We describe a novel slow oscillation in intracellular recordings from cortical association areas 5 and 7, motor areas 4 and 6, and visual areas 17 and 18 of cats under various anesthetics. The recorded neurons (n = 254) were antidromically and orthodromically identified as corticothalamic or callosal elements receiving projections from appropriate thalamic nuclei as well as from homotopic foci in the contralateral cortex. Two major types of cells were recorded: regular- spiking (mainly slow-adapting, but also fast-adapting) neurons and intrinsically bursting cells. A group of slowly oscillating neurons (n = 21) were intracellularly stained and found to be pyramidal-shaped cells in layers III-VI, with luxuriant basal dendritic arbors. The slow rhythm appeared in 88% of recorded neurons. It consisted of slow depolarizing envelopes (lasting for 0.8–1.5 sec) with superimposed full action potentials or presumed dendritic spikes, followed by long- lasting hyperpolarizations. Such sequences recurred rhythmically at less than 1 Hz, with a prevailing oscillation between 0.3 and 0.4 Hz in 67% of urethane-anesthetized animals. While in most neurons (approximately 70%) the repetitive spikes superimposed on the slow depolarization were completely blocked by slight DC hyperpolarization, 30% of cells were found to display relatively small (3–12 mV), rapid, all-or-none potentials after obliteration of full action potentials. These fast spikes were suppressed in an all-or-none fashion at Vm more negative than -90 mV. The depolarizing envelope of the slow rhythm was reduced or suppressed at a Vm of -90 to -100 mV and its duration was greatly reduced by administration of the NMDA blocker ketamine. In keeping with this action, most (56%) neurons recorded in animals under ketamine and nitrous oxide or ketamine and xylazine anesthesia displayed the slow oscillation at higher frequencies (0.6–1 Hz) than under urethane anesthesia (0.3–0.4 Hz). In 18% of the oscillating cells, the slow rhythm mainly consisted of repetitive (15–30 Hz), relatively short-lasting (15–25 msec) IPSPs that could be revealed by bringing the Vm at more positive values than -70 mV. The long-lasting (approximately 1 sec) hyperpolarizing phase of the slow oscillation was best observed at the resting Vm and was reduced at about -100 mV. Simultaneous recording of another cell across the membrane demonstrated synchronous inhibitory periods in both neurons. Intracellular diffusion of Cl- or Cs+ reduced the amplitude and/or duration of cyclic long- lasting hyperpolaryzations.(ABSTRACT TRUNCATED AT 400 WORDS)

In this first intracellular study of neocortical activities during waking and sleep states, we hypothesized that synaptic activities during natural states of vigilance have a decisive impact on the observed electrophysiological properties of neurons that were previously studied under anesthesia or in brain slices. We investigated the incidence of different firing patterns in neocortical neurons of awake cats, the relation between membrane potential fluctuations and firing rates, and the input resistance during all states of vigilance. In awake animals, the neurons displaying fast-spiking firing patterns were more numerous, whereas the incidence of neurons with intrinsically bursting patterns was much lower than in our previous experiments conducted on the intact-cortex or isolated cortical slabs of anesthetized cats. Although cortical neurons displayed prolonged hyperpolarizing phases during slow-wave sleep, the firing rates during the depolarizing phases of the slow sleep oscillation was as high during these epochs as during waking and rapid-eye-movement sleep. Maximum firing rates, exceeding those of regular-spiking neurons, were reached by conventional fast-spiking neurons during both waking and sleep states, and by fast-rhythmic-bursting neurons during waking. The input resistance was more stable and it increased during quiet wakefulness, compared with sleep states. As waking is associated with high synaptic activity, we explain this result by a higher release of activating neuromodulators, which produce an increase in the input resistance of cortical neurons. In view of the high firing rates in the functionally disconnected state of slow-wave sleep, we suggest that neocortical neurons are engaged in processing internally generated signals.

