A matter of time : millisecond delays between action potentials convey stimulus information in the primary visual cortex

Synchronized neural activity in the visual cortex is associated with small time delays (up to ~10 ms). The magnitude and direction of these delays depend on stimulus properties. Thus, synchronized neurons produce fast sequences of action potentials, and the order in which units tend to fire within these sequences is stimulusdependent, but not stimulus-locked. In the present thesis, I investigated whether such preferred firing sequences repeat with sufficient accuracy to serve as a neuronal code. To this end, I developed a method for extracting the preferred sequence of firing in a group of neurons from their pair-wise preferred delays, as measured by the offsets of the centre peaks in their cross-correlation histograms. This analysis method was then applied to highly parallel recordings of neuronal spiking activity made in area 17 of anaesthetized cats in response to simple visual stimuli, like drifting gratings and moving bars. Using a measure of effect size, I then analyzed the accuracy with which preferred firing sequences reflected stimulus properties, and found that in the presence of gamma oscillations, the time at which a unit fired in the firing sequence conveyed stimulus information almost as precisely as the firing rate of the same unit. Moreover, the stimulus-dependent changes in firing rates and firing times were largely unrelated, suggesting that the information they carry is not redundant. Thus, despite operating at a time scale of only a few milliseconds, firing sequences have the strong potential to provide a precise neural code that can complement firing rates in the cortical processing of stimulus information.Synchronisierte neuronale Aktivität im visuellen Cortex ist mit kleinen Zeitverzögerungen im Bereich von bis zu 10 ms verbunden. Solche winzigen Zeitabstände zwischen den Aktionspotentialen verschiedener Neurone ändern sich in Abhängigkeit von visuellen Stimuluseigenschaften. Gruppen von synchronisierten Neuronen produzieren also kurze Sequenzen von Aktionspotentialen, und die Reihenfolge, in der die Neurone innerhalb dieser Sequenzen feuern, spiegelt Stimuluseigenschaften wider; Sie wird allerdings nicht von der zeitlichen Struktur des Stimulus diktiert, sondern intern vom neuronalen Netzwerk generiert. Obwohl diese Erkenntnis bereits in einer Studie von König et al. (1995) zum Ausdruck kam, wurde angenommen, dass in Anbetracht der großen Variabilität neuronaler Aktivität im Cortex Millisekundenzeitabstände zwischen Aktionspotentialen nicht in der Lage seien, eine Rolle in der neuronalen Verarbeitung visueller Stimuli zu spielen. In der vorliegenden Dissertation untersuche ich die Frage, ob bevorzugte Sequenzen von Aktionspotentialen im Millisekundenbereich ausreichend präzise und zuverlässig auftreten um als neuronaler Kode im visuellen System zu dienen. Dazu entwickelte ich zunächst eine Analysemethode, die basierend auf den bevorzugten paarweisen Spikeabständen zwischen Neuronen, gemessen durch die Verschiebung des zentralen Gipfels in Cross-Korrelations-Histogrammen, die insgesamt bevorzugte Spikesequenz in einer Gruppe von Neuronen bestimmt – die so genannte Feuersequenz. Mit dieser Analysemethode untersuchte ich die Spikeaktivität einer großen Anzahl simultan aufgenommener Neurone in Area 17 von anästhesierten Katzen während der Präsentation simpler visueller Stimuli (Linien und Linienmuster). Mittels einer Analyse von Effektgrößen prüfte ich dann, mit welcher Genauigkeit Feuersequenzen Stimuluseigenschaften wiedergeben. Dabei zeigte sich, dass in der Anwesenheit von neuronalen Oszillationen im Gamma-Bereich (25-50 Hz) die bevorzugte Spikezeit eines Neurons innerhalb der Feuersequenz Stimulusinformation annähernd genauso präzise übermittelte wie die durchschnittliche Feuerrate desselben Neurons – ein wichtiges Ergebnis in Anbetracht der Tatsache, dass die Feuerrate der bisher zuverlässigste und bestuntersuchte Kodierungsmechanismus des visuellen Systems ist. Die stimulusabhängigen Veränderungen in Feuersequenzen und Feuerraten waren dabei weitgehend unabhängig voneinander; die von ihnen übertragene Information ist also nicht redundant. Obwohl sie sich auf einer Zeitskala von nur wenigen Millisekunden abspielen, haben bevorzugte Spikesequenzen daher das Potential, als präziser neuronaler Kode im visuellen System zu fungieren, der sich mit der Stimuluskodierung durch Feuerraten komplementär ergänzt