8 Ergebnisse

8.1 Kurzreichweitige Synchronisation

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Die kurzreichweitige Synchronisation neuronaler Aktivität wurde an Hand des Powerspektrums des LFP analysiert. Insgesamt wurden die Daten von 66 verschiedenen kortikalen Aufnahmeorten ausgewertet (2 Katzen mit 16 Elektroden, 2 Katzen mit 17 Elektroden). Große Amplituden im LFP sind auf synchrone Aktivität in der direkten Umgebung der Elektrode zurückzuführen, da zeitlich unkorrelierte Aktivität durch den Summationseffekt gegen das Nullpotential gemittelt wird. Das Powerspektrum des LFP stellt somit die Frequenzverteilung zeitlicher Synchronisation neuronaler Aktivität im Bereich von wenigen Hundert Mikrometer in der Umgebung der Elektrode dar (Abeles, 1982;Engel et al., 1990).

Abbildung 24 : Visuell induzierte kurzreichweitige Synchronisation. A : Ein typisches Beispiel eines während einer Versuchswiderholung abgeleiteten LFP. Die Präsentation des Gratings erfolgte bei 0 ms. B : Sliding-window Analyse des LFP. Die entsprechenden Zeit-Frequenz-Spektren wurden nach der sliding-window Analyse über Versuchbedingungen gemittelt. Zwei distinkte Komponenten kurzreichweitiger Synchronisation sind durch einen Stern bzw. Kreis markiert. Für eine bessere Darstellung der Frequenzverteilung wurde das Zeit-Frequenz-Spektrum mit Frequenz-1 normalisiert.

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Zunächst wird im Folgenden die Analyse der durch die visuelle Stimulation induzierten kurzreichweitigen Synchronisation dargestellt. Daran schließt sich eine Analyse der Variabilität der Frequenzverteilung der relativen Antworten über Versuchswiederholungen an. Über eine Analyse des Orientierungstunings kurzreichweitiger Synchronisation wird an Hand eines objektiven und funktionellen Kriteriums ein optimales Frequenzband kurzreichweitiger Synchronisation abgeleitet.

8.1.1 Frequenzverteilung kurzreichweitiger Synchronisation

An den meisten Aufnahmeorten führte die visuelle Stimulation zu einer charakteristischen Zunahme der kurzreichweitigen Synchronisation. Diese Antwort ist so prominent, daß sie bereits in den nicht über Versuchsbedingungen gemittelten Daten deutlich zu beobachten ist. Abbildung 24A zeigt das an einer Elektrode gemessene LFP während einer Versuchsbedingung. Der visuelle Stimulus führt zu einer deutlichen oszillatorischen Synchronisation im Gamma-Frequenzbereich. Um den Zeitverlauf dieser Synchronisation darzustellen, wurde eine sliding-window Analyse der LFP-Power durchgeführt. Abbildung 24B stellt die LFP-Power als Funktion der Zeit und Frequenz gemittelt über Versuchsbedingung dar. Zwei distinkte Komponenten der visuell induzierten kurzreichweitigen Synchronisation sind deutlich abgrenzbar. Eine frühe relativ tieffrequente Komponente ohne tonischen Anteil im späteren Zeitverlauf (Abbildung 24B, Stern) und eine etwas spätere hochfrequente Komponente im Gamma-Frequenzbereich, die sowohl eine transiente als auch tonische Phase aufweist (Abbildung 24B, Kreis).

Abbildung 25 : Visuell evozierte kurzreichweitige Synchronisation. A : Ein typisches Beispiel eines VEP. Das abgeleitete LFP wurde über Versuchsbedingungen gemittelt. Die Präsentation des Gratings erfolgte bei 0 ms. B : Sliding-window Analyse des VEP. Für eine bessere Darstellung der Frequenzverteilung wurde das Zeit-Frequenz-Spektrum mit Frequenz-1 normalisiert. (gleicher Datensatz wie in Abbildung 23)

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Da die Mittelung der Zeit-Frequenz-Spektren über Versuchsbedingungen nach der sliding-window Analyse erfolgte, stellen sich in Abbildung 24B auch diejenigen Komponenten kurzreichweitiger Synchronisation dar, die phasengekoppelt zum Erscheinen des Stimulus sind. Man spricht hier auch von evozierter Synchronisation. Um diese Komponenten zu identifizieren, wurde das LFP vor der sliding-window Analyse im Zeitbereich über Versuchswiederholungen gemittelt. Das in Abbildung 25A dargestellte Ergebnis dieser Mittelung entspricht einem intrakortikal abgeleiteten visuell evozierten Potential (VEP). Abbildung 25B zeigt die sliding-window Analyse dieses VEP. Hier ist lediglich die frühe tieffrequente Komponente neuronaler Synchronisation zu beobachten, so daß die beiden in Abbildung 24B beschriebenen Komponenten eindeutig als zum Erscheinen des Stimulus phasengekoppelte und nicht phasengekoppelte Anteile kurzreichweitiger neuronaler Synchronisation identifiziert werden können.

