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Title: Estudos eletrofisiológicos no hipocampo - desenvolvendo novas técnicas de análise e investigando a codificação neural
Authors: Souza, Bryan da Costa
Keywords: Classificação de disparos;Misturas gaussianas;Extração de características;Decodificação de informação
Issue Date: 7-Dec-2018
Citation: SOUZA, Bryan da Costa. Estudos eletrofisiológicos no hipocampo - desenvolvendo novas técnicas de análise e investigando a codificação neural. 2018. 159f. Tese (Doutorado em Neurociências) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2018.
Portuguese Abstract: Eletrofisiologia extracelular é uma das principais ferramentas para o estudo da atividade neural em modelos animais. Além de possuir alta resolução temporal, essa técnica é estável o suficiente para permitir o registro dos animais em livre comportamento. Dentre as áreas estudadas pela eletrofisiologia, as regiões da formação hipocampal receberam destaque notável nas últimas décadas devido a sua relação com memória e navegação espacial, funções cognitivas essenciais na vida humana. Nesse sentido, vários correlatos neurais da codificação do espaço têm sido estudados para entender as bases do processamento neural. Entre eles, destacam-se as células de lugar, que aumentam sua taxa de disparo quando o animal se encontra em determinados locais. Nesta tese, exploramos a eletrofisiologia hipocampal em diversos níveis que abarcam o objetivo final de entender os diferentes mecanismos de codificação usados pelo cérebro através de três trabalhos. No primeiro trabalho abordamos o problema de classificação de disparos, que consiste em distinguir a identidade neuronal das formas de ondas detectadas pelo eletrodo extracelular. Investigamos o uso de misturas gaussianas para extração de características e clusterização das formas de onda. Após avaliar as melhores estratégias usando dados reais e simulados, comparamos a performance do nosso algoritmo com outros dois métodos de classificação de disparos. Nosso algoritmo, que combina as duas principais técnicas de extração de características com um novo método de redução de dimensionalidade, obteve resultados similares ou melhores aos outros dois métodos comparados. No segundo trabalho, analisamos métricas atuais utilizadas para encontrar células cujos disparos possuem informação relativa à navegação espacial, tais quais células de lugar, de velocidade, de direção da cabeça, entre outros. Usando dados simulados e reais, comparamos como a informação estimada por cada métrica se correlaciona com a informação empírica estimada por um classificador bayesiano. Nossos resultados revelaram que as duas principais métricas falham em detectar a informação presente em células com altas taxa de disparo basal, enviesando o universo de correlatos neurais encontrados. Por fim, no terceiro trabalho, exploramos as diferenças entre os dois mecanismos de codificação propostos para as células de lugar: codificação por taxa de disparo e por tempo de disparo. Analisamos a dinâmica de acoplamento das células de lugar às oscilações teta, comparando-a com a dinâmica do aumento da taxa de disparo. Nossos resultados revelaram uma assimetria entre os dois mecanismos, com o acoplamento às oscilações teta precedendo as mudanças mais significativas na taxa de disparo, o que corrobora a hipótese de que ambas codificações são independentes. Além disso, encontramos que as posições futuras do animal são mais extensamente representadas pela codificação temporal do que as posições passadas, indicando um possível papel desse mecanismo no planejamento da trajetória. Em suma, os resultados desta tese contribuem para o entendimento da codificação neural bem como para o desenvolvimento de novas metodologias no campo da eletrofisiologia hipocampal.
Abstract: Extracellular electrophysiology is among the main tools used for studying neural activity. In addition to having a high temporal resolution, this technique is stable enough to allow for recording freely-moving animals. In the last decades, the electrophysiology of the hippocampal formation has received particular attention due to the discovery of its relationship with memory and spatial navigation. Specifically, many spatial correlates have been investigated to understand the basis of neural encoding, such as place cells, which increase their firing rate when the animal is at particular locations of the environment. In this thesis, we present three studies exploring hippocampal electrophysiology through different levels of analysis, which aim at better understanding the different coding mechanisms used by the brain. In the first work, we focus on the problem of spike sorting, which consists in the classification of the waveforms detected by the extracellular recording. We investigated the use of Gaussian mixture models to perform feature extraction and clusterization of the waveforms. After using real and simulated data to evaluate the best strategies of our algorithm, we compared our spike sorting to two other known methods. Our algorithm, which combines two main feature extraction techniques with a new method of dimensionality reduction, showed better, or similar, results compared to the two other spike sorters. In the second work, we analyzed the current metrics used to find neurons presenting some spatial correlate, or information, such as place cells, headdirection cells, and speed cells. Using real and simulated data, we evaluated how the spatial information estimated by each metric correlated to the empirical information obtained using a NaiveBayes classifier. Our results showed that the two main current metrics fail to detect the information content of neurons with high basal firing rate, and thus bias the universe of spatial correlates to lowfiring cells. Finally, in the third work, we explored the differences in the proposed mechanisms underlying place cell firing: rate coding and temporal coding. We analyzed the dynamics of coupling between place cells and theta oscillations, comparing it to the firing rate dynamics. Our results revealed an asymmetry between the two mechanisms, with the theta coupling place cells preceding its major changes in firing rate, which corroborate the hypothesis that temporal and rate coding are independent mechanisms. Beyond that, we found that temporal coding represents more extensively the future positions of the animal than the past ones, suggesting its involvement in trajectory planning. In summary, the results of this thesis contribute to both the understanding of neuronal encoding and the development of new techniques in the field of hippocampal electrophysiology.
URI: https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/26519
Appears in Collections:PPGNEURO - Doutorado em Neurociências

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