Neural systems are often stochastic, non-linear, and non-autonomous. The complex manifestation of these aspects hinders the interpretation of neuroscientific data. Neuroscience thus benefits from the inclusion of theoretical models in its methodology. Detailed biophysical models of neural systems, however, are often plagued by high-dimensional and poorly constrained parameter spaces. As an alternative, data-driven effective models can often explain the core dynamical features of a dataset with few underlying assumptions. By lumping high-dimensional fluctuations into low-dimensional stochastic terms, observed time-series can be well-represented by stochastic dynamical systems. Here, I apply this approach to two datasets from weakly electric fish. The rate of electrosensory sampling of freely behaving fish displays spontaneous transitions between two preferred values: an active exploratory state and a resting state. I show that, over a long timescale, this rate can be modelled with a stochastic double-well system where a slow external agent modulates the relative depth of the wells. On a shorter timescale, however, fish exhibit abrupt and transient increases in sampling rate not consistent with a diffusion process. I develop and apply a novel inference method to construct a jump-diffusion process that fits the observed fluctuations. This same technique is successfully applied to intrinsic membrane voltage noise in pyramidal neurons of the primary electrosensory processing area, which display abrupt depolarization events along with diffusive fluctuations. I then characterize a novel sensory acquisition strategy whereby fish adopt a rhythmic movement pattern coupled with stochastic oscillations of their sampling rate. Lastly, in the context of differentiating between self-generated and external electrosensory signals, I model the sensory signature of communication signals between fish. This analysis provides supporting evidence for the presence of a sensory ambiguity associated with these signals.

No description available.

No description available.

No description available.