The newly described slow cortical rhythm (approximately 0.3 Hz), whose depolarizing-hyperpolarizing components are analyzed in the preceding article, is now investigated from the standpoint of its relations with delta (1–4 Hz) and spindle (7–14 Hz) rhythmicity. Regular-spiking and intrinsically bursting cortical neurons were mostly recorded from association suprasylvian areas 5 and 7; fewer neurons were also recorded from pericruciate motor and posterolateral visual areas. Although most cells were investigated under various anesthetics, a similar slow cortical rhythm was found in animals with brainstem transection at the low- or high-collicular levels. These cerveau isole (isolated forebrain) preparations display the major sleep rhythms of the EEG in the absence of general anesthetics. In 38% of recorded cortical neurons (n = 105), the slow rhythm was combined with delta oscillation. Both cellular rhythms were phase locked to the slow and delta oscillations in the surface- and depth-recorded EEG. In a group of this cell sample (n = 47), delta activity occurred as stereotyped, clock-like action potentials during the interdepolarization lulls of the slow rhythm. In another neuronal subsample (n = 58), delta events were grouped in sequences superimposed upon the depolarizing envelope of the slow rhythm, with such sequences recurring rhythmically at approximately 0.3–0.4 Hz. The associations between the two cellular and EEG rhythms (1–4 Hz and 0.3–0.4 Hz) were quantified by means of autocorrelograms, cross-correlograms, and spike-triggered averages. In 26% of recorded neurons (n = 72), the slow rhythm was combined with spindle oscillations. Regular-spiking cortical neurons fully reflected the whole frequency range of thalamically generated spindles (7–14 Hz). However, during similar patterns of EEG spindling, intrinsically bursting cells fired grouped action potentials (with intraburst frequencies of 100–200 Hz) at only 2–4 Hz. The dependence of the slow cortical oscillation upon the thalamus was studied by lesions and stimulation. The slow rhythm survived extensive ipsilateral thalamic destruction by means of electrolytic lesions or kainate-induced loss of perikarya in thalamic nuclei that were input sources to the recorded cortical neurons. To further prevent the possibility of a thalamic role in the genesis of the slow rhythm, through the contralateral thalamocortical systems and callosal projections, we also transected the corpus callosum in thalamically lesioned animals, and still recorded the slow rhythm in cortical neurons. These data indicate that the thalamus is not essentially implicated in the genesis of the slow rhythm.(ABSTRACT TRUNCATED AT 400 WORDS)

This study was performed to examine the hypothesis that thalamic-projecting neurons of mesopontine cholinergic nuclei display activity patterns that are compatible with their role in inducing and maintaining activation processes in thalamocortical systems during the states of waking (W) and rapid-eye-movement (REM) sleep associated with desynchronization of the electroencephalogram (EEG). A sample of 780 neurons located in the peribrachial (PB) area of the pedunculopontine tegmental nucleus and in the laterodorsal tegmental (LDT) nucleus were recorded extracellularly in unanesthetized, chronically implanted cats. Of those neurons, 82 were antidromically invaded from medial, intralaminar, and lateral thalamic nuclei: 570 were orthodromically driven at short latencies from various thalamic sites: and 45 of the latter elements are also part of the 82 cell group, as they were activated both antidromically and synaptically from the thalamus. There were no statistically significant differences between firing rates in the PB and LDT neuronal samples. Rate analyses in 2 distinct groups of PB/LDT neurons, with fast (greater than 10 Hz) and slow (less than 2 Hz) discharge rates in W, indicated that (1) the fast-discharging cell group had higher firing rates in W and REM sleep compared to EEG-synchronized sleep (S), the differences between all states being significant (p less than 0.0005); (2) the slow-discharging cell group increased firing rates from W to S and further to REM sleep, with significant difference between W and S (p less than 0.01), as well as between W or S and REM sleep (p less than 0.0005). Interspike interval histograms of PB and LDT neurons showed that 75% of them have tonic firing patterns, with virtually no high-frequency spike bursts in any state of the wake-sleep cycle. We found 22 PB cells that discharged rhythmic spike trains with recurring periods of 0.8-1 sec. Autocorrelograms revealed that this oscillatory behavior disappeared when their firing rate increased during REM sleep. Dynamic analyses of sequential firing rates throughout the waking-sleep cycle showed that none of the full-blown states of vigilance is associated with a uniform level of spontaneous firing rate. Signs of decreased discharge frequencies of mesopontine neurons appeared toward the end of quiet W, preceding by about 10-20 sec the most precocious signs of EEG synchronization heralding the sleep onset. During transition from S to W, rates of spontaneous discharges increased 20 sec before the onset of EEG desynchronization.(ABSTRACT TRUNCATED AT 400 WORDS)

