Neuronal coding and metabolic cost of information

Abstract

For most neurons, the information the neuron passes on is contained within the times of sending out electrical pulses - so-called action potentials. It is still not fully understood how to read this "neural code". The efficient coding hypothesis proposes that due to evolutionary pressures sensory systems evolved to transmit and process information in the most efficient way possible. However, the notion of efficiency seems to be different in different sensory systems. Cortical neurons keep their firing rates low to minimize metabolic expenses. So do insect olfactory receptor neurons (ORNs, the first layer of the olfactory system). Neurons in the insect antennal lobe (the second layer of the olfactory system), on the other hand fully use the space of possible firing rates to encode the maximum information about the odor. In my thesis, I studied how can single cortical neurons and their populations transmit and process information, while keeping metabolic expenses low, and also how the insect olfactory system encodes information about odors encountered in the air. In the part of my thesis about metabolically efficient information transmission I focused mainly on the role of inhibitory neurons in efficient information transmission. Through mathematical analysis and Monte Carlo simulations of spiking...

U většiny neuronů je informace, kterou neuron předává, obsažena v časech vysílání elek- trických impulzů - tzv. akčních potenciálů. Dosud není zcela jasné, jak tento "neuronový kód" číst. Hypotéza efektivního kódování předpokládá, že v důsledku evolučních tlaků se smyslové systémy vyvinuly tak, aby přenášely a zpracovávaly informace co nejefektivnějším způsobem. Zdá se však, že pojem efektivity se v různých smyslových systémech liší. Kor- tikální neurony udržují nízkou frekvenci vysílání akčních potentiálů, aby minimalizovaly metabolické náklady. Podobně to dělají i hmyzí čichové receptorové neurony (ORN, první vrstva čichového systému). Neurony v hmyzím tykadlovém laloku (druhá vrstva čichového systému) naopak plně využívají prostor možných frekvencí, aby zakódovaly maximum in- formací o pachu. Ve své diplomové práci jsem se zabýval tím, jak mohou jednotlivé korové neurony a jejich populace přenášet a zpracovávat informace při zachování nízkých metabo- lických nákladů a také tím, jak hmyzí čichový systém kóduje informace o paších, které se vyskytují ve vzduchu. V části své práce věnující se metabolicky efektivnímu přenosu informace jsem se zaměřil především na...