Temporal correlations in spontaneous brain activity - ETH E

Diss. ETH No. 22369
Temporal correlations in spontaneous
brain activity
A thesis submitted to attain the degree of
Doctor of Sciences of ETH Zurich
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
Fabrizio Lombardi
Laurea in Fisica, Università degli Studi di Napoli Federico II
born on 04.11.1978
citizen of
Italy
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Hans Jürgen Herrmann, examiner
Prof. Dr. Lucilla de Arcangelis, co-examiner
Prof. Dr. Ruedi Stoop, co-examiner
2014
Summary
Cortical networks exhibit an intense non-driven ongoing activity, which results from the
mutual interaction of about hundred billions non-linear units. Although intensively investigated in the last few decades, its origin, function and dynamics remain to a large extent
unclear. Concerning the spatio-temporal structure, an increasing number of experimental
evidences suggests neuronal avalanches as a universal organizing principle of spontaneous
cortical activity. Neuronal avalanches are bursts of activity that exhibit a power law in
their size and duration distribution, typical features of systems in a critical state. By
exploiting the analogies with other natural phenomena that display bursty dynamics and
long-range spatio-temporal correlations, here we consider neuronal avalanche sequences,
which we identify in cultures of cortex slices, as a stochastic process. We focus on the
temporal correlations of this avalanche process and, using a neuronal network model,
infer dynamic mechanisms of the underlying spontaneous activity. A comparison with
the temporal dynamics at the scales of the entire brain will then allow us to identify a
possible unifying dynamic principle.
ii
Sommario
Le reti corticali, anche in assenza di stimoli esterni, presentano una intensa attività, la
quale è il risultato della mutua interazione tra centinaia di miliardi di unità non-lineari.
Sebbene intensamente studiata negli ultimi anni, la sua origine e dinamica rimangono
in larga parte oscure. Per quanto riguarda la struttura spazio-temporale invece, un
numero crescente di evidenze sperimentali individua nelle valanghe neuronali un principio
organizzavo universale dell’ attività spontanea della corteccia. Le valanghe neuronali
sono sequenze improvvise e temporalmente circoscritte di potenziali d’ azione più o meno
sincroni che si verificano in numero variabile di neuroni. Esse presentano taglie e durate
che si distribuiscono secondo leggi di potenza, una caratterisitca tipica dei sistemi al punto
critico. Sfruttando l’ analogia con altri fenomeni naturali caratterizzati da una dinamica
simile, le sequenze di valanghe neuronali, identificate in colture di fettine di corteccia,
verranno qui considerate come un processo stocastico e studiate di conseguenza. In
particolare, l’ attenzione sarà rivolta alle correlazioni temporali, il cui studio, insieme ad
un modello numerico di rete neuronale, consentirà di dedurre i meccanismi dinamici dell’
attività spontanea alla base delle sequenze di valanghe. Un confronto con la dinamica
temporale al livello dell’ intera corteccia cerebrale, permetterà quindi di identificare un
possibile principio dinamico unitario nell’ attività spontanea della corteccia.
iii