Extraction of physiological and clinical information hidden in biosignals, such as cardiac and neural signals, is an important and fascinating field of research. Noninvasive assessment of the physiological parameters of a patient enables to study the physiology and pathophysiology of the investigated system, with minimal interference and inconvenience. This approach may also help to assess noninvasively the clinical condition of the patient. The primary focus of this study is therefore to extend the arsenal of research tools for the noninvasive investigation of the neural and cardiac systems. The approaches developed in this work concern two major directions: The first direction relies on the analysis of cardiac and neural responses during hypoxia. Hypoxia-ischemia remains a great challenge to the researchers, since it triggers complex responses at different levels in the organism. The functional recovery depends on a number of factors among which the state of autonomic nervous system (ANS) regulation plays an important role. Two different applications were considered in this framework. The first application studied the effect of global ischemic preconditioning on the heart rate variability (HRV) response to the asphyxia insult. Using linear (time and frequency domain) and nonlinear (approximate entropy and parameters of Poincare plots) measures, we evaluated the dynamic time course of the HRV response to the asphyxia insult and the effect of preconditioning on the autonomic neurocardiac control. Our results show for the first time that global ischemic preconditioning influences the HRV response to the asphyxia injury. The neuroprotective effect of preconditioning translates into a faster recovery of the basal HRV and the autonomic modulation of the heart. For the preconditioned group, at about 90 min after the asphyxic insult, the autonomic neural balance (measured by LF/HF ratio) appears fully recovered. Another application addressed the problem of phase synchronization analysis of EEG signals during monitoring of recovery process following brain injury episode. The concept of phase synchronization offers a new perspective on the understanding and quantification of the dynamical interactions established among coupled systems. In this thesis, we present a new approach for the identification of the degree of interaction between two complex dynamical systems from experimental data analysis. We use the empirical-mode-decomposition (EMD) technique to decompose the output signals into a number of elementary orthogonal modes with well defined instantaneous attributes (IMFs). The second direction addressed the problem of correlations between anticipatory pursuit eye movements and the neural response in the Supplementary Eye Fields (SEF) of the Macaque monkey. Anticipatory pursuit is a smooth movement of the eye occurring before the appearance of an expected moving target. The expectation of the subject is based on a subjective estimation of the probability that the target will move in a given direction. Recently, it has been suggested that the SEF could play a role in using past experience to guide anticipatory pursuit. This hypothesis is currently being tested at the single neuron level. In the behaving monkey, it has been shown that electrical microstimulation in the SEF can facilitate smooth pursuit initiation towards a moving target, suggesting that activation of the SEF might change the internal gain of the smooth pursuit pathway. In this study, we favored anticipatory responses in monkeys by using a cognitive cue, which produces a different anticipatory pursuit response than the one observed in previous studies, based on repetition. / H εξαγωγή φυσιολογικών και κλινικών πληροφοριών οι οποίες είναι κρυμμένες σε βιοσήματα όπως τα καρδιακά και νευροφυσιολογικά σήματα είναι ένας σημαντικός και πολύ ενδιαφέρον τομέας έρευνας. Μη επεμβατική αξιολόγηση των φυσιολογικών παραμέτρων ενός ασθενή επιτρέπει την μελέτη της φυσιολογίας και παθολογίας του μελετούμενου συστήματος με τις λιγότερες παρεμβολές και ενόχληση. Η προσέγγιση αυτή μπορεί επίσης να βοηθήσει στην μη επεμβατική αξιολόγηση της κλινικής κατάστασης του ασθενή. Η πρώτη προσέγγιση της μελέτης αυτής είναι να επεκτείνει το οπλοστάσιο των ερευνητικών εργαλείων για την μη επεμβατική αναζήτηση του νευρικού και καρδιακού συστήματος. Οι προσεγγίσεις που αναπτύσσονται σε αυτή τη δουλειά αφορούν δύο κύριες κατευθύνσεις: Η πρώτη κατεύθυνση υπόκειται στην ανάλυση των καρδιακών και νευροφυσιολογικών αποκρίσεων κατά τη διάρκεια της υποξίας. Η ισχεμία – υποξία παραμένει μια μεγάλη πρόκληση στους ερευνητές εφόσον πυροδοτεί πολύπλοκες αποκρίσεις σε διαφορετικά επίπεδα στον οργανισμό. Η λειτουργική αποκατάσταση εξαρτάται από έναν αριθμό συντελεστών μεταξύ των οποίων ο έλεγχος της κατάστασης του αυτόνομου νευρικού συστήματος παίζει έναν πολύ σημαντικό ρόλο. Δύο διαφορετικές εφαρμογές ελήφθησαν υπόψη στο πλαίσιο αυτό. Η πρώτη εφαρμογή μελέτησε το φαινόμενο της ολικής ισχαιμικής προκατάστασης στην μεταβλητότητα του καρδιακού ρυθμού (heart rate variability - HRV) σε προσβολή από ασφυξία. Χρησιμοποιώντας γραμμικές (στον τομέα του χρόνου και των συχνοτήτων) και μη γραμμικές (υπολογισμός εντροπίας και παραμέτρων των γραφημάτων Poincare) τεχνικές υπολογίσαμε την δυναμική χρονική εξέλιξη της HRV απόκρισης στην προσβολή από ασφυξία και η επίπτωση της προ-κατάστασης στο αυτόνομο νευροκαρδιολογικό έλεγχο. Τα αποτελέσματά μας έδειξαν για πρώτη φορά ότι η ολική ισχαιμική προκατάσταση επηρεάζει την HRV απόκριση στον τραυματισμό από την ασφυξία. Η νευροπροστατευτική επίπτωση της προκατάστασης μεταφράζεται σε μία γρηγορότερη αποκατάσταση του βασικού HRV και μία αυτόνομη εναρμόνιση της καρδιάς. Για την ομάδα με την προκατάσταση σε περίπου 90 λεπτά μετά την προσβολή από ασφυξία, η αυτόνομη νευρολογική ισορροπία (μετρούμενη από τον λόγο χαμηλών προς υψηλών συχνοτήτων εμφανίζεται πλήρως αποκαταστημένη. Μία άλλη εφαρμογή απευθύνεται στο πρόβλημα της ανάλυσης του συγχρονισμού φάσεων των σημάτων Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος κατά τη διάρκεια παρακολούθησης της διαδικασίας αποκατάστασης μετά από επεισόδιο εγκεφαλικής βλάβης. Η ιδέα του συγχρονισμού φάσεων προσφέρει μία νέα προοπτική στην κατανόηση και ποσοτικοποίηση των δυναμικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ συστημάτων συζευγμένων ταλαντωτών. Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή παρουσιάζουμε μια νέα προσέγγιση για την ανίχνευση του βαθμού της αλληλεπίδρασης μεταξύ δύο πολύπλοκων δυναμικών συστημάτων από την ανάλυση πειραματικών δεδομένων. Χρησιμοποιούμε την τεχνική του εμπειρικού τρόπου αποδόμησης (empirical-mode-decomposition EMD) για να διασπάσουμε τα σήματα εξόδου σε έναν αριθμό βασικών ορθογώνιων μερών με πολύ καλά καθορισμένες στιγμιαίες ιδιότητες (instantaneous attributes IMFs). Η δεύτερη κατεύθυνση είναι το πρόβλημα των συσχετίσεων μεταξύ προνοητικών κινήσεων των ματιών και των νευροφυσιολογικών αποκρίσεων στα παιδία των ματιών (Supplementary Eye Fields SEF) πιθήκων Macaque. Οι προνοητικές κινήσεις είναι απαλές κινήσεις των ματιών που συμβαίνουν πριν την εμφάνιση ενός αναμενόμενου κινούμενου στόχου. Η αναμονή από το υποκείμενο βασίζεται σε έναν υποκειμενικό υπολογισμό της πιθανότητας ότι ο στόχος θα κινηθεί σε μια δεδομένη κατεύθυνση. Πρόσφατα, έχει υποτεθεί ότι τα SEF μπορούν να παίζουν ρόλο στην χρησιμοποίηση παλαιών εμπειριών στην καθοδήγηση αναμενόμενων κινήσεων. Αυτή η υπόθεση έχει ελεγχθεί στο επίπεδο ενός μόνο νευρώνα. Στον πίθηκο έχει βρεθεί ότι ο ηλεκτρικός μικροερεθισμός στο SEF μπορεί να διευκολύνει την ομαλή έναρξη της κίνησης προς έναν κινούμενο στόχο, συνιστώντας ότι η ενεργοποίηση του SEF μπορεί να αλλάξει την εσωτερική απόδοση του δικτύου της ομαλής κίνησης. Σε αυτή τη μελέτη, ενισχύσαμε την εκκίνηση των ομαλών κινήσεων των πιθήκων προς ένα κινούμενο στόχο η οποία παράγει μία διαφορετική προνοητική κίνηση αυτής που παρατηρείται σε προηγούμενες μελέτες η οποία βασίζεται σε επανάληψη.