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Spike timing-dependent plasticity (STDP) has been suggested as one of the key mechanism underlying learning and memory. Due to its importance, timing-dependent plasticity studies have been approached in the living human brain by means of non-invasive brain stimulation (NIBS) protocols such as paired associative stimulation (PAS). However, contrary to STDP studies at a cellular level, functional plasticity induction in the human brain implies the interaction among target cortical networks and investigates plasticity mechanisms at a systems level. This thesis comprises of two independent studies that aim at understanding the importance of considering broad cortical networks when predicting the outcome of timing-dependent associative plasticity induction in the human brain. In the first study we developed a new protocol (ipsilateral PAS (ipsiPAS)) that required timing- and regional-specific information transfer across hemispheres for the induction of timing-dependent plasticity within M1 (see chapter 3). In the second study, we tested the influence of individual brain structure, as measured with voxel-based cortical thickness, on a standard PAS protocol (see chapter 4). In summary, we observed that the near-synchronous associativity taking place within M1 is not the only determinant influencing the outcome of PAS protocols. Rather, the online interaction of the cortical networks integrating information during a PAS intervention determines the outcome of the pairing of inputs in M1.

This thesis aims to implement methods for recording EEG data obtained with the neural activity sensor OpenBCI Ultracortex IV headset. It also describes neurofeedback, methods of obtaining data from the motor cortex for further analysis and takes a look at the machine learning algorithms best suited for the presented problem. Multiple training and testing datasets are created, as well as a tool for recording the brain activity of a headset-wearing test subject, which is being visually presented with cognitive challenges on the screen in front of him. A neurofeedback demo app has been developed, presented and later used for calibration of new test subjects. Next part is data analysis, which aims to discriminate the left and right hand movement intention signatures in the brain motor cortex. Multiple classification methods are used and their utility reviewed.

Spike timing-dependent plasticity (STDP) has been suggested as one of the key mechanism underlying learning and memory. Due to its importance, timing-dependent plasticity studies have been approached in the living human brain by means of non-invasive brain stimulation (NIBS) protocols such as paired associative stimulation (PAS). However, contrary to STDP studies at a cellular level, functional plasticity induction in the human brain implies the interaction among target cortical networks and investigates plasticity mechanisms at a systems level. This thesis comprises of two independent studies that aim at understanding the importance of considering broad cortical networks when predicting the outcome of timing-dependent associative plasticity induction in the human brain. In the first study we developed a new protocol (ipsilateral PAS (ipsiPAS)) that required timing- and regional-specific information transfer across hemispheres for the induction of timing-dependent plasticity within M1 (see chapter 3). In the second study, we tested the influence of individual brain structure, as measured with voxel-based cortical thickness, on a standard PAS protocol (see chapter 4). In summary, we observed that the near-synchronous associativity taking place within M1 is not the only determinant influencing the outcome of PAS protocols. Rather, the online interaction of the cortical networks integrating information during a PAS intervention determines the outcome of the pairing of inputs in M1.

