Antonio Pazienti

• The interaction between neuronal cells can be identified as the computing mechanism of the brain. Neurons are complex cells that do not operate in isolation, but they are organized in a highly connected network structure. There is experimental evidence that groups of neurons dynamically synchronize their activity and process brain functions at all levels of complexity. A fundamental step to prove this hypothesis is to analyze large sets of single neurons recorded in parallel. Techniques to obtain these data are meanwhile available, but advancements are needed in the pre-processing of the large volumes of acquired data and in data analysis techniques. Major issues include extracting the signal of single neurons from the noisy recordings (referred to as spike sorting) and assessing the significance of the synchrony. This dissertation addresses these issues with two complementary strategies, both founded on the manipulation of point processes under rigorous analytical control. On the one hand I modeled the effect of spike sorting errorsThe interaction between neuronal cells can be identified as the computing mechanism of the brain. Neurons are complex cells that do not operate in isolation, but they are organized in a highly connected network structure. There is experimental evidence that groups of neurons dynamically synchronize their activity and process brain functions at all levels of complexity. A fundamental step to prove this hypothesis is to analyze large sets of single neurons recorded in parallel. Techniques to obtain these data are meanwhile available, but advancements are needed in the pre-processing of the large volumes of acquired data and in data analysis techniques. Major issues include extracting the signal of single neurons from the noisy recordings (referred to as spike sorting) and assessing the significance of the synchrony. This dissertation addresses these issues with two complementary strategies, both founded on the manipulation of point processes under rigorous analytical control. On the one hand I modeled the effect of spike sorting errors on correlated spike trains by corrupting them with realistic failures, and studied the corresponding impact on correlation analysis. The results show that correlations between multiple parallel spike trains are severely affected by spike sorting, especially by erroneously missing spikes. When this happens sorting strategies characterized by classifying only good'' spikes (conservative strategies) lead to less accurate results than tolerant'' strategies. On the other hand, I investigated the effectiveness of methods for assessing significance that create surrogate data by displacing spikes around their original position (referred to as dithering). I provide analytical expressions of the probability of coincidence detection after dithering. The effectiveness of spike dithering in creating surrogate data strongly depends on the dithering method and on the method of counting coincidences. Closed-form expressions and bounds are derived for the case where the dither equals the allowed coincidence interval. This work provides new insights into the methodologies of identifying synchrony in large-scale neuronal recordings, and of assessing its significance.…
• Die Informationsverarbeitung im Gehirn erfolgt maßgeblich durch interaktive Prozesse von Nervenzellen, sogenannten Neuronen. Diese zeigen eine komplexe Dynamik ihrer chemischen und elektrischen Eigenschaften. Es gibt deutliche Hinweise darauf, dass Gruppen synchronisierter Neurone letztlich die Funktionsweise des Gehirns auf allen Ebenen erklären können. Um die schwierige Frage nach der genauen Funktionsweise des Gehirns zu beantworten, ist es daher notwendig, die Aktivität vieler Neuronen gleichzeitig zu messen. Die technischen Voraussetzungen hierfür sind in den letzten Jahrzehnten durch Multielektrodensyteme geschaffen worden, die heute eine breite Anwendung finden. Sie ermöglichen die simultane extrazelluläre Ableitung von bis zu mehreren hunderten Kanälen. Die Voraussetzung für die Korrelationsanalyse von vielen parallelen Messungen ist zunächst die korrekte Erkennung und Zuordnung der Aktionspotentiale einzelner Neurone, ein Verfahren, das als Spikesortierung bezeichnet wird. Eine weitere Herausforderung ist die statistischDie Informationsverarbeitung im Gehirn erfolgt maßgeblich durch interaktive Prozesse von Nervenzellen, sogenannten Neuronen. Diese zeigen eine komplexe Dynamik ihrer chemischen und elektrischen Eigenschaften. Es gibt deutliche Hinweise darauf, dass Gruppen synchronisierter Neurone letztlich die Funktionsweise des Gehirns auf allen Ebenen erklären können. Um die schwierige Frage nach der genauen Funktionsweise des Gehirns zu beantworten, ist es daher notwendig, die Aktivität vieler Neuronen gleichzeitig zu messen. Die technischen Voraussetzungen hierfür sind in den letzten Jahrzehnten durch Multielektrodensyteme geschaffen worden, die heute eine breite Anwendung finden. Sie ermöglichen die simultane extrazelluläre Ableitung von bis zu mehreren hunderten Kanälen. Die Voraussetzung für die Korrelationsanalyse von vielen parallelen Messungen ist zunächst die korrekte Erkennung und Zuordnung der Aktionspotentiale einzelner Neurone, ein Verfahren, das als Spikesortierung bezeichnet wird. Eine weitere Herausforderung ist die statistisch korrekte Bewertung von empirisch beobachteten Korrelationen. Mit dieser Dissertationsschrift lege ich eine theoretische Arbeit vor, die sich der Vorverarbeitung der Daten durch Spikesortierung und ihrem Einfluss auf die Genauigkeit der statistischen Auswertungsverfahren, sowie der Effektivität zur Erstellung von Surrogatdaten für die statistische Signifikanzabschätzung auf Korrelationen widmet. Ich verwende zwei komplementäre Strategien, die beide auf der analytischen Berechnung von Punktprozessmanipulationen basieren. In einer ausführlichen Studie habe ich den Effekt von Spikesortierung in mit realistischen Fehlern behafteten korrelierten Spikefolgen modeliert. Zum Vergleich der Ergebnisse zweier unterschiedlicher Methoden zur Korrelationsanalyse auf den gestörten, sowie auf den ungestörten Prozessen, leite ich die entsprechenden analytischen Formeln her. Meine Ergebnisse zeigen, dass koinzidente Aktivitätsmuster multipler Spikefolgen durch Spikeklassifikation erheblich beeinflusst werden. Das ist der Fall, wenn Neuronen nur fälschlicherweise Spikes zugeordnet werden, obwohl diese anderen Neuronen zugehörig sind oder Rauschartefakte sind (falsch positive Fehler). Jedoch haben falsch-negative Fehler (fälschlicherweise nicht-klassifizierte oder missklassifizierte Spikes) einen weitaus grösseren Einfluss auf die Signifikanz der Korrelationen. In einer weiteren Studie untersuche ich die Effektivität einer Klasse von Surrogatmethoden, sogenannte Ditheringverfahren, welche paarweise Korrelationen zerstören, in dem sie koinzidente Spikes von ihrer ursprünglichen Position in einem kleinen Zeitfenster verrücken. Es zeigt sich, dass die Effektivität von Spike-Dithering zur Erzeugung von Surrogatdaten sowohl von der Dithermethode als auch von der Methode zur Koinzidenzzählung abhängt. Für die Wahrscheinlichkeit der Koinzidenzerkennung nach dem Dithern stelle ich analytische Formeln zur Verfügung. Die vorliegende Arbeit bietet neue Einblicke in die Methoden zur Korrelationsanalyse auf multi-variaten Punktprozessen mit einer genauen Untersuchung von unterschiedlichen statistischen Einflüssen auf die Signifikanzabschätzung. Für die praktische Anwendung ergeben sich Leitlinien für den Umgang mit Daten zur Synchronizitätsanalyse.…