Information processing in the cortex: the relevance of coherent oscillations for neuronal communication

Buehlmann, Andrés

Information processing in the cortex: the relevance of coherent oscillations for neuronal communication

Document Type

Doctoral thesis
Published Version

Author

Buehlmann, Andrés

Director

Deco, Gustavo

Publication Date

2010-07-20

Citation

Buehlmann, A. Information processing in the cortex: the relevance of coherent oscillations for neuronal communication. Universitat Pompeu Fabra; 2010. handle: http://hdl.handle.net/10803/7566

This citation was generated automatically.

Doctoral program

Programa de doctorat en Tecnologies de la Informació i les Comunicacions

Abstract

Les oscil·lacions d'activitat neuronal són un fenomen omnipresent a l'escorça cerebral. La funció d'aquestes oscil·lacions, però, no està clara. ¿Són només un epifenomen de les elevades taxes de descàrrega de potencials d'acció, o representen un procés fonamental? Per tal d'aclarir aquesta qüestió, en aquest treball hem aplicat models computacionals basats en xarxes neurobiològicament plausibles per tal d'investigar alguns dels resultats experimentals recents més rellevants. Primerament, estudiem la rellevància de les oscil·lacions en processos d'atenció i després en un context més general de teoria d'informació. Els resultats donen suport a la idea que les oscil·lacions representen un mecanisme independent. Demostrem que l'atenció modula les oscil·lacions gamma de manera independent de la taxa de descàrrega de potencials d'acció. També es mostra que la transmissió d'informació entre àrees corticals depèn tant de la fase com de la potència espectral de les oscil·lacions. A més, la velocitat amb què es produeix aquesta transmissió d'informació augmenta en funció de la potència espectral en bandes de freqüències específiques. Aquests resultats suggereixen que les oscil·lacions representen un mecanisme biològicament plausible per mitjançar les interaccions entre àrees cerebrals i, per tant, per establir un vincle entre activitat neuronal i comportament.
Oscillatory neuronal activity is an omnipresent phenomenon in the cerebral cortex. However, the actual function of these oscillations remains unclear. Are they just an epiphenomenon of elevated firing rates or do they represent a fundamental process on their own? Based on experimental work, we apply computational modeling to address this question. We first study the role of oscillations in attentional processes and then in a more general, information theoretical context. Our results support the idea that oscillations represent an independent mechanism. In particular, we show that attention modulates gamma oscillations independently of rates and that the flow of information between brain areas depends both on the phase and on the spectral power of oscillations. Moreover, we show that the speed of information exchange increases as a function of spectral power in specific frequency bands. Taken together, these results suggest that oscillations are a mechanism employed by the brain to control actual interactions between brain areas and thus likely have a link to behavior.

Keywords

information transmission, attention, computacional model, synchronization, oscillations, transmissió d'informació, atenció, models computacionals, sincronització, oscil·lacions