Um die relative durch den visuellen Stimulus induzierte Synchronisation von der Synchronisation ohne Stimulation zu differenzieren, wurden zwei Zeitfenster definiert. Das Prästimulusintervall reichte von 500 ms vor bis zum Erscheinen des Gratings. Das Stimulusintervall reichte von 200 ms bis 700 ms nach dem Erscheinen des Gratings, um die frühen stimulusgekoppelten Komponenten (< 200 ms) unberücksichtigt zu lassen. In Abbildung 26A ist die Frequenzverteilung der LFP-Power für das Prästimulus- und das Stimulusintervall gegenübergestellt. Die relative Antwort kurzreichweitiger Synchronisation, berechnet als die LFP-Power im Stimulusintervall dividiert durch die LFP-Power im Prästimulusintervall, ist in Abbildung 26B dargestellt. Für das dargestellte Beispiel zeigte sich eine maximale relative Antwort der LFP-Power bei 58 Hz. Diese relative Antwort zeigt jedoch nicht ein scharfes globales Maximum, sondern ist vielmehr über einen breiten Frequenzbereich verteilt. Insbesondere zeigt sich eine breite Verteilung im hochfrequenten Bereich mit einem zweiten lokalen Maximum über 100 Hz.

Abbildung 26 : Frequenzverteilung der visuell induzierten kurzreichweitigen Synchronisation eines typischen Aufnahmeorts. A : Powerspektren des LFP während des Prästimulusintervalls (schwarz) und des Stimulusintervalls (rot). (+/- SEM) B : Frequenzverteilung der relativen Antwort kurzreichweitiger Synchronisation, welche den Quotient der in A abgebildeten Spektren darstellt. (+/- SEM).

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Alle Aufnahmeorte mit einer signifikanten relativen Antwort (p < 0.01, n = 55, total = 66, 83 %) zeigten eine sehr ähnliche Frequenzverteilung, wie das in den Abbildungen 24 bis 26 dargestellte Beispiel. Daher wurden alle signifikanten relativen Antworten zu der in Abbildung 27 dargestellten mittleren relativen Antwort der LFP-Power gemittelt. Diese zeigt die Charakteristika des oben dargestellten Beispiels. Auf ein kleines lokales Maximum bei 13 Hz folgen ein steiler Anstieg zu dem globalen Maximum bei etwa 45 Hz und ein flacher Abfall zu hohen Frequenzen über 100 Hz.

Der Median der Frequenzen der maximalen relativen Antwort fand sich bei 44 Hz (29/50 Hz, 25/75 % Percentile, n = 55). Der Median der relativen Antwort der LFP-Power bei dieser Frequenz betrug 2,1 was einem Anstieg von etwa 100 % entspricht (1,7/3,0 Hz, 25/75 % Percentile, n = 55). Eine signifikante relative Antwort bei 13 Hz zeigte sich lediglich bei 35 % der untersuchten Aufnahmeorte (p < 0.01, n = 23, total = 66, 35 %).

Abbildung 27: Die über alle Aufnahmeorte mit einer signifikanten relativen Antwort (n = 55) gemittelte relative Antwort der kurzreichweitigen Synchronisation.

8.1.2 Mögliche harmonische Effekte

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Da der langsame Abfall der relativen Antworten der LFP-Power sich nicht monoton darstellt, sondern ein lokales Maximum im Bereich von 120 Hz aufweist, wurde die Möglichkeit eines harmonischen Effekts untersucht. Hierzu wurde die Phasenkopplung der 120 Hz Komponente des LFP zu anderen Frequenzkomponenten durch Berechnung der Bikohärenz analysiert.

Eine signifikante Phasenkoppelung der 120 Hz Komponente zu tieffrequenteren Frequenz-Komponenten zeigte sich in etwa einem Drittel der untersuchten Aufnahmeorte (p < 0.01, n = 21, total = 66, 32 %). Der Median der Frequenz zu der eine maximale Phasenkopplung gefunden wurde betrug 56 Hz. Die absoluten Werte der Bikohärenz bei dieser Frequenz waren allerdings sehr gering (Median = 0,08; 0,03/0,1; 25/75 % Percentile, n = 21). Obwohl ein harmonischer Effekt also nicht ausgeschlossen werden kann, sprechen sowohl das seltene Auftreten einer signifikanten Phasenkopplung, als auch die sehr kleinen absoluten Werte der Bikohärenz deutlich gegen einen harmonischen Effekt als Ursache der bimodalen Verteilung der relativen Antworten im hochfrequenten Bereich.

8.1.3 Variabilität über Versuchswiederholungen

Die überraschend breite Frequenzverteilung der durch die visuelle Stimulation induzierten kurzreichweitigen Synchronisation legt die Frage nahe, ob diese Verteilung durch die Überlagerung schmalbandigerer relativer Antworten in einzelnen Versuchsbedingungen bedingt ist. Diese könnten durch die Mittelung über Versuchbedingungen zu der beobachteten breiten Verteilung führen. Um diese Möglichkeit zu untersuchen, wurden die relativen Antworten der LFP-Power für einzelne Versuchsbedingungen analysiert.

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Abbildung 28 : Variabilität der relativen Antworten kurzreichweitiger Synchronisation über Versuchswiederholungen. Im oberen Bereich der Abbildung sind 8 zufällig ausgewählte relative Antworten einzelner Versuchswiederholungen mit den entsprechenden optimalen Annäherungen einer Gauß-Funktion (rot) dargestellt. Darunter ist die über Versuchswiderholungen gemittelte relative Antwort mit der entsprechenden optimalen Annäherung einer Gauß-Funktion abgebildet.

In Abbildung 28 sind für den oben bereits beispielhaft vorgestellten Aufnahmeort sowohl die über Versuchbedingungen gemittelte relative Antwort, als auch die relativen Antworten 8 zufällig ausgewählter Versuchsbedingungen dargestellt. Um diese relativen Antworten zu parametrisieren wurden diese mit einer Gauß-Funktion im Bereich von 25 Hz bis 100 Hz durch 2 Minimierung optimal angenähert. Die entsprechenden angenäherten Funktionen sind in mit den relativen Antworten in rot dargestellt.

