Universität zu Köln

Rosjat, Nils (2016). Investigations of effective connectivity in small and large scale neural networks. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The correct signal processing of neuronal signals requires coordination of different groups of neurons. To achieve this there has to be a connection between those neurons. This connection and especially the strength of the connection is not known a priori and can only be measured directly in rare cases. In this thesis I present three publications (Rosjat et al., 2014; Tóth et al., 2015; Popovych et al., under review) and the results from two additional studies focussing on the analysis of couplings in experimental measured neuronal activities. The publications can be divided into investigations of intrinsic, as well as extrinsic intra- and intersegmental connections in the stick insect Carausius morosus and into analysis and mathematical modeling of couplings from EEG-measurements of the human brain while subjects were performing different tasks. In both parts I made use of mathematical models to build hypotheses about so far unknown coupling mechanisms. The first study deals with connectivity changes in the thalamo-cortical loop caused by schizophrenia (Rosjat et al., 2014). To build a mathematical model consisting of neural populations representing the thalamus and the auditory cortex we made use of published EEG-data, which were collected while subjects performed a double-click paradigm. The individual populations comprised a large number of phase oscillators with continuously distributed natural frequencies. Applying reduction methods by Pikovsky and Rosenblum, Ott and Antonsen together with the reduction method by Watanabe and Strogatz we investigated the influences of the bidirectional connections between the brain areas on the synchronization of the neuronal populations. The model was able to replicate the experimental data adequately. We observed that the coupling strength from the thalamic region to the cortical region mainly affected the duration of synchrony while the feedback to the thalamic region had a bigger effect on the strength of synchrony. This led to the hypothesis that the back coupling to the thalamic region might be reduced in schizophrenia patients. The second study will show an analysis of intersegmental couplings in the protractorretractor system of the pro- and mesothoracic ganglion of the stick insect Carausius morosus using mathematical models based on experimental data (Tóth et al., 2015). We made use of phase-response curves that were calculated experimentally on the one hand and simulated by mathematical models on the other hand to determine the nature and the strength of their connection. We showed that connections on both sides from the prothoracic to the mesothoracic network were necessary to achieve a good agreement with the experimental phase-response curves. Additionally, it was found that the strength of the excitatory connection played a key role, while the strength of the inhibitory connection did not have a big influence on the shape of the phase-response curves. The third study deals with the identification of a neuronal marker of movement execution (Popovych et al., under review). In this work we investigated the influence of internally and externally triggered movement on the phase synchronization in the motor system. We tested the signals, that were recorded from electrodes lying above the motor cortex, in the phase space including the major frequency bands (delta-, theta-, alpha-, beta- and low gamma-frequencies) for inter-trial phase synchrony. The study revealed a strong lateralized phase synchronization in the lower frequency bands (delta and theta) in the electrodes above the contralateral primary motor cortex independent of the hand performing and the cue triggering the movement. The results suggest that this phase synchronization could serve as an electrophysiological marker of movement execution additionally to the well established event-related desynchronization and event-related synchronization that are based on the amplitude changes in alpha- and beta- frequency bands.