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Merav Stern
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Inferring the Spiking Rate of a Population of Neurons from Wide-Field Calcium Imaging

Merav Stern et al.Feb 2, 2020
Abstract Wide-field calcium imaging techniques allow recordings of high-resolution neuronal activity across one or more brain regions. However, since the recordings capture light emission generated by the fluorescence of the calcium indicator, the neural activity that drives the calcium changes is masked by the calcium indicator dynamics. Here we develop and evaluate new methods to deconvolve the calcium traces and estimate the underlying neural spiking rate. Our methods take into account both the noise in the recordings and the temporal dynamics of the calcium indicator response. Our first proposal estimates firing rates that are constant over discrete time bins. The size of each time bin depends on the data and is determined dynamically. Our second proposal estimates the rate as a continuous function and is meant for studies that look for slow rate fluctuations rather than abrupt changes. We compare our results with those of two alternative approaches: direct deconvolution using a â€˜first differences’ approach, and the â€˜Lucy-Richardson’ image recovery method, adapted to recover temporal dynamics. We show that our methods outperform competitors on synthetic data as well as on wide-field calcium recordings in which the spikes were recorded in parallel using multi-channel silicon probe.
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A transformation from temporal to ensemble coding in a model of piriform cortex

Merav Stern et al.Mar 20, 2017
ABSTRACT Different coding strategies are used to represent odor information at various stages of the mammalian olfactory system. A temporal latency code represents odor identity in olfactory bulb (OB), but this temporal information is discarded in piriform cortex (PCx) where odor identity is instead encoded through ensemble membership. We developed a spiking PCx network model to understand how this transformation is implemented. In the model, the impact of OB inputs activated earliest after inhalation is amplified within PCx by diffuse recurrent collateral excitation, which then recruits strong, sustained feedback inhibition that suppresses the impact of later-responding glomeruli. Simultaneous OB-PCx recordings indicate that indeed, over a single sniff, the earliest-active OB inputs are most effective at driving PCx activity. We model increasing odor concentrations by decreasing glomerulus onset latencies while preserving their activation sequences. This produces a multiplexed cortical odor code in which activated ensembles are robust to concentration changes while concentration information is encoded through population synchrony. Our model demonstrates how PCx circuitry can implement multiplexed ensemble-identity/temporal-concentration odor coding.
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Plume dynamics structure the spatiotemporal activity of glomerular networks in the mouse olfactory bulb

M. Lewis et al.Nov 26, 2020
Abstract Although mice locate resources using turbulent airborne odor plumes, the stochasticity and intermittency of fluctuating plumes create challenges for interpreting odor cues in natural environments. Population activity within the olfactory bulb (OB), is thought to process this complex spatial and temporal information, but how plume dynamics impact odor representation in this early stage of the mouse olfactory system is not known. Limitations in odor detection technology have made it impossible to measure plume fluctuations while simultaneously recording from the mouse’s brain. Thus, previous studies have measured OB activity following controlled odor pulses of varying profiles or frequencies, but this approach only captures a subset of features found within olfactory plumes. Adequately sampling this feature space is difficult given a lack of knowledge regarding which features the brain extracts during exposure to natural olfactory scenes. Here we measured OB responses to naturally fluctuating odor plumes using a miniature, adapted odor sensor combined with wide-field GCaMP6f signaling from the dendrites of mitral and tufted (MT) cells imaged in olfactory glomeruli of head-fixed mice. We precisely tracked plume dynamics and imaged glomerular responses to this fluctuating input, while varying flow conditions across a range of ethologically-relevant values. We found that a consistent portion of MT activity in glomeruli follows odor concentration dynamics, and the strongest responding glomeruli are the best at following fluctuations within odor plumes. Further, the reliability and average response magnitude of glomerular populations of MT cells are affected by the flow condition in which the animal samples the plume, with the fidelity of plume following by MT cells increasing in conditions of higher flow velocity where odor dynamics result in intermittent whiffs of stronger concentration. Thus, the flow environment in which an animal encounters an odor has a large-scale impact on the temporal representation of an odor plume in the OB. Additionally, across flow conditions odor dynamics are a major driver of activity in many glomerular networks. Taken together, these data demonstrate that plume dynamics structure olfactory representations in the first stage of odor processing in the mouse olfactory system.