Die Verteilung der Peak-Frequenzen und -Breiten der Gauß-Funktionen einzelner Versuchswiederholungen konnte nun mit den Parametern der Gauß-Funktion der gemittelten relativen Antwort verglichen werden. Die entsprechenden Verteilungen sind für das oben vorgestellte Beispiel in Abbildung 29 dargestellt. Während die Peak-Frequenzen einzelner Versuchsbedingungen um die Peak-Frequenz der gemittelten relativen Antwort verteilt sind (Abbildung 29A), findet sich eine signifikant kleinere Breite der Peaks einzelner Versuchsbedingungen im Vergleich zur Breite der gemittelten relativen Antwort (Abbildung 29B, p < 0.01). Derselbe Befund ergab sich für alle Aufnahmeorte mit einer signifikanten relativen Antwort der LFP-Power (p < 0.01, n = 55, total = 55, 100 %).

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Abbildung 29: Verteilungen der Peak-Frequenzen und Peak-Breiten der parametrisierten relativen Antworten einzelner Versuchswiederholungen. A : Die Peak-Frequenzen einzelner Versuchswiederholungen (Median = gestrichelte Linie) sind um die Peak-Frequenz der gemittelten relativen Antwort verteilt (durchgezogene Linie). B : Die Breite der Peaks einzelner Versuchswiederholungen (Median = gestrichelte Linie) ist hingegen signifikant kleiner, als die Breite des Peaks der mittleren relativen Antwort (durchgezogene Linie). (p < 0,01)

Die Parametrisierung der relativen Antworten einzelner Versuchsbedingungen bestätigt also die oben beschriebene Annahme. Die Variabilität der Peak-Frequenz schmalbandigerer relativer Antworten über verschieden Versuchsbedingungen bedingt wenigstens teilweise die Breite der Frequenzverteilung der über Versuchsbedingungen gemittelten relativen Antwort der kurzreichweitigen Synchronisation.

8.1.4 Optimales Frequenzband kurzreichweitiger Synchronisation

Wie oben demonstriert induziert die visuelle Stimulation eine Zunahme der kurzreichweitigen Synchronisation neuronaler Aktivität in einem breiten Frequenzbereich. In welchem optimalen Frequenzband zeigt diese kurzreichweitige Synchronisation ein maximales Signal-Rausch-Verhältnis in Bezug auf den präsentierten Stimulus?

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Da für die visuelle Stimulation Gratings unterschiedlicher Orientierung eingesetzt wurden und eine der charakteristischen Antworteigenschaften von Neuronen des primären visuellen Kortex deren Spezifität für die Orientierung von Kontrastgradienten darstellt, wurde ein Tuning-Index berechnet, der das Signal-Rausch-Verhältnis eines Signals in Bezug auf dessen Orientierungstuning beschreibt (siehe Methoden).

In Abbildung 30 ist der Tuning-Index der LFP-Power für einen repräsentativen Aufnahmeort sowohl für einzelne Frequenzen, als auch für alle möglichen Frequenzbänder dargestellt. Abbildung 30A zeigt für dieses Beispiel einen maximalen Tuning-Index bei 75 Hz. Für die Berechnung des Tuning-Index über alle möglichen Frequenzbänder (Abbildung 30B) wurde die LFP-Power der Frequenzen f mit f start < f < f stop vor der Berechnung des Tuning-Index gemittelt. Entsprechend läßt sich die Funktion in Abbildung 30A als horizontal liegende Diagonale der Abbildung 30B interpretieren. Für das abgebildete Beispiel fand sich ein maximaler Tuning-Index für das Frequenzband mit f start = 64 Hz und f stop = 103 Hz (Raute in Abbildung 30B).

Abbildung 30: Tuning-Index der LFP-Power eines typischen Aufnahmeorts. A : Tuning-Index als Funktion einzelner Frequenzen. B : Tuning-Index als Funktion aller möglichen Frequenzbänder. Das globale Maximum ist mit einer Raute markiert.

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Interessanterweise beinhaltet dieses optimale Frequenzband nicht die Frequenzen um 20 Hz, obwohl sich hier in Abbildung 30A ein deutliches lokales Maximum des Tuning-Index darstellt. Entsprechend zeigt sich auch in Abbildung 30B ein lokales Maximum für das Frequenzband f start = 15 Hz und f stop = 32 Hz. Für dieses Beispiel fand sich in diesem tiefen Frequenzbereich tatsächlich ein signifikantes Orientierungstuning (p < 0.01) mit derselben Vorzugsorientierung wie im hochfrequenten Bereich. Wegen des ausgeprägten lokalen Minimums im Bereich von 40 Hz, welches den tief- und hochfrequenten Bereich des Orientierungstunings trennt (Abbildung 30A), finden sich die tiefen Frequenzen jedoch nicht in dem optimalen Frequenzband wieder.

Abbildung 31: Verteilung der Parameter der Maxima des Tuning-Index für alle Aufnahmeorte mit signifikantem Orientierungstuning (n = 38). Die Mediane der Verteilungen sind mit einer durchgezogenen Linie markiert. A : Verteilung der optimalen Frequenz für die Berechnung des Tuning-Index einzelner Frequenzen. B : Verteilung der Start-Frequenzen der optimalen Frequenzbänder für die Analyse des Tuning-Index aller möglichen Frequenzbänder. C : Die entsprechende Verteilung der Stop-Frequenzen der optimalen Frequenzbänder.