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Zur korrekten Verarbeitung von neuronalen Signalen müssen verschiedene neuronale Gruppen untereinander koordiniert werden. Um dies zu erreichen, muss zwischen den Neuronen eine Verbindung bestehen. Diese Verbindungen und insbesondere ihre Stärke sind a priori nicht bekannt und können nur in den seltensten Fällen direkt gemessen werden. In dieser Arbeit werden drei Publikationen (Rosjat et al., 2014; Tóth et al., 2015; Popovych et al., under review) und die Ergebnisse zweier weiterer Arbeiten vorgestellt, die sich mit der Analyse von Kopplungen in experimentell gemessenen neuronalen Aktivitäten befassen. Die Arbeiten unterteilen sich in die Untersuchung von intrinsischen sowie extrinsischen intra- und intersegmentalen Verbindungen in der Stabheuschrecke Carausius morosus und in die Analyse und Modellierung von Kopplungen anhand von EEG-Messungen des menschlichen Gehirns bei der Ausführung von unterschiedlichen Aufgaben. In beiden Bereichen wurden unter anderem mathematische Modelle verwendet, um Hypothesen über bislang unbekannte Kopplungsmechanismen aufzustellen. Die erste Studie befasst sich mit den durch Schizophrenie ausgelösten Veränderungen von Kopplungen im thalamo-kortikalen Kreislauf (Rosjat et al., 2014). Hierfür wurden bereits vorherig publizierte EEG-Daten aus einem Doppelklick-Paradigma verwendet, um ein mathematisches Modell, bestehend aus einer thalamischen und einer kortikalen neuronalen Population, zu erstellen. Die einzelnen Populationen bestanden aus einer Vielzahl von Phasenoszillatoren mit kontinuierlich verteilten Eigenfrequenzen. Unter Verwendung der Reduktionsmethoden von Pikovsky und Rosenblum, Ott und Antonsen sowie Watanabe und Strogatz wurden die Einflüsse der bidirektionalen Verbindungen zwischen den beiden Hirnarealen auf die Synchronisation innerhalb dieser Bereiche untersucht. Das Modell war in der Lage, die experimentellen Daten zufriedenstellend zu reproduzieren. Wir konnten beobachten, dass die Kopplungsstärke von der thalamischen zur kortikalen Region hauptsächlich die Dauer der Synchronisation beeinflusst, wohingegen die Rückkopplung zur thalamischen Region einen stärkeren Effekt auf die Synchronisationsstärke ausübt. Dies führte zu der Hypothese, dass die Rückkopplung zur thalamischen Region bei an Schizophrenie erkrankten Testpersonen vermindert sei. In der zweiten Studie werden intersegmentale Kopplungen im Protraktor-Retraktor System des pro- und mesothorakal Ganglions der Stabheuschrecke Carausius morosus mit Hilfe von an experimentelle Daten angepassten mathematischen Modellen untersucht (Tóth et al., 2015). Wir haben dafür einerseits experimentell ermittelte und andererseits von mathematischen Modellen simulierte Phasen-Antwort-Kurven verwendet, um die Art und Stärke der Verbindungen zu untersuchen. Wir konnten zeigen, dass Verbindungen von beiden Seiten des prothorakalen zum mesothorakalen Netzwerk nötig waren, um eine gute Übereinstimmung der Phasen-Antwort-Kurven zu erzielen. Außerdem zeigte sich, dass die Stärke von exzitatorischen Verbindungen maßgeblich zu den Phasen-Antwort-Kurven beigetragen hat, wohingegen die Stärke der inhibitorischen Verbindungen keinen großen Einfluss zu haben scheint. Die dritte Studie beschäftigt sich mit der Identifizierung eines neuronalen Markers der Bewegungsausführung (Popovych et al., under review). In dieser Arbeit haben wir die Auswirkung von intern sowie extern evozierten Bewegungen auf die Phasensynchronisation untersucht. Dafür haben wir die Signale, die von über dem motorischen Cortex platzierten Elektroden aufgezeichnet wurden, auf dem Phasenniveau der Hauptfrequenzbereiche (delta-, theta-, alpha-, beta- und dem niedrigen gamma-Bereich) hinsichtlich ihrer Phasensynchronität zwischen einzelnen Wiederholungen analysiert. Es hat sich gezeigt, dass unabhängig von der Hand, welche die Bewegung ausführt, und unabhängig von der Art, wie diese Bewegung ausgelöst wurde, eine stark lateralisierte Phasensynchronisation in den niedrigen Frequenzbereichen (delta und theta) in Elektroden über dem kontralateralen primären Motorcortex stattfindet. Diese Ergebnisse legen nahe, dass sich die Phasensynchronisation in motorischen Bereichen zusätzlich zu den etablierten Markern der ereignisbezogenen Desynchronisation und der ereignisbezogenen Synchronisation, welche sich auf Änderungen der Amplitude im alpha- und beta-Frequenzbereich beziehen, als neuronaler Marker der Bewegungsausführung eignet. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Rosjat, Nils rosjatn@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-65464
Date:	2016
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Zoologisches Institut
Subjects:	Mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Synchronization English Phase-locking English CPG English Stick insect English Motor cortex English Mathematical modeling English Phase oscillator English
Date of oral exam:	20 January 2016
Referee:	Name Academic Title Gruhn, Silvia PD Dr. Büschges, Ansgar Prof. Dr. Nawrot, Martin Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6546