Gamma oscillations of local field potentials (LFP) in the basal ganglia and thalamus had not been studied during saccades. Eleven patients were studied during deep brain stimulation (DBS); 6 were in the subthalamic nucleus (STN); 3 in the globus pallidus interna (GPi); and 2 in the thalamic ventralis intermedius nucleus (Vim). Patients performed horizontal saccades to visual targets while LFPs from DBS electrodes, scalp electroencephalogram (EEG), and electrooculogram (EOG) were recorded. Wavelet spectrograms were generated and saccade onset and event-related gamma synchronizations (ERS) were compared to baseline without eye motion. ERS were recorded at and after saccade onset in the STN, GPi and Vim, EEGs and EOGs; but were absent during target light illumination without saccades. ERS were symmetric in all DBS contacts and appeared identical in DBS LFPs, frontal EEGs and EOGs. These findings indicate their origin from extraocular muscle spike potentials rather than brain neural activity.

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Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels. / Background ‘Connectomics’— the mapping of neural connections, is a rapidly advancing field in neurosciences and it promises significant insights into the brain functioning. The formation of neuronal circuits in response to the sensory environment is an emergent property of the brain; however, the knowledge about the precise nature of these sub-networks is still limited. Even at the level of the visual cortex, which is the most studied area in the brain, how sensory inputs are processed between its neurons, is a question yet to be completely explored. Heuristically, this invites an investigation into the emergence of micro-circuits in response to a visual input — that is, how the intriguing interplay between a stimulus and a cell assembly is engineered and modulated? Methods Neuronal assemblies were recorded in response to randomly presented drifting sine-wave gratings in the layer II/III (area 17) of the primary visual cortex (V1) in anaesthetized cats using tungsten multi-electrodes. Cross-correlograms (CCGs) between simultaneously recorded neural activities were computed to reveal the functional links between neurons that were indicative of putative synaptic connections between them. Further, the peristimulus time histograms (PSTH) of neurons were compared to divulge the epochal synergistic collaboration in the revealed functional networks. Thereafter, perievent spectrograms were computed to observe the gamma oscillations in emergent microcircuits. Noise correlation (Rsc) was calculated for the connected and unconnected neurons within these microcircuits. Results The functionally linked neurons collaborate synergistically with augmented activity in a 50-ms window of opportunity compared with the functionally unconnected neurons suggesting that the connectivity between neurons leads to the added excitability between them. Further, the perievent spectrogram analysis revealed that the connected neurons had an augmented power of gamma activity compared with the unconnected neurons in the emergent 50-ms window of opportunity. The low-band (20-40 Hz) gamma activity was linked to the regular-spiking (RS) neurons, whereas the high-band (60-80 Hz) activity was related to the fast-spiking (FS) neurons. The functionally connected neurons systematically displayed higher Rsc compared with the unconnected neurons in emergent microcircuits. Finally, the CCG analysis revealed that there is an activation of a salient functional network in an assembly in relation to the presented orientation. Closely tuned neurons exhibited more connections than the distantly tuned neurons. Untuned assemblies did not display functional linkage. In short, a ‘signature’ functional network was formed between neurons comprising an assembly that was strictly related to the presented orientation. Conclusion Indeed, this study points to the fact that a cell-assembly is the fundamental functional unit of information processing in the brain, rather than the individual neurons. This dilutes the importance of a neuron working in isolation, that is, the classical firing rate paradigm that has been traditionally used to study the encoding of a stimulus. This study also helps to reconcile the debate on gamma oscillations in that they systematically originate between the connected neurons in assemblies. Though the size of the recorded assemblies in the current investigation was relatively small, nevertheless, this study shows the intriguing functional specificity of interacting neurons in an assembly in response to a visual input. One may form this study as a premise to computationally infer the functional connectomes on a larger scale.