Analog dem oben demonstrierten Beispiel wurde für alle Aufnahmeorte der Tuning-Index der kurzreichweitigen Synchronisation für einzelne Frequenzen und alle möglichen Frequenzbänder berechnet. In 38 Fällen fand sich ein signifikantes Orientierungstuning der LFP-Power (p < 0.01, n = 38, total = 66, 58 %). Die Verteilung der entsprechenden Parameter ist für alle Aufnahmeorte mit signifikantem Orientierungstuning in Abbildung 31 dargestellt. Der Median der optimalen Frequenz für einzelne Frequenzen liegt bei 64 Hz (50/76 Hz; 25/75 % Percentile, n = 38, Abbildung 31A). Der Median des optimalen Frequenzbands ergibt sich für f start = 45 Hz (39/62 Hz; 25/75 % Percentile, n = 38, Abbildung 30B) und f stop = 106,5 Hz (69/173 Hz; 25/75 % Percentile, n = 38, Abbildung 31C). Ein distinktes tieffrequentes Frequenzband mit signifikantem Orientierungstuning, das sich nicht mit dem optimalen Frequenzband überlappte, findet sich in etwa einem Drittel dieser Aufnahmeorte (p < 0.01; n= 14; total = 38; 37 %; Median f start = 12 Hz; Median f stop = 30 Hz).

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Abbildung 32 : Tuning-Index der LFP-Power gemittelt über alle Aufnahmeorte mit signifikantem Orientierungstuning (n = 38). A : Tuning-Index als Funktion einzelner Frequenzen. B : Tuning-Index als Funktion aller möglichen Frequenzbänder. Das globale Maximum ist mit einer Raute markiert.

Abbildung 32 zeigt den Tuning-Index als Funktion einzelner Frequenzen sowie aller möglichen Frequenzbänder gemittelt über alle Aufnahmeorte mit signifikantem Orientierungstuning. Diese gemittelten Funktionen zeigen dieselben Charakteristika wie das in Abbildung 30 demonstrierte Beispiel. Auf ein lokales Maximum im tieffrequenten Bereich in Abbildung 32A folgt ein steiler Anstieg zu dem globalen Maximum im Bereich von 75 Hz. Es schließt sich ein flacher Abfall des Tuning-Index bis zu der höchsten untersuchten Frequenz von 200 Hz an. Dieser flache Abfall und die breite Verteilung der Stop-Frequenzen in Abbildung 31C bedingt den horizontalen Aspekt des Tuning-Index als Funktion der Frequenzbänder (Abbildung 32B). Im Vergleich zu dem stärkeren negativen Effekt tiefer Frequenzen nimmt der Tuning-Index nur wenig ab, wenn mit zunehmender Stop-Frequenz höhere Frequenzen in das Frequenzband eingeschlossen werden.

Zusammengefaßt führt die visuelle Stimulation zu einem deutlichen breitbandigen Anstieg der kurzreichweitigen Synchronisation neuronaler Aktivität. Durch Analyse des Tuning-Index als einem objektiven, funktionalen Kriterium wurde das optimale Frequenzband von 45 Hz bis 106,5 Hz abgeleitet. Dieses Band liegt somit über der Frequenz von 44 Hz für die eine maximale relative Antwort der kurzreichweitigen Synchronisation gefunden wurde und beinhaltet vergleichsweise hohe Frequenzen.

8.2 Langreichweitige Synchronisation

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Zur Untersuchung der langreichweitigen Synchronisation neuronaler Aktivität wurde die Kohärenz zwischen Paaren von LFPs berechnet, die simultan an unterschiedlichen Elektroden aufgenommen wurden. Die Kohärenz zwischen zwei Signalen beschreibt deren Synchronisation als Funktion der Frequenz und beträgt 1 bei vollständiger Phasenkopplung. Besteht keine Phasenkopplung beträgt die Kohärenz 0. Da die langreichweitige Synchronisation durch Kohärenzspektren somit wie die kurzreichweitige Synchronisation durch die LFP-Power im Frequenzraum parametrisiert wird, können sämtliche Analysen analog zur kurzreichweitigen Synchronisation durchgeführt werden. Insgesamt wurde die Kohärenz von 512 simultan an unterschiedlichen Orten aufgenommenen LFP-Paaren ausgewertet (2 Katzen mit 120 Paaren; 2 Katzen mit 136 Paaren).

8.2.1 Frequenzverteilung langreichweitiger Synchronisation

Ähnlich wie für die kurzreichweitige Synchronisation induzierte die visuelle Stimulation für die meisten untersuchten LFP-Paare eine deutliche breitbandige Zunahme der langreichweitigen Synchronisation. Der Zeitverlauf der Kohärenz wurde durch eine sliding-window Analyse untersucht. In Abbildung 33 ist das Ergebnis dieser Analyse für ein typisches Beispiel eines LFP-Paares dargestellt.

In der dargestellten Antwort der langreichweitigen Synchronisation lassen sich zwei Komponenten abgrenzen. Eine frühe Komponente ohne tonische Antwort dominiert im tieffrequenten Frequenzbereich unter 50 Hz (Abbildung 33, Stern). Eine zweite etwas später einsetzende Komponente dominiert im Gamma-Frequenzband und weist sowohl eine transiente als auch deutliche tonische Antwort auf (Abbildung 33, Kreis).

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Abbildung 33: Zeitverlauf der visuell induzierten langreichweitigen Synchronisation. Ähnlich wie für die kurzreichweitige Synchronisation sind zwei distinkte Komponenten zu unterscheiden, die mit einem Stern bzw. Kreis markiert sind.

