Análise da seletividade à orientação no potencial de campo local em modelo animal utilizando técnicas estatísticas de processamento de sinais
Carregando...
Data
Autor(es)
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Analysis of orientation selectivity in the local field potential in an animal model using statistical signal processing techniques
Primeiro orientador
Membros da banca
Antônio Maurício Ferreira Leite Miranda de Sá
Renan Fernandes Kozan
Renan Fernandes Kozan
Resumo
A seletividade à orientação (SO) é um fenômeno observado quando se estimula o
campo receptivo de uma célula com múltiplas orientações de contorno e se verifica um máximo
na taxa de disparos de potenciais de ação (PA) de neurônios individuais (SUA, Single-Unity
Activity). A SO é usualmente estudada por meio da curva de sintonia (CS), função que relaciona
a taxa de disparos de (PA) com os ângulos de orientação de um estímulo. Outro sinal
eletrofisiológico adquirido por microeletrodos extracelulares intracerebrais e que tem se
mostrado útil para investigar mecanismos relacionados à SO é o Potencial de campo local (LFP,
de Local Field Potential), composto por flutuações de baixa frequência (<250 Hz) oriundas da
atividade integrada de uma população de neurônios ao redor do eletrodo. Assim, o presente
trabalho visa a avaliar se parâmetros de frequência do LFP preservam informação de SO
verificadas na CS quando da apresentação de estímulos visuais. Para tanto, sinais de LFP
(fs = 1 kHz) e SUA (fs = 32 kHz) foram coletados de 106 sítios do wulst visual de corujas Tyto
Alba em períodos com e sem a presença de estímulos visuais (grades senoidais), cuja orientação
variou de 0-360° com passos de 22,5°, com 9 ensaios para cada orientação. Foi calculado um
conjunto de estimativas nas bandas delta (0,5-4 Hz), teta (4,5-8 Hz), alfa (8,5-14 Hz), beta
(14,5-30 Hz) e gama (30,5-100 Hz) dos sinais de LFP e comparadas a CS de neurônios
individuais (SUA). As técnicas empregadas foram: Potência (Pot), Teste F Espectral (TFE),
Magnitude Quadrática da Coerência (MSC), Phase Locking Value (PLV) e Spike-triggered
Correlation Matrix Synchronization (SCMS). O Spearman Rank Correlation test foi aplicado às
curvas CS e de técnicas do LFP para avaliar a correlação entre elas. Além disso, foi verificado
se estimadores de seletividade à orientação e direção do LFP e da CS possuíam similaridades ao
longo de diferentes sítios. Para tanto, os parâmetros estatísticos unitários, Índice de Orientação
(OI), Índice de Direção (DI), Variância Circular de Orientação (VCO) e Variância Circular de
Direção (VCD) foram aplicados sobre as técnicas (Pot, TFE, MSC, PLV e SCMS) e a CS,
sendo calculados os coeficientes de correlação de Spearman. Os resultados mostraram que as
estimativas baseadas na magnitude (Pot e TFE) preservam informações da CS nas bandas beta e
gama, enquanto as técnicas que utilizam a informação de fase (PLV e MSC) não reproduzem a
CS em nenhuma banda. Adicionalmente, a estimativa do sincronismo entre potenciais de ação e
LFP, calculada a partir do SCMS, mantém as características da CS em todas as bandas, exceto
delta.
Abstract
Orientation selectivity is a phenomenon observed by stimulating the receptive field of a
cell with multiple boundary orientations and verifying the maximum firing rate of individual
neuron (SUA, Single-Unity Activity). OS is usually studied by means of the tuning curve, a
function of the firing rate and the orientation angles of a stimulus. Another electrophysiological
signal acquired by intracerebral extracellular microelectrodes, which showed to be useful for
investigating processes related to orientation selectivity, is the Local Field Potential (LFP). The
LFP is composed of low frequency fluctuations (<250 Hz) from the integrated activity of a
neuron population around the electrode. Thus, the present work aims at evaluating whether LFP
frequency parameters preserve orientation selectivity information verified in the tuning curve
during visual stimuli presentation. For this purpose, LFP signals (fs = 1 kHz) and SUA
(fs = 32 kHz) were collected from 106 sites of the visual wulst of Tyto Alba owls during periods
with and without the presence of visual stimuli (sinusoidal gratings) with orientation varying
from 0 to 360° in steps of 22.5°, with 9 trials for each orientation. A set of estimates was
calculated for the LFP signals within delta (0.5-4 Hz), theta (4.5-8 Hz), alpha (8.5-14 Hz), beta
(14.5-30 Hz) and gamma (30.5-100 Hz) bands and compared to tuning curve of individual
neurons (SUA). The employed techniques were: Power (Pow), Spectral F Test (SFT),
Magnitude-squared Coherence (MSC), Phase Locking Value (PLV), and Spike-triggered
Correlation Matrix Synchronization (SCMS). The Spearman Rank Correlation Test was applied
to tuning curve and LFP techniques curves to assess the correlation between them. In addition, it
was verified whether selectivity estimators of orientation and direction of the LFP and tuning
curve have similarities across different sites. For this purpose, unitary statistical parameters,
Orientation Index (OI), Direction Index (DI), Circular Variance of Orientation (CVO) and
Circular Variance of Direction (CVD) were applied to the LFP techniques (Pow, TFE, MSC,
PLV and SCMS) and tuning curve, and calculating the Spearman correlation coefficient. The
results showed that magnitude-based estimates (Pow and TFE) preserve tuning curve
information in the beta and gamma bands, while techniques that employ phase information
(PLV and MSC) do not reproduce tuning curve in any band. Additionally, the estimate of the
synchronism between spikes and LFP, calculated from the SCMS, keeps the tuning curve
characteristics in all bands.
Assunto
Engenharia elétrica, Potencial de campo local, Processamento de sinais, Curvas em engenharia
Palavras-chave
Seletividade à orientação, Potencial de campo local (LFP), Curva de sintonia, Técnicas ORD, Single-unity activity (SUA)