Komplexe kognitive Funktionen wie Gedächtnisbildung, Navigation und Entscheidungsprozesse hängen von der Kommunikation zwischen Hippocampus und Neokortex ab. An der Schnittstelle dieser beiden Gehirnregionen liegt der entorhinale Kortex - ein Areal, das Neurone mit bemerkenswerten räumlichen Repräsentationen enthält: Gitterzellen. Gitterzellen sind Neurone, die abhängig von der Position eines Tieres in seiner Umgebung feuern und deren Feuerfelder ein dreieckiges Muster bilden. Man vermutet, dass Gitterzellen Navigation und räumliches Gedächtnis unterstützen, aber die Mechanismen, die diese Muster erzeugen, sind noch immer unbekannt. In dieser Dissertation untersuche ich mathematische Modelle neuronaler Schaltkreise, um die Entstehung, Weitervererbung und Verstärkung von Gitterzellaktivität zu erklären. Zuerst konzentriere ich mich auf die Entstehung von Gittermustern. Ich folge der Idee, dass periodische Repräsentationen des Raumes durch Konkurrenz zwischen dauerhaft aktiven, räumlichen Inputs und der Tendenz eines Neurons, durchgängiges Feuern zu vermeiden, entstehen könnten. Aufbauend auf vorangegangenen theoretischen Arbeiten stelle ich ein Einzelzell-Modell vor, das gitterartige Aktivität allein durch räumlich-irreguläre Inputs, Feuerratenadaptation und Hebbsche synaptische Plastizität erzeugt. Im zweiten Teil der Dissertation untersuche ich den Einfluss von Netzwerkdynamik auf das Gitter-Tuning. Ich zeige, dass Gittermuster zwischen neuronalen Populationen weitervererbt werden können und dass sowohl vorwärts gerichtete als auch rekurrente Verbindungen die Regelmäßigkeit von räumlichen Feuermustern verbessern können. Schließlich zeige ich, dass eine entsprechende Konnektivität, die diese Funktionen unterstützt, auf unüberwachte Weise entstehen könnte. Insgesamt trägt diese Arbeit zu einem besseren Verständnis der Prinzipien der neuronalen Repräsentation des Raumes im medialen entorhinalen Kortex bei. / High-level cognitive abilities such as memory, navigation, and decision making rely on the communication between the hippocampal formation and the neocortex. At the interface between these two brain regions is the entorhinal cortex, a multimodal association area where neurons with remarkable representations of self-location have been discovered: the grid cells. Grid cells are neurons that fire according to the position of an animal in its environment and whose firing fields form a periodic triangular pattern. Grid cells are thought to support animal's navigation and spatial memory, but the cellular mechanisms that generate their tuning are still unknown. In this thesis, I study computational models of neural circuits to explain the emergence, inheritance, and amplification of grid-cell activity. In the first part of the thesis, I focus on the initial formation of grid-cell tuning. I embrace the idea that periodic representations of space could emerge via a competition between persistently-active spatial inputs and the reluctance of a neuron to fire for long stretches of time. Building upon previous theoretical work, I propose a single-cell model that generates grid-like activity solely form spatially-irregular inputs, spike-rate adaptation, and Hebbian synaptic plasticity. In the second part of the thesis, I study the inheritance and amplification of grid-cell activity. Motivated by the architecture of entorhinal microcircuits, I investigate how feed-forward and recurrent connections affect grid-cell tuning. I show that grids can be inherited across neuronal populations, and that both feed-forward and recurrent connections can improve the regularity of spatial firing. Finally, I show that a connectivity supporting these functions could self-organize in an unsupervised manner. Altogether, this thesis contributes to a better understanding of the principles governing the neuronal representation of space in the medial entorhinal cortex.

Wahrnehmung ist kein vollständig durch sensorische Reize determinierter bottom-up Prozeß, sondern wird stark beeinflußt durch von diesen Reizen unabhängige top-down Prozesse wie etwa Aufmerksamkeit oder Erwartungen. Welche neuronalen Mechanismen liegen der Integration von bottom-up und top-down gerichteter Verarbeitung sensorischer Information zu Grunde? Im ersten Teil dieser Arbeit wurde diese Frage an Hand von Simulationen eines neuronales Netzwerks zweier vereinfachter kortikaler Areale untersucht. Dieses Netzwerk berücksichtigt hierbei jüngste zellphysiologische Befunde über die stark asymmetrischen funktionellen Eigenschaften kortikaler Neurone. Das simulierte Netzwerk repliziert zentrale neurophysiologische Befunde: 1) Top-down Signale erhöhen die Feuerraten der Neurone sowohl in einem hierarchisch hohen als auch tiefen kortikalen Areal. 2) Durch selektive top-down Signale wird die Verarbeitung simultaner Reize zu Gunsten eines faszilitierten Reizes moduliert. 