Die in Abbildung 33 dargestellte Antwort der Kohärenz beinhaltet sowohl die sogenannte evozierte Synchronisation, die phasengekoppelt zum Erscheinen des Stimulus ist, als auch jene Komponente der Synchronisation, die keine Phasenkopplung zum Erscheinen des Stimulus aufweist. Die evozierte Komponente wurde gesondert analysiert, indem vor der Berechnung der Kohärenz die Versuchswiederholungen der beiden LFPs unabhängig voneinander durchmischt wurden, so daß die Kohärenz nun zwischen nicht simultan in einer Versuchwiederholung aufgenommene LFPs berechnet wurde. Durch die Durchmischung stellt sich in der Kohärenz nur die evozierte Komponente der Synchronisation dar, da für diese eine konstante Phasenkoppelung zum Erscheinen des Stimulus besteht, welche durch die Durchmischung nicht zerstört wird.

Abbildung 34 zeigt den Zeitverlauf der Kohärenz für das oben beschriebene LFP-Paar nach der Durchmischung der Versuchsbedingungen. Hier stellt sich lediglich die frühe tieffrequente Komponente langreichweitiger neuronaler Synchronisation dar. Ähnlich wie für die kurzreichweitige Synchronisation kann also für die langreichweitige Synchronisation eine evozierte Komponente von einer nicht zum Erscheinen des Stimulus phasengekoppelten Komponente der Synchronisation abgegrenzt werden.

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Abbildung 34: Visuell evozierte langreichweitige Synchronisation. Vor der Berechnung der Kohärenzspektren wurden die Versuchwiederholungen der beiden LFPs unabhängig voneinander durchmischt, so daß sich lediglich zum Erscheinen des Stimulus phasengekoppelte Komponenten der Synchronisation darstellen.

Für die Analyse der relativen Antworten der langreichweitigen Synchronisation wurden die selben Zeitfenster wie für die kurzreichweitige Synchronisation verwendet und die Kohärenzspektren des Prästimulusintervalls von den Kohärenzspektren des Stimulusintervalls subtrahiert. In Abbildung 35A sind für das oben beschriebene LFP-Paar die Kohärenzspektren im Prästimulusintervall und Stimulusintervall gegenübergestellt. Die entsprechende relative Antwort der Kohärenz ist in Abbildung 35B abgebildet. Ähnlich wie für die kurzreichweitige Synchronisation zeigt sich eine breitbandige relative Antwort, die bis in hohe Frequenzbereiche über 100 Hz reicht. Zudem zeigt sich ein markantes lokales Maximum im tieffrequenten Bereich unter 25 Hz.

Die relative Antwort der langreichweitigen Synchronisation wurde für alle 512 abgeleiteten LFP-Paare berechnet. Eine signifikante relative Antwort fand sich für 244 Paare (p < 0.01, n = 244, total = 512, 48 %). Für diese Paare mit einer signifikanten relativen Antwort lag der Median der Frequenz der maximalen relativen Antwort bei 49 Hz (26,5/56 Hz; 25/75 % Percentile, n = 244). Der Median der relativen Antwort bei dieser Frequenz betrug 0,16 (0,09/0,24 Hz; 25/75 % Percentile, n = 244), was einem Anstieg der langreichweitigen Synchronisation um 114 % entspricht.

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Abbildung 35 : Frequenzverteilung der visuell induzierten langreichweitigen Synchronisation eines typischen LFP-Paares. A : Kohärenzspektren während des Prästimulusintervalls (schwarz) und des Stimulusintervalls (rot). (+/- SEM) B : Frequenzverteilung der relativen Antwort langreichweitiger Synchronisation, welche die Differenz der in A abgebildeten Spektren darstellt. (+/- SEM).

Die mittlere relative Antwort der LFP-Kohärenz aller LFP-Paare mit einer signifikanten relativen Antwort ist in Abbildung 36 dargestellt.

Abbildung 36 : Die über alle LFP-Paare mit einer signifikanten relativen Antwort (n = 244) gemittelte relative Antwort der langreichweitigen Synchronisation.

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Auch diese mittlere relative Antwort zeigt ein lokales Maximum im tieffrequenten Bereich bei 13 Hz. Eine signifikante relative Antwort bei dieser Frequenz zeigten etwa 22 % der untersuchten Paare (p < 0.01, n = 112, total = 512, 22 %). Im hochfrequenten Bereich induziert die visuelle Stimulation einen breitbandigen Anstieg der langreichweitigen Synchronisation mit einem zweiten lokalen Maximum über 100 Hz.

8.2.2 Variabilität relativer Antworten

Wie für die kurzreichweitige Synchronisation stellt sich auch bei der langreichweitigen Synchronisation neuronaler Aktivität die Frage, ob die breite Frequenzverteilung der relativen Antwort im Gamma-Band durch die Überlagerung schmalbandigerer Antworten in einzelnen Versuchwiederholungen bedingt ist. Um diese Frage zu beantworten, wurde für alle abgeleiteten LFP-Paare mit einer signifikanten relativen Antwort der LFP-Kohärenz eine Analyse der relativen Antworten einzelner Versuchswiederholungen durchgeführt.

Abbildung 37 : Variabilität der relativen Antworten langreichweitiger Synchronisation über Versuchswiederholungen. Im oberen Bereich der Abbildung sind 8 zufällig ausgewählte relative Antworten einzelner Versuchswiederholungen mit den entsprechenden optimalen Annäherungen einer Gauß-Funktion (rot) dargestellt. Darunter ist die über Versuchswiderholungen gemittelte relative Antwort mit der entsprechenden optimal angenäherten Gauß-Funktion abgebildet.

