Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7818
Main Title: Investigating the effects of weak extracellular fields on single neurons: a modelling approach
Translated Title: Untersuchung der Auswirkungen schwacher extrazellulärer Felder auf einzelne Neuronen: ein Modellierungsansatz
Author(s): Aspart, Florian
Advisor(s): Obermayer, Klaus
Referee(s): Obermayer, Klaus
Einevoll, Gaute T.
Kempter, Richard
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: In the past decades, the rise of transcranial current stimulation (tCS) has sparkled an increasing interest in the effects of weak extracellular electric fields on neural activity. These fields, such as induced during tCS, have been shown to polarize the neuronal membrane and, consequently, to modulate the spiking activity. In this thesis, I follow a modelling approach to investigate how single neuron properties affect their polarization in response to weak extracellular fields and how this response translates into a change in spiking activity. In the first part, I consider the effects of the somatic membrane polarization due to sinusoidal electric fields on neural activity. Using a canonical spatial neuron model, I investigate how this subthreshold membrane polarization leads to a modulation of the spike rate response to stochastic input currents. Importantly, I observe a resonance in the spike rate modulation, or in other words, an enhanced spike-field coherence. The resonance frequency depends on the location of the background synaptic input and on the somatic spike mechanism. Furthermore, I extend leaky and non-linear integrate-and-fire point neuron models to reproduce the dynamics of the spatially extended neuron model. To this end, I analytically derive additional model components to account for (i) two different locations of synaptic inputs and (ii) the somatic polarization due to weak electric fields. While retaining computational efficiency, the point neuron model extension successfully reproduces the original model response to synaptic input and to extracellular fields. The extended model is therefore well suited to investigate the effects of extracellular electric fields on the dynamics of large neuronal populations. In the second part, I focus on the polarization of the dendritic arbor due to weak electric fields. Using a biophysically detailed model, I first investigate the frequency-dependent subthreshold sensitivity of L5 cortical pyramidal cells to sinusoidal electric fields. Importantly, I observe a strong resonance around 10-20Hz in the field sensitivity at the apical dendrites, which is absent at the soma or basal dendrites. To disentangle the relative roles of the cell morphology and active properties in this differential field sensitivity, I further consider simplified models, ranging from simple passive cable models to reconstructed cell models with simplified active properties. I attribute this differential polarization to (i) an increased sensitivity at the apical dendrites due to the morphology and (ii) the high density of active ions channels, especially h-type current, in the apical dendrites. Finally, I illustrate how the subthreshold polarization due to electric fields can modulate firing activity of pyramidal cells, notably their firing of somatic action potentials and dendritic calcium spikes. Overall, this thesis provides an enhanced understanding of the effects of weak electric fields on neural activity and is, therefore, a further step towards improving the design of tCS protocols.
In den letzten Jahrzehnten löste die zunehmende Verbreitung von transkranieller Stromstimulation (tCS) ein erhöhtes Interesse an den Auswirkungen schwacher extrazellulärer elektrischer Felder auf die neuronale Aktivität aus. Diese Felder, die während tCS induziert werden, sind bekannt, die neuronale Membran zu polarisieren und somit die Spikingsaktivität zu modulieren. In dieser Arbeit verfolge ich einen Modellierungsansatz, um zu untersuchen, wie die Eigenschaften einzelner Neuronen ihre Polarisation durch schwache extrazelluläre Felder beeinflussen und wie diese Polarisation in eine Veränderung der Feuer-Aktivität übersetzt wird. Zunächst betrachte ich die Auswirkungen der somatischen Membranpolarisation durch sinusförmige Felder auf die neuronale Aktivität. Anhand eines kanonischen räumlichen ausgedehnten Neuronenmodells untersuche ich, wie diese unterschwellige Membranpolarisation zu einer Modulation der Feuerrateantwort auf stochastische Eingangsströme führt. Interessanterweise, finde ich eine Resonanz in der Modulation der Feuerrate, oder mit anderen Worten, eine verstärkte Spike-Feld Kohärenz. Die Resonanzfrequenz ist abhängig von der räumlichen Position des synaptischen Eingangstroms und vom somatischen Spike-Mechanismus. Darüber hinaus erweitere ich lineare und nichtlineare Integrate-and-fire Neuronenmodelle, um die Dynamik des räumlichen Neuronenmodells zu reproduzieren. Zu diesem Zweck leite ich analytisch zusätzliche Modellkomponenten ab, um zwei verschiedene Stellen von synaptischen Eingängen sowie die somatische Polarisation durch schwache elektrische Felder zu berücksichtigen. Das erweiterte Punkt-Neuronenmodell reproduziert erfolgreich die Antwort des ursprünglichen Modells auf synaptische Eingaben und auf extrazelluläre Felder und ist dabei rechnerisch viel effizienter als das ursprüngliche Modell. Das erweiterte Modell ist daher gut geeignet, die Auswirkungen extrazellulärer elektrischer Felder auf die Dynamik großer Neuronenpopulationen zu untersuchen. In einem zweiten Schritt konzentriere ich mich auf die Polarisation des dendritischen Baums durch schwacher elektrischer Felder. Anhand eines biophysikalisch detaillierten Modells untersuche ich zunächst die frequenzabhängige Unterschwellenempfindlichkeit von L5 kortikalen Pyramidenzellen unter Einwirkung von sinusförmigen elektrischen Feldern. Wichtig ist, dass ich eine starke Resonanz um 10-20Hz in der Empfindlichkeit von apikalen Dendriten für Felder beobachte, die an den Soma- oder Basal-Dendriten fehlt. Um die relative Rolle der Zellmorphologie und der aktiven Eigenschaften in dieser differentiellen Empfindlichkeit für Felder zu entwirren, betrachte ich vereinfachte Modelle, die von einfachen passiven Kabelmodellen bis zu rekonstruierten Zellmodellen mit vereinfachten aktiven Eigenschaften reichen. Ich schreibe diese differentielle Polarisation (i) einer erhöhten Empfindlichkeit an den apikalen Dendriten aufgrund der Morphologie und (ii) der hohen Dichte an aktiven Ionenkanälen, insbesondere dem h-Typ-Strom, in den apikalen Dendriten zu. Schließlich veranschauliche ich, wie die unterschwellige Polarisation durch die Felder die Feueraktivität von Pyramidenzellen modulieren kann, insbesondere deren Feuern von somatischen Aktionspotentialen und dendritischen Kalziumspikes. Insgesamt bietet diese Arbeit ein besseres Verständnis der Auswirkungen schwacher elektrischer Felder auf die neuronale Aktivität und ist daher ein weiterer Schritt zur Verbesserung des Designs von tCS-Protokollen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/8689
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7818
Exam Date: 30-Nov-2018
Issue Date: 2018
Date Available: 14-Dec-2018
DDC Class: 570 Biowissenschaften; Biologie
Subject(s): neuron modelling
weak electric field
transcranial current stimulation
tACS
tDCS
Neuronenmodelle
schwaches extrazelluläres Feld
transkranielle Stromstimulation
Sponsor/Funder: DFG, SPP 1665, Resolving and manipulating neuronal networks in the mammalian brain - from correlative to causal analysis
DFG, SFB 910, Control of self-organizing nonlinear systems - theoretical methods and concepts of application
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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