, or are they derived instead from local cortical circuits? To distinguish between these possibilities, we utilized in vitro slice preparations containing the thalamo-cortical pathways of the auditory and somatosensory systems. Responses from neurons in layers 4 and 6 that resided in the same column were recorded using whole-cell patch clamp. Laserscanning photostimulation via uncaging of glutamate in the thalamus and cortex was used to map the functional topography of thalamo-cortical and intracortical inputs to each layer. In addition, we assessed the functional divergence of thalamo-cortical inputs by optical imaging of flavoprotein autofluorescence. We found that the thalamo-cortical inputs to layers 4 and 6 originated from the same thalamic domain, but the intracortical projections to the same neurons differed dramatically. Our results suggest that the intracortical projections, rather than the thalamic inputs, to each layer contribute more to the differences in their receptive field propertiesВисхідний потік сенсорної інформації передається з таламуса до шарів 4 та 6 сенсорних кортикальних зон. Цікавим є те, що властивості рецептивних полів у нейронів кортикального шару 6 є відмінними від таких у шарі 4. Чи відображають дані відмінності специфічні природжені патерни таламічних зв’язків або вони зумовлені специфікою локальних кортикальних нейронних мереж? Щоб зробити вибір між такими можливостями, ми використали слайсові препарати in vitro, котрі вміщували таламо-кортикальні шляхи слухової та соматосенсорної систем. Застосовуючи методику петчклемп у конфігурації «ціла клітина», ми відводили відповіді нейронів шарів 4 та 6, розташованих в одній і тій самій кортикальній колонці. Для отримання карт функціональної топографії таламо-кортикальних та інтракортикальних входів, до кожного із шарів ми використовували методику лазерної скануючої стимуляції, що забезпечувала вивільнення глутамату в таламусі та корі. Окрім того, ми оцінювали функціональну дивергенцію таламо-кортикальних входів за допомогою візуалізації аутофлуоресценції флавопротеїнів. Було виявлено, що таламо-кортикальні входи до шарів 4 та 6 походили від ідентичних таламічних регіонів, тоді як інтракортикальні проекції до одних і тих самих нейронів значно відрізнялися. Наші результати примушують думати, що саме інтракортикальні проекції того або іншого шару, а не таламічні входи в більшій мірі визначають відмінності відповідних рецептивних полів у згаданих шарах