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Abbildung 37 zeigt für das bereits vorgestellte LFP-Paar sowohl die über Versuchbedingungen gemittelte relative Antwort der Kohärenz, als auch die relativen Antworten 8 zufällig ausgewählter Versuchswiederholungen. Analog zur Analyse der Variabilität der relativen Antworten kurzreichweitiger Synchronisation wurden sowohl die relativen Antworten einzelner Versuchswiederholungen, als auch die über Versuchswiederholungen gemittelte relative Antwort mittels 2 Minimierung im Frequenzbereich von 25 Hz bis 100 Hz mit einer Gauß-Funktion optimal angenähert. Die Verteilung der Breite und Position der für die einzelnen Versuchbedingungen angenäherten Peaks ist in Abbildung 38 dargestellt.

Die Peak-Position der relativen Antworten einzelner Versuchswiederholungen ist um die Position des Peaks der gemittelten relativen Antwort verteilt. Die Breite des Peaks der einzelnen Versuchsbedingungen hingegen ist signifikant kleiner als die Breite des Peaks der über Versuchswiederholungen gemittelten relativen Antwort (p<0.01). Dasselbe Ergebnis bestätigte sich für 90 % der untersuchten LFP-Paare (n = 211; total = 244; 90 %). Die Analyse der Variabilität der relativen Antworten zeigt also für die langreichweitige Synchronisation ein vergleichbares Ergebnis wie für die kurzreichweitige Synchronisation. Die Überlagerung in ihrer Peak-Position variabler schmalbandigerer relativer Antworten bedingt wenigstens teilweise die Breite der über Versuchswiederholungen gemittelten relativen Antwort der langreichweitigen neuronalen Synchronisation.

Abbildung 38 : Verteilungen der Peak-Frequenzen und Peak-Breiten der parametrisierten relativen Antworten einzelner Versuchswiederholungen. A : Die Peak-Frequenzen einzelner Versuchswiederholungen (Median = gestrichelte Linie) sind um die Peak-Frequenz der gemittelten relativen Antwort verteilt (durchgezogene Linie). B : Die Breite der Peaks einzelner Versuchswiederholungen (Median = gestrichelte Linie) ist hingegen signifikant kleiner, als die Breite des Peaks der mittleren relativen Antwort (durchgezogene Linie). (p < 0,01)

8.2.3 Optimales Frequenzband langreichweitiger Synchronisation

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Entsprechend der Analyse des Orientierungstunings kurzreichweitiger Synchronisation wurde für die langreichweitige Synchronisation eine optimale Frequenz und ein optimales Frequenzband bezüglich der Orientierungsspezifität der LFP-Kohärenz abgeleitet. Hierfür wurde der oben beschriebene Tuning-Index für alle 512 simultan abgeleiteten LFP-Paare als Funktion der Frequenz und als Funktion aller möglichen Frequenzbänder berechnet.

Für etwa 41 % der untersuchten LFP-Paare zeigte sich ein signifikantes Orientierungstuning der langreichweitigen Synchronisation (p < 0.01; n = 211; total = 512; 41 %). Die Verteilung der optimalen Frequenz und der Start- und Stop-Frequenzen des optimalen Frequenzbands aller LFP-Paare mit signifikantem Orientierungstuning ist in Abbildung 39 dargestellt.

Abbildung 39: Verteilung der Parameter der Maxima des Tuning-Index für alle LFP-Paare mit signifikantem Orientierungstuning (n = 211). Die Mediane der Verteilungen sind mit einer durchgezogenen Linie markiert. A : Verteilung der optimalen Frequenz für die Berechnung des Tuning-Index einzelner Frequenzen. B : Verteilung der Start-Frequenzen der optimalen Frequenzbänder für die Analyse des Tuning-Index aller möglichen Frequenzbänder. C : Die entsprechende Verteilung der Stop-Frequenzen der optimalen Frequenzbänder.

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Der Median der optimalen Frequenz für einzelne Frequenzen lag bei 73 Hz (45/108 Hz; 25/75 % Percentile, n = 211, Abbildung 39A). Der Median des optimalen Frequenzbands ergab sich für f start = 48 Hz (30/71 Hz; 25/75 % Percentile, n = 211, Abbildung 39B) und f stop = 125 Hz (70/165 Hz; 25/75 % Percentile, n = 211, Abbildung 39C). Ein distinktes tieffrequentes Frequenzband mit signifikantem Orientierungstuning, das sich nicht mit dem optimalen Frequenzband überlappte, fand sich nur für etwa 9 % der LFP-Paare mit signifikantem Orientierungstuning (p < 0.01; n= 20; total = 211; 9 %; Median f start = 22 Hz; Median f stop = 37 Hz).

Abbildung 40: Tuning-Index der LFP-Kohärenz gemittelt über alle LFP-Paare mit signifikantem Orientierungstuning (n = 211). A : Tuning-Index als Funktion einzelner Frequenzen. B : Tuning-Index als Funktion aller möglichen Frequenzbänder. Das globale Maximum ist mit einer Raute markiert.

Abbildung 40 zeigt den Tuning-Index als Funktion einzelner Frequenzen und aller möglichen Frequenzbänder gemittelt über alle LFP-Paare mit signifikantem Orientierungstuning. Ähnlich wie für die kurzreichweitige Synchronisation zeigt sich eine sehr breite Verteilung des Tuning-Index mit einem flachen Abfall bis zur höchsten untersuchten Frequenz von 200 Hz. Im Unterschied zur kurzreichweitigen Synchronisation läßt sich jedoch kein lokales Maximum im tieffrequenten Bereich abgrenzen. Auch für die langreichweitige Synchronisation wird mit dem Frequenzband von 48 Hz bis 125 Hz ein überraschend breites und hochfrequentes Band optimaler Stimulusspezifität abgleitet, welches über der Frequenz maximaler visuell induzierter Synchronisation liegt.

