Properties of Mass-Spiking Activity in Humans Measured by Non-Invasive EEG

Abstract

Abstract : Electroencephalography (EEG) is a non-invasive neuroimaging modality that was first introduced over 80 years ago. Surface EEG does not directly measure neuronal activity, and it is often assumed that it cannot provide indications on the underlying neuronal firing. However, recent studies based on invasive measurements in monkeys have shown that the coupling between two EEG frequency bands, namely the Gamma (25-45 Hz) and Delta (2-4 Hz) bands, is a good predictor of underlying mass-spiking activity. Specifically, when the Delta signal is in its trough and Gamma power is high, the probability of mass- firing of neurons is large. Here, we investigate this property in healthy human EEG acquired during resting-state. Using the interaction between Delta phase and Gamma power, we derived a modeled spike signal (MSS) from the recorded EEG. We found the power spectrum density (PSD) pattern of the MSS to be similar to that observed in animal studies. Specifically, between 1-10 Hz that the PSD deviates from a 1/[florin] trend and exhibits a small peak at about 2-3Hz. In addition, an inter-hemispheric correlation was found between the MSS of the different pairs of electrode in opposite hemispheres. Our results open the possibility of studying underlying neuronal output with non-invasive EEG. // Résumé : L'électroencéphalographie (EEG) est une modalité de neuro-imagerie non invasive qui a été introduite il y a plus de 80 ans. L’EEG de surface ne mesure pas directement l’activité neuronale et il est généralement supposé qu’elle ne donne pas d’indications sur la décharge neuronale sous-jacente. Cependant des études récentes ont montré à l’aide de mesures invasives que le couplage entre deux bandes de fréquences EEG, soit les bandes Gamma (25-45 Hz) et Delta (2-4 Hz), est un bon indicateur de l’activité neuronale de masse sous-jacente chez les singes. Plus précisément, lorsque le signal Delta est dans un creux (phase de π) et que la puissance dans le signal Gamma est élevée, la probabilité de décharge de masse des neurones est grande. Cette propriété est ici étudiée dans les signaux EEG d’humains sains en état de repos. En se basant sur l'interaction entre la phase du signal Delta et la puissance du signal Gamma, nous avons dérivé un modèle de l’activité neuronale de masse sous-jacente (modeled spike signal-MSS) obtenu à partir du signal l'EEG enregistrée. On trouve que la densité spectrale de puissance (power spectal density-PSD) du MSS est similaire à celle observée dans les études animales. Plus spécifiquement, entre 1-10 Hz la PSD s’écarte d’une tendance en 1 / [florin] et présente un pic de faible amplitude à environ 2-3Hz. En outre, une corrélation inter-hémisphérique a été observée entre les MSS de différentes paires d'électrodes positionnées sur les hémisphères opposés. Nos résultats ouvrent la possibilité d'étudier l’activité neuronale sous-jacente par EEG non-invasive.