3) Durch die reziproke Netzwerkarchitektur kommt es zu einem bidirektionalen Informationsfluß zwischen Arealen. Diese kooperative Verarbeitung bedingt gemeinsam mit einer nichtlinearen somato-dendritischen Interaktion neuronale Salvenentladungen, die ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen. Das simulierte Netzwerk demonstriert, welche zentrale Rolle die komplexen nichtlinearen Eigenschaften kortikaler Neurone bei der Integration bottom-up und top-down gerichteter Verarbeitung sensorischer Information spielen. Im Mittelpunkt der im zweiten Abschnitt vorgestellten experimentellen Studie steht die hochfrequente Synchronisation neuronaler Aktivität. Das große neurowissenschaftliche Interesse an der zeitlichen Struktur neuronaler Aktivität liegt insbesondere in der kontrovers diskutierten Hypothese eines „Synchronisationscodes“ begründet, gemäß welcher Information nicht nur durch die Feuerraten kortikaler Neurone, sondern auch durch die Synchronisation der Aktionspotentiale einer Neuronenpopulation codiert wird. Finden sich solche Synchronisationsphänomene in wachen, sich unter möglichst natürlichen Bedingungen verhaltenden Tieren wieder? Sind diese Synchronisationen selektiv für Eigenschaften des Reizes? Gelingt es, an Hand eines objektiven Kriteriums ein funktionelles Frequenzband neuronaler Synchronisation zu definieren? Diese Fragestellungen wurden mittels chronischer extrazellulärer Ableitungen im primären visuellen Kortex wacher, sich verhaltender Katzen untersucht: 1) Visuelle Stimulation induziert einen breitbandigen hochfrequenten Anstieg neuronaler Synchronisation. 2) Diese Synchronisation ist selektiv für die Orientierung visueller Reize. 3) Durch Analyse dieser Stimulusselektivität kann ein funktionelles Band neuronaler Synchronisation von etwa 45 Hz bis 120 Hz definiert werden. Diese Untersuchungen an wachen, sich unter vergleichsweise natürlichen Bedingungen verhaltenden Tieren demonstrieren eine überraschend breite Frequenzverteilung neuronaler Synchronisation, die im hochfrequenten Bereich weit über die üblicherweise untersuchten Frequenzbänder hinausreicht. Diese Befunde sprechen gegen die Hypothese hochfrequenter kortikaler Synchronisation als einem schmalbandigen statischen Phänomen. / Sensory perception is not purely a bottom-up process determined only by sensory stimuli, but is strongly dependent on top-down factors such as attention or expectations.Which neuronal mechanisms underlie the integration of bottom-up and top-down directed processing of sensory information? In the first part of this study this question was addressed by numerical simulations of a neural network model of two simplified cortical areas. The simulated network takes into account recent findings concerning the pronounced functional asymmetry of cortical neurons.The network replicates several important neurophysiological findings: 1) Top-down signals enhance firing rates in hierarchically high and low cortical areas. 2) The processing of two competing stimuli is biased towards one stimulus by selective top-down signals. 3) The reciprocal network architecture results in a bidirectional flow of information. Together with the implemented non-linear somato-dendritic interaction this leads to neuronal bursting behaviour with a high signal to noise ratio. The simulated network demonstrates the critical role of the complex non-linear properties of cortical neurons for the integration of bottom-up and top-down directed sensory processing. The central question of the second part of this study is the functional role of high-frequency synchronization of neuronal activity. The strong interest in the temporal dynamics of neuronal activity is particularly due to the hypothesis of a “synchronization-code” according to which information is not solely encoded by firing rates but also by the synchronization of neuronal ensembles. Is such synchronization observed in awake animals behaving under natural conditions? Are these synchronizations stimulus selective? Is it possible to define a functional frequency band of synchronization based on an objective criterion? These questions were addressed by chronic extracellular recordings of neuronal activity in primary visual cortex of awake behaving cats: 1) Visual stimulation induces neuronal synchronization in a broad and high frequency range. 2) This synchronization is selective for the orientation of a visual stimulus. 3) By analyzing the stimulus selectivity of synchronization a functional band of neuronal synchronization can be defined from about 45 to 120 Hz. These results from animals behaving under natural conditions show a surprisingly broad spectral distribution of synchronization that extends well beyond typically investigated frequency ranges. These results cast doubt on the hypothesis of cortical high-frequency synchronizations as a spectrally sharp and static phenomenon.