8.2.4 Volumenleitung

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Um festzustellen, ob die durch die Berechnung der Kohärenz quantifizierte Synchronisation neuronaler Aktivität ein Artefakt intrakortikaler Volumenleitung darstellen könnte, wurde die Abhängigkeit der während des Prästimulusintervalls gemessenen Kohärenz von dem Abstand zwischen den Elektroden eines Paares untersucht. Da die Volumenleitung mit zunehmender Distanz abnimmt, müßte im Falle eines durch die Volumenleitung bedingten Artefakts eine starke Abhängigkeit der Kohärenz vom Elektrodenabstand resultieren. Für die neuronal bedingte Synchronisation hingegen muß eine solche Abhängigkeit nicht bestehen.

Bis auf den kleinsten untersuchten Elektrodenabstand für den während des Prästimulusintervalls eine leicht höhere Kohärenz als für größere Abstände gemessen wurde zeigte sich keine signifikante Abhängigkeit der Kohärenz vom Elektrodenabstand (p > 0.05). Für die Analyse einzelner Frequenzen und die Analyse des Stimulusintervalls zeigte sich ebenfalls keine signifikanter Effekt des Elektrodenabstands auf die gemessene Kohärenz (p > 0.05). Es ist somit als sehr unwahrscheinlich einzuschätzen, daß ein durch Volumenleitung bedingtes Artefakt für die gemessene langreichweitige Synchronisation verantwortlich ist.

8.3 Synchronisation zwischen Aktionspotentialen und LFP

Die bisherigen Ergebnisse zur kurz- und langreichweitigen Synchronisation neuronaler Aktivität basierten auf der Analyse des LFP, welches keine direkten Aussagen über die Aktivität einzelner Zellen auf der Grundlage von Aktionspotentialen gestattet. Daher wurde in einem nächsten Schritt untersucht, ob sich die demonstrierten breitbandigen relativen Antworten der kurz- und langreichweitigen Synchronisation auch in der Synchronisation zwischen Aktionspotentialen und dem LFP zu beobachten sind. An 26 Aufnahmeorten konnten zusätzlich zum LFP auch Aktionspotentiale als MUA abgeleitet werden. Insgesamt wurden 415 Paare von simultan an unterschiedlichen Elektroden aufgenommenen LFP und MUA analysiert.

8.3.1 Visuell induzierte Synchronisation

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Abbildung 41: Synchronisation zwischen Aktionspotentialen und LFP. A : Ausschnitt der in einer Versuchwiederholung simultan an unterschiedlichen Elektroden aufgenommenen Aktionspotentiale und des LFP. Das Erscheinen des Stimulus ist durch eine vertikale Linie markiert. B : Der durch den horizontalen Balken angezeigte Zeitbereich aus A ist hier vergrößert dargestellt.

Abbildung 41A zeigt ein charakteristisches Beispiel eines LFP und simultan an einer anderen Elektrode aufgenommener Aktionspotentiale. Der durch den Balken gekennzeichnete Zeitbereich ist in Abbildung 41B vergrößert dargestellt. Bereits in diesem kurzen Zeitausschnitt einer einzelnen Versuchswiederholung wird deutlich, daß Aktionspotentiale vorwiegend zum Zeitpunkt der maximalen Negativität der prominenten Gamma-Oszillation des LFP auftreten. Diese Synchronisation von Aktionspotentialen und LFP wird besonders deutlich in dem STA, welcher das mittlere LFP in der zeitlichen Umgebung des Auftretens eines Aktionspotentials beschreibt. Der STA für das dargestellten Beispiels ist in Abbildung 42 für das Stimulusintervall und Prästimulusintervall gegenübergestellt.

Abbildung 42 : Synchronisation zwischen Aktionspotentialen und LFP dargestellt durch den STA für das Prästimulusintervall (schwarz) und Stimulusintervall (rot).

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Während im Prästimulusintervall ein vergleichsweise flacher STA eine geringe Synchronisation zwischen Aktionspotentialen und LFP anzeigt, dominiert im Stimulusintervall eine deutliche Synchronisation der Aktionspotentiale zu der hochfrequenten Oszillation des LFP.

8.3.2 Frequenzverteilung relativer Antworten

Da der STA die Synchronisation zwischen Aktionspotentialen und LFP im Zeitraum darstellt, ermöglicht er keine direkte Aussage über die Synchronisation als Funktion der Frequenz. Zudem ist die Amplitude des STA nicht von der Power des LFP unabhängig. Daher wurde aus dem STA die SFC berechnet, welche die Synchronisation zwischen Aktionspotentialen und LFP unabhängig von der LFP-Power im Frequenzraum abbildet. Abbildung 43A zeigt die SFC des oben dargestellt Beispiels für das Prästimulus- und Stimulusintervall. Die entsprechende durch die visuelle Stimulation induzierte relative Antwort der SFC, welche als Differenz zwischen Stimulus- und Prästimulusintervall berechnet wurde, ist in Abbildung 43B dargestellt. In Übereinstimmung mit dem STA zeigt die relative Antwort der SFC eine deutliche durch die visuelle Stimulation induzierte Zunahme der Synchronisation bei etwa 60 Hz. Zusätzlich zeigt sich ein Anstieg der Synchronisation zwischen Aktionspotentialen und LFP in einem tieffrequenten Frequenzband bei etwa 15 Hz.

Abbildung 43: Synchronisation zwischen Aktionspotentialen und LFP dargestellt durch die SFC. A : Für das besprochene Beispiel ist die SFC während des Prästimulusintervalls (schwarz) und Stimulusintervalls (rot) gegenübergestellt. B : Die relative Antwort der SFC, welche sich als Differenz der beiden Spektren in A ergibt.