A slow oscillation (< 1 Hz) has recently been described in intracellular recordings from the neocortex and thalamus (Steriade et al., 1993c-e). The aim of the present study was to determine the phase relations between cortical and thalamic neuronal activities during the slow EEG oscillation. Intracellular recordings were performed in anesthetized cats from neurons in motor and somatosensory cortical areas, the rostrolateral sector of the reticular (RE) thalamic nucleus, and thalamocortical (TC) cells from ventrolateral (VL) nucleus. The EEG was used as time reference for alignment of activities in different, simultaneously recorded neurons, including dual impalements of cortical cells as well as cortical and TC cells. The spontaneous EEG oscillation was characterized by slowly recurring (0.3-0.9 Hz) sequences of surface-positive (depth-negative) sharp deflections, often followed by oscillatory activity within the frequency range of sleep spindles (7-14 Hz) or at faster frequencies. Cortical and RE cells were similarly hyperpolarized during the depth-positive EEG waves and were depolarized during the depth-negative EEG deflections. In many instances, the cell depolarization was associated with oscillations at the spindle frequency or with tonic firing at rates related to the level of depolarization. TC neurons were hyperpolarized during the depth-positive EEG waves and displayed a series of IPSPs, at the spindle frequencies, during the depth-negative EEG waves. Depending on the membrane potential (Vm), TC cells could fire spike bursts at the onset of the EEG depth-negativity, or their firing could be delayed by subsequent IPSPs. The sequence of spontaneous EEG and cellular events described above also characterized the responses to cortical and thalamic stimulation. Simultaneous intracellular recordings of pairs of cortical cells or cortical and TC cells showed that spontaneous transitions from less synchronized to more synchronized EEG states were marked by a simultaneous hyperpolarization, coincident with an overt depth-positive EEG wave. We conclude that during low-frequency oscillatory states, characteristic of slow-wave sleep, neocortical and thalamic neurons display phase relations that are restricted to narrow time windows, and that synchronization results from a generalized inhibitory phenomenon. Moreover, EEG synchronization is reflected as active inhibition in TC neurons. That this pattern is also present in states of hypersynchronization, such as seizure activity, is shown in the following paper (Steriade and Contreras, 1994).

We investigated the synchronization of fast spontaneous oscillations (mainly 30-40 Hz) in anesthetized and behaving cats by means of simultaneous extra- and intracellular recordings from multiple neocortical areas. Fast Fourier transforms, auto- and cross-correlations, and spike- or wave-triggered averages were used to determine the frequency and temporal coherence of fast oscillations that outlasted the stimulation of ascending activating systems or that occurred naturally during behavioral states of waking and rapid eye movement (REM) sleep but also appeared during the depolarizing phases of slow sleep oscillations. In 90% of microelectrode tracks, the fast oscillations did not show field reversal at any depth of the cortex and were not observable in the underlying white matter. The negative field potentials of the fast oscillations were associated at all depths with neuronal firing. This field potential property of fast oscillations was in sharp contrast to the reversal of slow sleep oscillation or evoked potentials at depths of 0.25-0.5 mm. The coherence of fast spontaneous rhythms was spatially limited, being confined within a cortical column and among closely located neocortical sites, in contrast to the long-range synchronization of slow sleep rhythms. Depolarizing current pulses elicited spike-bursts (200-400 Hz) recurring at a frequency of 30-40 Hz. Our experiments demonstrate that the conventional notion of a totally desynchronized cortical activity upon arousal should be revised as fast rhythms are enhanced and synchronized within intracortical networks during brain activation. Spontaneously occurring, subthreshold membrane potential depolarizing oscillations may bias cortical and thalamic neurons to respond synchronously, at fast frequencies, to relevant stimuli in the wake state or to internally generated drives in REM sleep.

