Neural Strategies for encoding self-motion: role of spike-timing variability in the vestibular peirphery

Vestibular afferents act as encoding channels that transmit self-motion information detected by sensory organs in the vestibular labyrinths to central neurons in the brainstem and cerebellum. A striking characteristic of these neurons is the heterogeneity in the spike-timing variability of their spontaneous activity. Based on their resting discharge variability, vestibular afferents are characterized as either regular or irregular – a classification that correlates with differences in morphological features (calyx and bouton), type of input hair cells (type I and II), and their response dynamics. Although there is no direct correspondence between hair cell type and a distinct population of afferents, those receiving input from type I hair cells tend to be more irregular in their resting discharges. Considering that type I hair cells and calices are evolutionarily newer, the question arises as to the significance of this newly-adapted architecture with more emphasis on irregular spike-timing for the encoding of self-motion. This thesis primarily focuses on the relationship between neuronal variability, response dynamics and discrimination ability of otolith afferents and explores whether and how their coding strategies are affected by their spike-timing variability. First, by recording from otolith afferents, I demonstrate that the sensitivity and mean firing rate of these neurons remain unchanged regardless of whether motion is self-generated or externally produced. These results indicate that otolith afferents faithfully encode self-motion during both active and passive movements. Then, by applying signal detection theory based approaches, I found that, despite differences in neuronal variability, regular and irregular otolith afferents display comparable discrimination thresholds (~20 cm/s2) for linear acceleration over the behaviorally relevant frequency range. Moreover, using Fisher information analysis I established that activities across a large ensemble (>100) of otolith afferents need to be pooled in order to approximate linear acceleration discrimination ability that is observed behaviorally. Next, using broadband frequency linear acceleration, I examined the link between spike-timing variability and neural responses to explore the coding strategies that otolith afferents can employ to process self-motion. Strikingly, in response to repeated presentations of noise stimuli, spike trains of a given irregular afferent exhibited significant coherences at frequencies beyond those contained in the stimuli indicating higher temporal resolution in their responses. Using a metric-space analysis of spike trains, I found that irregular afferents outperformed regular units in discriminating motion stimuli with timescales as small as a few milliseconds. These findings suggest that while regular afferents use a rate coding strategy to encode the stimuli, a finer temporal structure in the spike trains of irregular units enhances the encoding of transient stimuli.Finally, I provide evidence that when the correlation between the neuronal activities of pairs of semicircular canal afferents is taken into account, one can obtain information about second-order features of the motion stimuli. This information is not available in the spiking activity of an individual neuron and can only be decoded if joint statistics between neural activities are taken into account. Importantly, such transmission requires an intermediate level of variability to obtain the optimal decoding performance. Taken together, the results of my PhD research i) describe the response characteristics of vestibular afferents over the physiological range of self-motion, ii) offer new insights into the relationship between spike-timing variability and the diverse response properties of vestibular afferents, and iii) provide concrete evidence that information about self-motion is processed in two parallel channels with functionally distinct but complementary strategies.Les afférents vestibulaires relaient l’information relative à nos déplacements vers les neurones centraux du tronc cérébral et du cervelet. L’une des caractéristiques fondamentales des afférents est l’hétérogénéité de la variabilité temporelle des potentiels d’action. Basé sur la variabilité de leur décharge de repos, les afférents vestibulaires se caractérisent comme étant régulier ou irrégulier. Cette classification est corrélée avec leurs différences morphologiques (calice et bouton), le type de cellules ciliées (type I ou II), et la dynamique de leur réponse. Bien qu’un lien direct entre le type de cellules ciliées et le type d’afférents n’ait pas été démontré, les afférents recevant des projections provenant des cellules ciliées de type I tendent à avoir une décharge de repos plus irrégulière. D’un point de vue phylogénétique, les cellules ciliées de type I et les calices sont des structures relativement récentes, questionnant le rôle de cette nouvelle architecture. Cette thèse porte sur la relation entre la variabilité neuronale, les seuils de détection et la dynamique des réponses afférentes otolithiques et détermine si et comment les stratégies d’encodage sont influencées par la variabilité temporelle des potentiels d’action. Premièrement, j’ai démontré que la sensibilité et la fréquence moyenne de décharge des afférents otolithiques restent inchangées et ce, que le mouvement soit généré volontairement ou appliqué par un dispositif externe. Ces résultats indiquent que ces afférents encodent fidèlement les déplacements actifs et passifs de la tête. Basé sur la théorie de détection du signal, j’ai trouvé que les deux types afférents ont des seuils de détection comparables (~20 cm/s2) pour des accélérations linéaires comprises dans une gamme de fréquence physiologique. De plus, l’activité d’un large ensemble (>100) d’afférents doit être mise en commun afin d'atteindre des seuils comportementaux (analyse de Ficher). Dans le but d’explorer les stratégies de codage du mouvement utilisées par les afférents otolithiques, j’ai examiné le lien entre la variabilité temporelle des potentiels d’action et la réponse neuronale. En réponse à des présentations répétées de stimuli bruités (large bande de fréquence d’accélérations linéaires), les trains de potentiels d’action d’un afférent irrégulier ont une cohérence réponse-réponse pour des fréquences au-delà de celles contenues dans les stimuli. Comparativement aux afférents réguliers, ceci indique une résolution temporelle plus élevée dans leurs réponses. Basé sur l’analyse métrique de l'espace, j’ai observé que les afférents irréguliers discriminaient les mouvements avec des échelles de temps aussi petites que quelques millisecondes. Ces résultats suggèrent que ces afférents utilisent une structure temporelle plus fine afin d’encoder des stimuli transitoires tandis que les afférents réguliers utilisent plutôt une stratégie par fréquence de décharge.Finalement, j’ai démontré que la corrélation entre l’activité neuronale des canaux semi-circulaires (pairs d’afférents) encode l’information relative aux caractéristiques de second ordre des stimuli de mouvement. Cette information n’est pas disponible à travers l'activité d'un seul neurone et ne peut être décodée que si les statistiques conjointes entre les activités neuronales sont considérées. Une telle transmission nécessite un niveau intermédiaire de variabilité pour obtenir une performance optimale de décodage.Dans leur ensemble, les résultats de mes études doctorales i) décrivent les caractéristiques des afférents vestibulaires dans la gamme de fréquences physiologiques, ii) offrent de nouvelles perspectives sur la relation entre la variabilité temporelle des potentiels d’action et les propriétés des réponses de ces afférents et iii) fournissent des preuves concrètes que l'information provenant des mouvements de la tête est traitée par deux canaux parallèles avec des stratégies fonctionnellement distinctes mais complémentaires