Informação mútua e redundância na comunicação espontânea entre neurônios corticais

Sinopse

Uma questão importante no processo de informação neural é como os neurons cooperam para transmitir a informação. Para estudar esta questão, nós lançamos mão do conceito de redundância na informação transmitida por um grupo de neurons e, ao mesmo tempo, introduzimos um novo conceito para medir a cooperação entre pares de neurons chamado informação mútua relativa, em inglês, relative mutual information (RMI). Especificamente, nós estudamos esses dois parâmetros pelos spike trains gerados por neurônios vizinhos do primeiro cortex visual em uma rato acordado e livremente se movimentando.Os spike trains gerados aqui foram espontaneamente gerados na rede neural, na falta de estímulo visual. Sob tais condições, nossa análise revelou que enquanto o valor do RMI oscilou levemente ao redor de um valor médio, a redundância exibiu um comportamento caracterizado por uma variabilidade mais alta. Nós conjecturamos que esta combinação de RMI aproximadamente constante  e a maior variação de redundância torna a transmissão da informação mais resistente às perturbações de ruídos. Além disso, os valores de redundância sugerem que os neurônio podem cooperar em um modo flexível durante a transmissão das informações. Isto principalmente ocorre por meio de um neurônio condutor com taxas de transmissão mais altas ou, menos frequentemente, com as taxas de informação de todo o grupo sendo mais altas do que a soma das taxas de informação individuais - em outras palavras, de um modo sinergético. O método proposto aplica-se não só aos sinais neurais estacionários, mas também aos sinais neurais localmente estacionários.

Palavras-chave: Neurônios. Informação de Shannon. Entropia. Informação mútua. Redundância. Cortex visual. Spikes train. Atividade espontânea.

1. Introdução

A informação no sistema nervoso é transmitida pelos spikes trains. Spikes de neurônios individuais no córtex cerebral podem ser induzidos por estímulos externos ou eles podem ser internamente gerados por conectividades recorrentes, dentro dos circuitos cerebrais, o que é conhecido como uma atividade espontânea. Neste estudo, nós iremos caracterizar o conteúdo da informação no spike trains córtico. O conteúdo da informação é um conceito abstrato que se refere à riqueza dos intervalos interspike, mas isto não deveria ser entendido como informação necessariamente ligada a um estímulo.
     Neste artigo, nós estudamos as questões sobre como os neurônios cooperam durante uma atividade espontânea. As seguintes questões surgem neste contexto:

1). Como a informação transmitida pelos neurônios vizinhos se relacionam?
2). Os neurônios cooperam sempre de algum modo específico ou, pelo contrário, eles se alternam de um comportamento para outro?
3).   Como os processos acima dependem do tipo de estímulo ou mais genericamente do tipo de ambiente que o organismo biológico está atualmente inserido?
4). Como os neurônios colaboram na falta de estímulo externo?

     Para responder a estas questões, nós analisamos os spike trains do córtex visual primário de um rato acordado e livremente se movimentando na falta de estímulo visual. Em outras palavras, nós analisamos a atividade espontânea refletindo o modo da rede dos processos de informação baseado somente em suas conexões internas e recorrentes. Estes registros foram obtidos com tétrodos, permitindo-nos gravar simultaneamente de vários neurônios intimamente situados bem como a separação de suas ondas spike.
    O conceito de redundância, como introduzido por Reich et al. (2001), compara a soma das taxas de informação transmitidas separadamente pelos neurônios de um grupo com as taxas de informação transmitidas pela grupo todo. O segundo termo é diminuído pela taxa de informação máxima entre os neurônios no grupo. Medir as informação transportada por um neurônio determinado junto a outro neurônio do mesmo grupo...