As most afferent axons to the thalamus originate in the cerebral cortex, we assumed that the slow (< 1 Hz) cortical oscillation described in the two companion articles is reflected in reticular (RE) thalamic and thalamocortical cells. We hypothesized that the cortically generated slow rhythm would appear in the thalamus in conjunction with delta and spindle oscillations arising from intrinsic and network properties of thalamic neurons. Intracellular recordings have been obtained in anesthetized cats from RE (n = 51) and cortically projecting (n = 240) thalamic neurons. RE cells were physiologically identified by cortically evoked high-frequency spike bursts and depolarizing spindle oscillations. Thalamocortical cells were recognized by backfiring from appropriate neocortical areas, spindle- related cyclic IPSPs, and hyperpolarization-activated delta oscillation consisting of rhythmic low-threshold spikes (LTSs) alternating with afterhyperpolarizing potentials (AHPs). The slow rhythm (0.3–0.5 Hz) was recorded in 65% of RE neurons. In approximately 90% of oscillating cells, the rhythm consisted of prolonged depolarizations giving rise to trains of single action potentials. DC hyperpolarization increased the synaptic noise and, in a few cells, suppressed the long-lasting depolarizing phase of the slow rhythm, without blocking the fast EPSPs. In approximately 10% of oscillating neurons, the hyperpolarizing phase of the oscillation was much more pronounced, thus suggesting that the slow rhythm was produced by inhibitory sculpturing of the background firing. The slow oscillation was associated with faster rhythms (4–8 Hz) in the same RE neuron. The slow rhythm of RE neurons was closely related to EEG wave complexes recurring with the same frequency, and its strong dependency upon a synchronized state of cortical EEG was observed during shifts in EEG patterns at different levels of anesthesia. In 44% of thalamocortical cells the slow rhythm of depolarizing sequences was apparent and it could coexist with delta or spindle oscillations in the same neuron. The occurrence of the slowly recurring depolarizing envelopes was delayed by the hyperpolarizing spindle sequences or by the LTS-AHP sequences of delta oscillation. The hyperpolarization-activated delta potentials that tended to dampen after a few cycles were grouped in sequences recurring with the slow rhythm. We finally propose a unified scenario of the genesis of the three major sleep rhythms: slow, delta, and spindle oscillations.

The hypothesis that nucleus reticularis thalami (RE) is the generator of spindle rhythmicity during electroencephalogram (EEG) synchronization was tested in acutely prepared cats. Unit discharges and focal waves were extracellularly recorded in the rostral pole of RE nucleus, which was completely disconnected by transections from all other thalamic nuclei. In some experiments, additional transections through corona radiata created a triangular island in which the rostral RE pole survived with the caudate nucleus, putamen, basal forebrain nuclei, prepyriform area, and the adjacent cortex. Similar results were obtained in two types of experiments: brain stem-transected preparations that exhibited spontaneous spindle sequences, and animals under ketamine anesthesia in which transient spindling was repeatedly precipitated during recording by very low doses of a short-acting barbiturate. Both spindle-related rhythms (7- to 16-Hz waves grouped in sequences that recur with a rhythm of 0.1–0.3 Hz) are seen in focal recordings of the deafferented RE nucleus. The presence of spindling rhythmicity in the disconnected RE nucleus contrasts with total absence of spindles in cortical EEG leads and in thalamic recordings behind the transection. Oscillations within the same frequency range as that of spontaneous spindles can be evoked in the deafferented RE nucleus by subcortical white matter stimulation. In deafferented RE cells, the burst structure consists of an initially biphasic acceleration-deceleration pattern, eventually leading to a long-lasting tonic tail. Quantitative group data show that the burst parameters of disconnected RE cells are very similar to those of RE neurons with intact connections. In the deafferented RE nucleus, spike bursts of RE neurons recur periodically (0.1–0.3 Hz) in close time-relation with simultaneously recorded focal spindle sequences. The burst occurrence of deafferented RE cells is greatly reduced after systemic administration of bicuculline. The preservation of both spindle-related rhythms in the disconnected RE nucleus, together with our recent experiments showing abolition of spindle oscillations in thalamic nuclei after lesions of RE nucleus (24), demonstrate that RE nucleus is the generator of spindle rhythms.

