Publications · 2019 · Journal article

Dynamic causal modeling for calcium imaging: Exploration of differential effective connectivity for sensory processing in a barrel cortical column

Kyesam Jung, Jiyoung Kang, Seungsoo Chung, Hae-Jeong Park

NeuroImage 201, 116008Corresponding author

Abstract

Multi-photon calcium imaging (CaI) is an important tool to assess activities of neural populations within a column in the sensory cortex. However, the complex asymmetrical interactions among neural populations, termed effective connectivity, cannot be directly assessed by measuring the activity of each neuron or neural population using CaI but calls for computational modeling. To estimate effective connectivity among neural populations, we proposed a dynamic causal model (DCM) for CaI by combining a convolution-based dynamic neural state model and a dynamic calcium ion concentration model for CaI signals. After conducting a simulation study to evaluate DCM for CaI, we applied it to an experimental CaI signals measured at the layer 2/3 of a barrel cortical column that differentially responds to hit and error whisking trials in mice. We first identified neural populations and constructed computational models with intrinsic connectivity of neural populations within the layer 2/3 of the barrel cortex and extrinsic connectivity with latent external modes. Bayesian model inversion and comparison shows that interactions with latent inhibitory and excitatory external modes explain the observed CaI signals within the barrel cortical column better than any other tested models, with a single external mode or without any latent modes. The best model also showed differential intrinsic and extrinsic effective connectivity between hit and error trials in the functional hierarchy. Both simulation and experimental results suggest the usefulness of DCM for CaI in terms of exploration of hierarchical interactions among neural populations observed in CaI.

Korean summary

다광자 칼슘 영상으로 관찰한 신경집단 사이의 비대칭적 상호작용, 즉 실효연결망을 추정하기 위한 동적 인과 모델링(DCM) 방법을 제안한 연구입니다. 칼슘 영상은 감각피질 기둥 안의 신경집단 활동을 보여주지만 집단 간의 방향성 있는 영향은 직접 측정할 수 없어 계산 모델이 필요하기에, 연구팀은 합성곱 기반 신경 상태 모델과 칼슘 이온 농도의 동역학 모델을 결합한 칼슘 영상용 DCM을 개발했습니다. 시뮬레이션으로 방법을 검증한 뒤 생쥐 수염 감각피질(배럴 피질) 2/3층에서 수염 탐색 과제의 성공과 실패 시행에 다르게 반응하는 실제 칼슘 신호에 적용했습니다. 베이지안 모델 비교 결과, 잠재적인 외부 흥분성·억제성 입력 모드를 함께 고려한 모델이 관찰 신호를 가장 잘 설명했고, 성공 시행과 실패 시행 사이에 기둥 내부 연결과 외부 연결의 실효연결성이 기능적 위계 속에서 달라졌습니다. 칼슘 영상 자료로 신경집단 간 위계적 상호작용을 탐구할 수 있는 새로운 길을 연 연구입니다.

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