Tätigkeitsbericht 2002/2003 - IGPP

Theory and Data Analysis 17
Dekodierung von Bewegung aus neuronaler Aktivität
Viele Untersuchungen haben gezeigt, dass die Aktivität
neuronaler Populationen im motorischen Cortex
differenzierte Information über verschiedene Bewegungsparameter,
wie etwa Kraft oder Richtung,
enthält. Auf der Basis neuronaler “Tuningkurven”
kann damit eine präzise Dekodierung von Bewegung
aus der Aktivität neuronaler Populationen erreicht
werden. Dieser Zugang geht die Frage an, wieviel Information
über das Verhalten direkt aus den neuronalen
Signalen entnommen werden kann.
Wir untersuchten lokale Feldpotentiale (LFP) im motorischen
Cortex, die eine Überlagerung elektrischer
Aktivität großer lokaler Populationen von Neuronen
darstellen. Wir konnten zeigen, dass das LFP zum
Auslesen der Bewegungsrichtung überraschenderweise
ebenso gut geeignet ist wie eine Population von
Einzelzellen, die von denselben Elektroden abgeleitet
wurde. Wir waren darüber hinaus in der Lage,
vollständige Trajektorien einer Bewegung aus multiplen
LFP-Kanälen im Einzeldurchgang zu rekonstruieren.
Dieses Ergebnis zeigt deutlich, dass LFPs im
Motorcortex ebenfalls wesentliche Information über
verschiedene Aspekte einer Bewegung enthalten, und
dass dieser Signaltyp im Prinzip als zusätzliches Signal
für neuartige neuroprothetische Anwendungen genutzt
werden kann.
Im Gegensatz zu den meisten sensorischen Arealen
nimmt man für den motorischen Cortex bei Primaten
an, dass die räumliche Anordnung der Eigenschaften
einzelner Nervenzellen im wesentlichen zufällig ist.
Wir verglichen das Richtungstuning von Einzelzellen
und LFPs, die von denselben Elektroden in einem
Bewegungsexperiment abgeleitet wurden, miteinander.
Es stellte sich heraus, dass diese deutlich
weniger verschieden waren, als man von einer zufälligen
Anordung der Einzelzelleigenschaften hätte erwarten
dürfen. Das unterstützt die Hypothese einer nichtzufälligen
räumlichen Anordnung von Tuningeigenschaften.
In einer laufenden Untersuchung wollen wir
die emergenten Eigenschaften eines Massensignals, wie
es das LFP darstellt, ausgehend von den bekannten
Eigenschaften einzelner Zellen weiter untersuchen.
Rotter; zusammen mit Aertsen, Cardoso de Oliveira,
Mehring, Rickert, Vaadia
Publikation: Mehring et al. (2003)
Neuronale Korrelate von Wahrnehmungsinstabilitäten
Mehrdeutige Stimuli wie der Necker-Würfel destabilisieren
das kognitive System und führen zu spontanen
Wahrnehmungswechseln. Mit einem gegenüber
früheren Studien entscheidend verbesserten experimentellen
Design gelang es uns, erstmals Signaturen
in ereigniskorrelierten Potentialen zu identifizieren, die
spezifisch mit dem Wahrnehmungswechsel korrelieren.
Im einzelnen fanden wir eine prominente Komponente
bei 250 ms und eine schwache, erstaunlich frühe Signatur
bei 110 ms nach Stimulus-Einsatz. Extern indu-
Decoding Movement from Neuronal Activity
Many studies have shown that the spiking activity
of neuronal populations in the motor cortex provides
accurate information about different movement
parameters like applied force or movement direction.
Neuronal “tuning curves” can be exploited to faithfully
decode movements from the activity of neuronal
populations. This decoding approach addresses the
question of how much information about the actual behavior
can be extracted from neuronal signals directly.
We examined local field potentials (LFP) in the motor
cortex, representing the pooled electrical activity of
large local populations of neurons. We were able to
show that, surprisingly, the inference of movement
direction from the LFP in monkey experiments is as
efficient as from single-unit activity recorded from
the same electrodes. Moreover, we could predict
complete movement trajectories from single-trial
multiple-channel LFPs. This demonstrates that
LFPs in the motor cortex also contain substantial
information about various aspects of movements,
suggesting that this type of signal can, in principle, be
used as an additional signal in novel neuroprosthetic
applications.
In contrast to most sensory areas, the spatial organization
of tuning properties of neurons in the primate
motor cortex is assumed to be essentially random. We
compared the directional tuning of neurons and LFPs
recorded from the same electrodes in the motor cortex
of monkeys performing particular movements. It
turned out that they were significantly less different
than would be expected by chance. This supports the
hypothesis of a nonrandom spatial organization of tuning
properties. In a follow-up study we will further
examine the emergent properties of mass signals such
as the LFP, based on known properties of individual
neurons.
Rotter; together with Aertsen, Cardoso de Oliveira,
Mehring, Rickert, Vaadia
Publication: Mehring et al. (2003)
Neural Correlates of Perceptual Instabilities
Ambiguous figures such as the Necker cube destabilize
the cognitive system, leading to spontaneous perceptual
reversals. With a decisively refined experimental
design as compared to previous studies, we could,
for the first time, identify signatures in event related
potentials, which are specifically correlated with the
perceptual reversal. In detail, we found a prominent
component at 250 ms and an additional, weaker signature
as early as 110 ms after stimulus onset. Externally
induced reversals of unambiguous stimuli evoked sig-