Nonparametric inference for neural synchrony under low firing activity

Abstract

[Abstract] The aim of this thesis is to introduce statistical tools to study neural synchrony under spontaneous activity. The data analyzed comes from extracellular recordings of the primary visual cortex of anesthetized cats. The effect of the disruption of the normal spontaneous oscillations in neural synchrony is studied. Disruptions of the typical sleep-like patterns are achieved by means of electrical stimulations in the different neural nuclei that regulate the sleep-wake transitions, namely, the brainstem and the basal forebrain. Nonparametric methods are proposed to estimate the neural synchrony and bootstrap tests are proposed to test several hypotheses regarding the effects of stimulation in the associations between neurons at a pairwise and population level. Moreover, the relationship between the orientation selectivity of neurons and the synchrony among them is studied. Results indicate that the methods proposed in this thesis are succesfull in achieving the goals of the study. Significant decreases in synchrony due to the stimulations and differential effects of the stimuli are found. Moreover, at a populational level, our methods succeed on proving that functional affinity between neurons, regarding their orientations selectivity, affects the pairwise synchrony strength and dynamics.

[Resumen] El objetivo de esta tesis es el de introducir herramientas estadísticas para el estudio de la sincronización neuronal bajo actividad espontánea. Los datos analizados provienen de registros extracelulares realizados en la corteza visual primaria de gatos anestesiados. Se estudia el efecto de la disrupción de la actividad oscilatoria espontánea en la sincronía entre pares de neuronas. La disrupción de los patrones típicos en estado de sue˜no se obtiene a partir de la micro estimulación eléctrica en los núcleos que regulan la transici ón del sue˜no a la vigilia, el tronco encefálico y el el área peribraqueal. Se proponen métodos noparamétricos para estimar la sincronía y contrastes bootstrap para contrastar hipótesis vinculadas con los efectos de la estimulaci ón en la asociación entre neuronas tanto a nivel de pares de neuronas como a nivel poblacional. Más aún, se estudia la relación entre la selectividad a la orientación de las células y la sincronización entre ellas. Se encuentran disminuciones significativas en la sincronización debido a la estimulación y se encuentran efectos diferenciales entre las áreas estimuladas. Además, a nivel poblacional, nuestros métodos encuentran que la afinidad funcional entre neuronas, debido a la selectividad a la orientación, afecta la fuerza y la dinámica de la sincronización de pares de neuronas.

[Resumo] O obxectivo desta tese é o de introducir ferramentas estatísticas para o estudo da sincronización neuronal baixo actividade espontánea. Os datos analizados prove˜nen de rexistros extracelulares realizados na cortiza visual primaria de gatos anestesiados. Estúdase o efecto da ruptura da actividade oscilatoria espontánea na sincronía entre pares de neuronas. A ruptura dos patróns típicos en estado de so˜no obtense a partir da microestimulación eléctrica nos núcleos que regulan a transición do so˜no á vixilia, o tronco encefálico e a área peribraqueal. Propó˜nense métodos non paramétricos para estimar a sincronía e métodos bootstrap para contrastar hipóteses vinculadas cos efectos da estimulación na asociación entre neuronas, tanto a nivel de pares de neuronas como a nivel poboacional. Máis aínda, estúdase a relación entre a selectividade á orientación das células e a sincronización entre elas. Atópanse disminucións significativas na sincronización debido á estimulación, así como efectos diferenciais entre as áreas estimuladas. Ademais, a nivel poboacional, os nosos métodos atopan que a afinidade funcional entre neuronas, debida á selectividade á orientación, afecta á forza e á dinámica da sincronización de pares de neuronas.