Encoding mechanisms for sensory neurons studied with a multielectrode array in the cat dorsal root ganglion

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Abstract:

Recent advances in microelectrode array technology now permit a direct examination of the way populations of sensory neurons encode information about a limb's position in space. To address this issue, we recorded nerve impulses from about 100 single units simultaneously in the L6 and L7 dorsal root ganglia (DRG) of the anesthetized cat. Movement sensors, placed near the hip, knee, ankle, and foot, recorded passive movements of the cat's limb while it was moved pseudo-randomly. The firing rate of the neurons was correlated with the position of the limb in various coordinate systems. The firing rates were less correlated to the position of the foot in Cartesian coordinates (x, y) than in joint angular coordinates (hip, knee, ankle), or in polar coordinates. A model was developed in which position and its derivatives are encoded linearly, followed by a nonlinear spike-generating process. Adding the nonlinear portion significantly increased the correlations in all coordinate systems, and the full models were able to accurately predict the firing rates of various types of sensory neurons. The observed residual variability is captured by a simple stochastic model. Our results suggest that compact encoding models for primary afferents recorded at the DRG are well represented in polar coordinates, as has previously been suggested for the cortical and spinal representation of movement. This study illustrates how sensory receptors encode a sense of limb position, and it provides a general framework for modeling sensory encoding by populations of neurons.Key words: sensory, encoding, multielectrode, dorsal root ganglion, cutaneous, muscle.

Grâce aux progrès récents de la technologie des réseaux de microélectrodes, nous pouvons maintenant observer directement comment les populations de neurones sensoriels encodent l'information relative à la position d'un membre dans l'espace. Pour étudier cette question, nous avons enregistré les impulsions nerveuses d'une centaine d'unités discriminables, simultanément dans les ganglions de la racine dorsale (GRD) L6 et L7 d'un chat sous anesthésie. Des détecteurs du mouvement, placés près de la hanche, du genou, de la cheville et du pied, ont enregistré les mouvements passifs du membre du chat pendant que celui-ci était déplacé de façon pseudo-aléatoire. La cadence des neurones a été mise en corrélation avec la position du membre dans divers systèmes de coordonnées. La corrélation entre la cadence et la position du pied était moins grande dans les coordonnées cartésiennes (x, y) que dans les coordonnées articulaires (hanche, genou, cheville) ou dans les coordonnées angulaires. Un modèle a été conçu, dans lequel la position et ses dérivés sont encodés de façon linéaire, suivi par un processus non linéaire générateur de pointes. L'ajout de la portion non linéaire augmente de façon significative les corrélations dans tous les systèmes de coordonnées et les modèles complets ont pu prédire avec précision la cadence des divers types de neurones sensoriels. La variabilité résiduelle observée est bien saisie par un simple modèle stochastique. En conclusion, nos résultats semblent indiquer que les modèles d'encodage compact pour les afférents primaires enregistrés au GRD sont bien représentés dans les coordonnées angulaires, comme cela a déjà été indiqué pour la représentation corticale et spinale du mouvement. Cette étude illustre comment les récepteurs sensoriels encodent la position d'un membre et fournissent un cadre général pour la modélisation de l'encodage sensoriel par des populations de neurones.Mots clés : sensoriel, codage, multi-électrodes, ganglion de la racine dorsale, cutané, muscle.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: July 1, 2004

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