Die Aktionspotential (AP) -Aktivität einzelner kortikaler Neuronen kann messbare sensorische Effekte hervorrufen. Es ist jedoch nicht bekannt, wie AP-Sequenzen Parameter und spezifische neuronale Subtypen die hervorgerufenen Sinnesempfindungen beeinflussen. Hier haben wir einen ‘Reverse-Physiology‘ Ansatz angewendet, um die Beziehung zwischen der Aktivität einzelner Neuronen und der Empfindung zu untersuchen. Zunächst wird der Prozess der Nanostimulation, eine von der juxtazellulären Markierungstechnik abgeleiteten Einzelzell-Stimulationsmethode, detailliert beschrieben. Nanostimulation ist einfach anzuwenden und kann auf eine Vielzahl von identifizierbaren Neuronen in narkotisierten und wachen Tieren angewandt werden. Wir beschreiben die Aufnahmetechnik und die elektrische Konfiguration für Nanostimulation. Während eine exakte zeitliche Bestimmung der AP nicht erreicht wurde, konnten Frequenz und Anzahl der AP parametrisch kontrolliert werden. Wir zeigen, dass Nanostimulation auch angewendet werden kann, um sensorische Reaktionen in identifizierbaren Neuronen selektiv zu inhibieren. Als nächstes haben wir untersucht wie sich die Frequenz und Anzahl der AP sowie die Regelmäßigkeit der Pulsfolge auf die Detektion von Einzelzell-Stimulationen im somatosensorischen Kortex von Ratten auswirken. Für mutmaßlichen erregende regular-spiking Neuronen erhöhte sich die Nachweisbarkeit mit abnehmender Frequenz und Anzahl der AP. Die Stimulation einzelner, mutmaßlichen inhibitorischer und schnell feuernder Neuronen führte zu wesentlich stärkeren sensorischen Effekten, die unabhängig von Frequenz und Anzahl der AP waren. Außerdem fanden wir heraus, dass Unregelmäßigkeiten der Pulsfolge die sensorischen Effekte von putativ erregenden Neuronen stark erhöhten. Diese Unregelmäßigkeiten wurden in durchschnittlich 8% der Durchgänge festgestellt. Unsere Daten deuten darauf hin, dass das es auf Verhaltnisebene eine große Sensivität für kortikale AP und deren zeitlichen Abfolge gibt. / The action potential (AP) activity of single cortical neurons can evoke measurable sensory effects, but it is not known how spiking parameters and specific neuronal subtypes affect the evoked sensations. Here we applied a reverse physiology approach to investigate the relationship between single neuron activity and sensation. First, we provide a detailed description of the procedures involved in nanostimulation, a single-cell stimulation method derived from the juxtacellular labeling technique. Nanostimulation is easy to apply and can be directed to a wide variety of identifiable neurons in anesthetized and awake animals. We describe the recording approach and the parameters of the electric configuration underlying nanostimulation. While exact AP timing has not been achieved, AP frequency and AP number can be parametrically controlled. We demonstrate that nanostimulation can also be used to selectively inhibit sensory responses in identifiable neurons. Next, we examined the effects of AP frequency, AP number and spike train regularity on the detectability of single-cell stimulation in rat somatosensory cortex. For putative excitatory, regular spiking neurons detectability increased with decreasing AP frequencies and decreasing AP numbers. Stimulation of single putative inhibitory, fast spiking neurons led to much larger sensory effects that were not dependent on AP frequency and AP number. In addition, we found that spike train irregularity greatly increased the sensory effects of putative excitatory neurons, with irregular spike trains being detected in on average 8% of trials. Our data suggest that the behaving animal is extremely sensitive to cortical APs and their temporal patterning.

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