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Für alle 415 untersuchten Paare von MUA und LFP wurden STA, SFC und relative Antwort der SFC berechnet. Eine signifikante relative Antwort der SFC fand sich für 59 % der untersuchten Paare (p = 0,01; n = 244; total = 415; 59 %).

Abbildung 44 zeigt den STA, die SFC während Stimulus- und Prästimulusintervall und die relative Antwort der SFC gemittelt über alle Paare von MUA und LFP mit einer signifikanten relativen Antwort. Mit zwei lokalen Maxima zeigt die SFC während des Stimulusintervalls (Abbildung 44B) eine Synchronisation von Aktionspotentialen und LFP in einem tiefen und einem breiten hohen Frequenzbereich an. Während des Prästimulusintervalls dominiert die Synchronisation in tiefen Frequenzen auf einem deutlich niedrigeren Niveau. Die relative Antwort der SFC weist deutlich zwei lokale Maxima auf und zeigt somit, daß durch die visuelle Stimulation die Synchronisation spezifisch in einem tieffrequenten und breiten hochfrequenten Frequenzbereich induziert wird. Der Median der Position der tieffrequenten lokalen Maxima liegt bei 12 Hz. Für die hochfrequenten Maxima liegt der Median bei 53 Hz.

Abbildung 44: Synchronisation zwischen Aktionspotentialen und LFP. Über alle Paare von MUA und LFP mit einer signifikanten relativen Antwort gemittelte Funktionen (n =244). A : STA während des Prästimulusintervalls (schwarz) und Stimulusintervalls (rot). B : SFC während des Prästimulusintervalls (schwarz) und Stimulusintervalls (rot). C : relative Antwort der SFC.

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Zusammenfassend zeigt die Frequenzverteilung der relativen Antwort der SFC Charakteristika, die in guter Übereinstimmung mit den Analysen der kurz- und langreichweitigen Synchronisation auf Basis der LFP-Power und LFP-Kohärenz sind. Die visuelle Stimulation induziert einen breitbandigen hochfrequenten Anstieg der Synchronisation sowie einen Anstieg in einem distinkten tieffrequenten Frequenzbereich.

8.3.3 Unterschiede zwischen tief- und hochfrequenter Synchronisation

Wie auch die Analyse der kurz- und langreichweitigen Synchronisation zeigte die Untersuchung der SFC eine spezifische Änderung der Synchronisation in zwei distinkten hoch- bzw. tieffrequenten Frequenzbändern. Diese zwei Frequenzbänder sind ebenfalls in dem STA zu beobachten. Wird der STA entsprechend in hoch- und tieffrequente Komponenten aufgeteilt sind diese Komponenten besonders deutlich zu identifizieren.

Abbildung 45: Unterschiede zwischen tief- und hochfrequenter Synchronisation von Aktionspotentialen und LFP. Sowohl der ungefilterte STA (unterbrochen), als auch die tief- (schwarz) und hochfrequenten (rot) Komponenten des STA sind dargestellt. Die Latenz der maximalen Negativität der tief- und hochfrequenten Komponenten ist durch Pfeile markiert.

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Abbildung 45 stellt den oben dargestellten über Paare gemittelten STA des Stimulusintervalls und dessen durch entsprechende Bandpaßfilterung dissoziierte hoch- und tieffrequenten Komponenten gegenüber. Auffällig ist, daß sich die maximale Negativität der hochfrequenten Komponente exakt bei 0 ms, die maximale Negativität der tieffrequenten Komponente jedoch einige Millisekunden später zu beobachten ist. Während Aktionspotentiale also genau synchron zur maximalen Negativität der hochfrequenten Komponente des LFPs auftreten, ist die Synchronisation zur maximalen Negativität der tieffrequenten Komponente des LFPs um einige Millisekunden verschoben.

Um diesen Unterschied zu quantifizieren, wurde für alle Paare von MUA und LFP, die eine signifikante relative Antwort der SFC zeigten, die Latenz der maximalen Negativität der hoch- und tieffrequenten Komponente des STAs berechnet. In Abbildung 46 sind diese Verteilungen vergleichend gegenübergestellt.

Abbildung 46: Unterschiede zwischen tief- und hochfrequenter Synchronisation von Aktionspotentialen und LFP. Die Verteilungen der Latenzen der maximalen Negativität sind für tief- (schwarz) und hochfrequente (rot) Synchronisation gegenübergestellt. Die Mediane der Verteilungen sind als vertikale Linien markiert.

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Die Latenzen der maximalen Negativität des hochfrequenten Frequenzbereichs sind eng um den Median von 0 ms verteilt. Die Latenzen des tieffrequenten Bands zeigen hingegen eine größere Streuung um einen Median von 10 ms. Diese Differenz der Mediane der Verteilungen wurde als signifikant getestet (p < 0.01).

Zusammenfassend zeigt die Analyse der Phasenlage von Aktionspotentialen und LFP einen deutlichen Unterschied zwischen den tief- und hochfrequenten Frequenzbändern, welche bereits in der Analyse der kurz- und langreichweitigen Synchronisation als distinkte Frequenzbereiche beobachtet wurden. Dieser Unterschied in der zeitlichen Relation zwischen Aktionspotentialen und Oszillationsphänomenen des LFP in unterschiedlichen Frequenzbändern legt auch eine unterschiedliche funktionelle Bedeutung der Synchronisation neuronaler Aktivität in diesen distinkten Frequenzbändern nahe.


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