Abstract EEGs are known to provide biomarkers for consciousness. Although EEG correlates of loss of consciousness (LOC) are often ascribed to changes in neural synchrony, mounting evidence suggests that some changes result from asynchronous neural activity. By combining EEG recordings of humans undergoing propofol administration with biophysical modelling, we present here a principled decomposition of EEG changes during LOC into synchronous and asynchronous sources. Our results reveal that IPSP decay rate and mean spike rate shape aperiodic EEG features, and that propofol’s effects on these parameters largely explain the changes in EEG spectra following propofol infusion. We further show that traditional spectral EEG analysis likely conflates these effects with changes in rhythmic activity, thereby masking the true dynamics of neural synchrony. We conclude that the well-documented propofol-induced alpha rhythm in fact appears before LOC, and that the moment of LOC is uniquely correlated with the sudden appearance of a delta rhythm.

Abstract Voltage-gated sodium (Nav) channels mediate rapid millisecond electrical signaling in excitable cells. Auxiliary subunits, β1-β4, are thought to regulate Nav channel function through covalent and/or polar interactions with the channel’ s voltage-sensing domains. How these interactions translate into the diverse and variable regulatory effects of β-subunits remains unclear. Here, we find that the intrinsic movement order of the voltage-sensing domains during channel gating is unexpectedly variable across Nav channel isoforms. This movement order dictates the channel’ s propensity for closed-state inactivation, which in turn modulates the actions of β1 and β3. We show that the differential regulation of skeletal muscle, cardiac, and neuronal Nav channels is explained by their variable levels of closed-state inactivation. Together, this study provides a unified mechanism for the regulation of all Nav channel isoforms by β1 and β3, which explains how the fixed structural interactions of auxiliary subunits can paradoxically exert variable effects on channel function.

Abstract Differences in the apparent 1/f component of neural power spectra require correction depending on the underlying neural mechanisms, which remain incompletely understood. Past studies suggest that neuronal spiking produces broadband signals and shapes the spectral trend of invasive macroscopic recordings, but it is unclear to what extent action potentials (APs) influence scalp EEG. Here, we combined biophysical simulations with statistical modelling to examine the amplitude and spectral content of scalp potentials generated by the electric fields from spiking activity. We found that under physiological conditions, synchronized aperiodic spiking can account for at most 1% of the spectral density observed in EEG recordings, suggesting that the EEG spectral trend reflects only external noise at high frequencies. Indeed, by analyzing previously published data from pharmacologically paralyzed subjects, we confirmed that the EEG spectral trend is entirely explained by synaptic timescales and electromyogram contamination. We also investigated rhythmic EEG generation, finding that APs can generate narrowband power between approximately 60 and 600 Hz, thus reaching frequencies much faster than the timescales of excitatory synaptic currents. Our results imply that different spectral detrending strategies are required for high frequency oscillations compared to slower synaptically generated EEG rhythms.