Les populations neuronales ont la capacité de s’organiser en réseaux qui produisent spontanément différents patterns d’activité électrique coordonnée. Au travers de leur activité synchrone, les réseaux immatures combinent les informations génétiques et les influences environnementales et contrôlent plusieurs processus neuro-développementaux dont la plasticité synaptique. Pendant le développement prénatal et post-natal précoce, ces activités électriques synchrones peuvent être générées au sein des cortex sensoriels eux-mêmes, des structures sous-corticales ou être évoquées par l’activité des organes sensoriels, elle-même spontanée ou provoquée par les stimuli sensoriels. Dans des travaux antérieurs, nous avons montré qu’un pattern EEG typique du prématuré, le « Delta-brush » (DB), qui associe une onde lente et des oscillations rapides, pouvait être évoqué dans les cortex primaires sensori-moteur, visuel et auditif par les mouvements spontanés et par les stimuli sensoriels correspondants. L’objectif de la présente étude, dédiée aux réponses corticales aux stimuli auditifs (click), était de préciser les caractéristiques spatio-temporelles des DBs évoqués ainsi que leur rapport avec des potentiels évoqués auditifs corticaux. Pour cela, les enregistrements EEG ont été réalisés en haute résolution (32 électrodes) chez 30 nouveau-nés prématurés de 30 à 38 semaines d’âge gestationnel sans risque neurologique et la position des électrodes a été recalée sur des IRM 3D acquises chez d’autres prématurés représentatifs des âges étudiés. L’analyse de population a montré une augmentation significative de la puissance spectrale après le stimulus dans toutes les bandes de fréquence allant du delta à gamma et située au niveau de la partie moyenne et postérieure du lobe temporal. Ces réponses du cortex temporal avaient une prédominance droite, étaient plus amples dans le sommeil calme et diminuaient en puissance avec l’âge. Le moyennage des réponses EEG a révélé que la composante lente du DB était une onde lente négative de grande amplitude qui culminait dans les régions temporales moyenne et postérieure à environ 550 et 700 ms respectivement. L’analyse temps-fréquence a confirmé la présence d’oscillations rapides dont les oscillations gamma, à partir du pic de l’onde lente et cohabitant avec cette dernière durant environ 700 ms. Ces résultats suggèrent que le DB évoqué par les stimuli auditifs correspond en fait à la composante lente tardive du potentiel évoqué auditif cortical du prématuré et qu’il regroupe des oscillations dans toutes les bandes de fréquence, gamma y compris, fréquence identifiée ici pour la première fois en réponse à un stimulus sensoriel chez le prématuré humain. Nous avons obtenu des résultats préliminaires similaires aussi dans une autre modalité sensorielle ; l’activité oscillatoire du DB évoqué contribue donc probablement à la maturation des cartes corticales et représente un biomarqueur potentiel du fonctionnement normal des cortex sensoriels chez le prématuré. / At the early developmental stages, during the third trimester of gestation in humans and the first post-natal weeks in rodents, sensory neocortical areas reveal similar patterns of spontaneous correlated neuronal activity. In vitro and in vivo experiments indicate that these spontaneous activities are generated from neuronal networks in the cerebral cortex, in subcortical structures or in the sensory periphery (retina, limb jerks, whiskers). Spontaneous, periphery-driven and also sensory evoked activity is relayed to the developing cerebral cortex via the thalamus and the neocortical subplate, which amplifies the afferent sensory input. The patterns of sensory evoked activity were extensively studied in rodents, but in humans their spatiotemporal dynamics still remain elusive. In humans this developmental process happens during the second half of gestation: the major growing afferents from the thalamus spread within the transient subplate zone, relocate in the cortical plate, and form functional synapses with both transient and permanent neuronal populations. Characteristic immature activity patterns of “delta-brushes” (DBs) have been reported in the preterm temporal cortex following auditory stimuli. However, the spatiotemporal dynamics of these auditory-evoked DBs remain elusive. Here, we explored the electrophysiological responses evoked by click stimuli using 32-electrode EEG recordings in thirty premature infants from 30 to 38 postmenstrual weeks (PMW) of age. Electrodes position was digitalized and registered to 3D reconstructions of preterm heads and brains computed from MRI images of other age-matched groups. Population power spectrum analysis within the 2 seconds after stimulation revealed significant increase in all frequency bands from delta to gamma, located on the middle and posterior temporal regions with a right predominance and higher power increase in the quiet sleep. Time-frequency wavelet analysis also showed fast oscillations including gamma that begin at the peak of the delta waves and co-occur with it during a period of around 700 ms. Power of auditory evoked responses significantly decreased from 30 to 38 WPM in delta to alpha bands. These are the first report of gamma oscillations in preterm sensory evoked responses. Furthermore, average cortical auditory evoked potentials (CAEP) (processed with a mean reference and a 0.16 Hz high-pass filter) revealed high amplitude delta negative waves peaking successively from the middle to posterior temporal regions at around 550 and 700 ms. Altogether these results suggest that the auditory-evoked DBs in premature infants are a slow late component of the CAEP covering temporal regions and grouping fast oscillations notably gamma oscillations.