The effects of depriving thalamic relay and intralaminar nuclei from their reticularis thalami (RE) inputs were investigated in acute and chronic experiments on cat. In acutely prepared animals, two (frontal and parasagittal) thalamic transections were made; extracellular and intracellular recordings were performed in RE-disconnected thalamic nuclei. In chronic experiments, the RE nuclear complex was lesioned by means of kainic acid injections; the activity of RE-deprived thalamocortical neurons was extracellularly studied during wakefulness and synchronized sleep. Two features distinguish RE-deprived nuclei from normal thalamic nuclei: absence of spindle-wave rhythmicity and all-burst activity of neurons. The abolition of spindle-related rhythms (sequences of 7- to 14-Hz waves recurring periodically with a rhythm of 0.1-0.2 Hz) in RE-disconnected thalamic nuclei and ipsilateral neocortical areas contrasted with normal spindling rhythmicity in contralateral EEG leads. Spontaneously occurring, rhythmic, long-lasting inhibitory postsynaptic potentials (IPSPs), as observed in intact preparations, were no longer observed in RE-disconnected thalamic neurons. The remaining inhibitory events consisted of short-duration IPSPs. The possibility that RE nucleus is a pacemaker for spindling rhythms, imposing them through inhibitory projections to target thalamic areas, is supported by our concurrent experiments that indicate RE neurons preserve their rhythmicity after disconnection from their major (cortical and thalamic) input sources. RE-deprived thalamocortical neurons exclusively exhibit high-frequency spike bursts whose intrinsic structure is identical to that of intact thalamic relay cells. Instead of the spindle-related sequences of bursts seen in normal animals, the bursts of RE-disconnected thalamocortical neurons are single events, with a dramatic rhythmicity at 1-2 Hz. The presumed mechanism of this rhythmicity is the periodic activation of a low-threshold somatic conductance whose deinactivation is brought about by temporal integration of short-lasting IPSPs. It is known that high-frequency spike bursts of thalamic relay neurons result from hyperpolarization of cell membrane. We blocked the underlying inhibitory events by bicuculline and reversibly changed the all-burst activity of RE-disconnected neurons into a tonic mode. Since the only activity of RE-deprived thalamocortical neurons consists of burst discharges, we hypothesize that local-circuit GABAergic neurons are released from inhibition after RE disconnection or lesion.

The electroencephalogram displays various oscillation patterns during wake and sleep states, but their spatiotemporal distribution is not completely known. Local field potentials (LFPs) and multiunits were recorded simultaneously in the cerebral cortex (areas 5-7) of naturally sleeping and awake cats. Slow-wave sleep (SWS) was characterized by oscillations in the slow (<1 Hz) and delta (1-4 Hz) frequency range. The high-amplitude slow-wave complexes consisted in a positivity of depth LFP, associated with neuronal silence, followed by a sharp LFP negativity, correlated with an increase of firing. This pattern was of remarkable spatiotemporal coherence, because silences and increased firing occurred simultaneously in units recorded within a 7 mm distance in the cortex. During wake and rapid-eye-movement (REM) sleep, single units fired tonically, whereas LFPs displayed low-amplitude fast activities with increased power in fast frequencies (15-75 Hz). In contrast with the widespread synchronization during SWS, fast oscillations during REM and wake periods were synchronized only within neighboring electrodes and small time windows (100-500 msec). This local synchrony occurred in an apparent irregular manner, both spatially and temporally. Brief periods (<1 sec) of fast oscillations were also present during SWS in between slow-wave complexes. During these brief periods, the spatial and temporal coherence, as well as the relation between units and LFPs, was identical to that of fast oscillations of wake or REM sleep. These results show that natural SWS in cats is characterized by slow-wave complexes, synchronized over large cortical territories, interleaved with brief periods of fast oscillations, characterized by local synchrony, and of characteristics similar to that of the sustained fast oscillations of activated states.