Analysis of synaptic plasticity changes induced by sensory inputs in the mouse barrel cortex

The rodent barrel cortex, where each whisker is mapped onto a discrete cortical barrel, offers a unique model to study the neural basis of sensory processing and plasticity. Extracellular recordings provide powerful tools to characterize these dynamics through their detailed analysis, ranging from local field potentials (LFP) to spike activity. This thesis focused on the signal analysis of invasive extracellular recordings from the barrel cortex of urethane-anaesthetised WT-GIN mice, to investigate synaptic plasticity induced by different protocols of repeated low-frequency (0.14 Hz) air puff whisker stimulation. Two protocols were tested: Protocol 1 consisted of five stimulations (St1-St5) spaced ~45 minutes apart, while Protocol 2 included two stimulations, with its St2 occurring at a time corresponding approximately to St5 of Protocol 1. Intracortical extracellular recordings were analysed in their LFP and multi-unit activity (MUA) components, focusing on sensory-evoked potentials (SEPs), frequency content, and spike activity. The analysis pipeline, combining pre-processing, temporal and spectral analyses of LFPs, and spike detection with spike densities estimation from MUAs, enabled the extraction of multiple features across complementary domains. Results show that Protocol 1 induced a progressive enhancement of all features, with early (St1-St2) and late (St3-St5) stimulation stages distinguished by the emergence of a triphasic response in both LFP and MUA. SEPs (N1, P2, N2) and a “bump” component in L5 significantly increased in amplitude across stimulations. From St1 to St5, firing rates significantly rose in the first 30 ms after stimulus onset, followed by a decrease (30-200 ms) and a late activation (200-650 ms), while power increased across all canonical frequency bands in both pre- and post-stimulus periods. Protocol 2 showed similar effects but exhibited the triphasic response already in St1. Comparison between protocols revealed protocol-specific modulations: N1 increased more in Protocol 1 with multiple closely spaced stimulations, while P2 and N2 reached comparable values in St2 of Protocol 2 and the late stages of Protocol 1 (St4 and St5). Spike activity also showed protocol-specific differences, whereas power analysis revealed only minor dissimilarities, mainly in theta, alpha, and gamma bands. Overall, this multi-level signal analysis provides evidence that low frequency whisker stimulation can enhance sensory-evoked activity in the barrel cortex of anesthetized WT-GIN mice, with number and timing of stimulations exerting distinct effects on different response components. These findings contrast with previous reports of low frequency stimulation inducing depression unless it is paired with current injection timed to the synaptic firing. Future studies with larger cohorts, further analyses (e.g., time-frequency methods, spike sorting), and more robust statistical models are necessary to deepen the understanding of the underlying mechanisms.

La barrel cortex del roditore, in cui ciascun baffo è mappato su un barrel corticale distinto, offre un modello unico per studiare le basi neurali dell’elaborazione sensoriale e della plasticità. Le registrazioni extracellulari rappresentano uno strumento potente per caratterizzare queste dinamiche attraverso un’analisi dettagliata che va dai potenziali di campo locali (LFP) all’attività di spike. Questa tesi si è focalizzata sull’analisi del segnale di registrazioni extracellulari invasive dalla barrel cortex di topi WT-GIN anestetizzati con uretano, con l’obiettivo di indagare la plasticità sinaptica indotta da diversi protocolli di stimolazione ripetuta a bassa frequenza (0.14 Hz) mediante air puff dei baffi. Sono stati testati due protocolli: il Protocollo 1, composto da cinque stimolazioni (St1-St5) distanziate di circa 45 minuti, e il Protocollo 2, composto da due stimolazioni, con la seconda (St2) corrispondente temporalmente a St5 del Protocollo 1. Le registrazioni extracellulari intracorticali sono state analizzate nelle loro componenti LFP e multi-unit activity (MUA), con particolare attenzione ai potenziali evocati sensoriali (SEP), al contenuto in frequenza e all’attività di spike. La pipeline analitica, che ha combinato pre-elaborazione, analisi temporale e spettrale degli LFP e rilevamento di spike con stima delle loro densità dalle MUA, ha permesso l’estrazione di molteplici caratteristiche in domini complementari. I risultati mostrano che il Protocollo 1 ha indotto un progressivo incremento di tutte le caratteristiche analizzate, con una distinzione tra fasi iniziali (St1-St2) e finali (St3-St5) di stimolazione evidenziata dalla comparsa di una risposta trifasica sia negli LFP che nelle MUA. Le componenti dei SEP (N1, P2, N2) e una componente aggiuntiva “bump” nello strato 5 hanno mostrato un incremento significativo di ampiezza. Da St1 a St5, i firing rate sono aumentati significativamente nei primi 30 ms dopo l’inizio dello stimolo, seguiti da una diminuzione (30-200 ms) e da una riattivazione tardiva (200-650 ms), mentre la potenza è aumentata in tutte le bande canoniche di frequenza sia nei periodi pre- che post-stimolo. Il Protocollo 2 ha mostrato risultati simili, ma con la comparsa della risposta trifasica già in St1. Il confronto tra protocolli ha rivelato modulazioni specifiche: N1 è aumentato maggiormente nel Protocollo 1 con stimolazioni multiple e ravvicinate, mentre P2 e N2 hanno raggiunto valori comparabili in St2 del Protocollo 2 e in St4-St5 del Protocollo 1. Anche l’attività di spike ha mostrato differenze specifiche tra i protocolli, mentre l’analisi di potenza ha evidenziato solo differenze minori, principalmente nelle bande theta, alpha e gamma. Complessivamente, l’analisi del segnale multilivello condotta mostra che la stimolazione dei baffi a bassa frequenza può potenziare l’attività evocata sensoriale nella barrel cortex di topi WT-GIN anestetizzati, con numero di stimolazioni e tempo trascorso tra di esse che esercitano effetti distinti sulle diverse componenti della risposta. Questi dati contrastano con precedenti studi che riportano come stimolazioni a bassa frequenza inducano depressione sinaptica, a meno che non siano abbinate a iniezioni di corrente temporizzate con il firing sinaptico. Studi futuri con coorti più ampie, analisi ulteriori (ad es. metodi tempo-frequenza, spike sorting) e modelli statistici più robusti, saranno necessari per approfondire la comprensione dei meccanismi alla base di questi fenomeni.