Cellular-synaptic generation of EEG activity

Cellular­synaptic generation of EEG activity György Buzsáki1, Roger D. Traub2 and Timothy Pedley3 1Center for Molecular and Behavioral Neuroscience, Rutgers,  The State University of New Jersey, 197 University Avenue,  Newark, NJ 07102  2 Department of Physiology, Neuroscience Unit Medical School, University of Birmingham Birmingham B15 2TT, U.K and 3Department of Neurology Columbia University, New York, NY 10032 Correspondence: György Buzsáki Center for Molecular and Behavioral  Neuroscience, Rutgers University 197 University Avenue Newark, NJ 07102 Tel: (973) 353­1080 ext. 3131 Fax: (973) 353­1588 E­mail: buzsaki@axon.rutgers.edu Key words: EEG, cellular activity, synchrony, extracellular currents, intrinsic  oscillations, synaptic activity, current­source density analysis Supported by NIH (NS34994, MH54671) and the Wellcome Trust Introduction To date, three methods can provide high temporal resolution of neuronal interactions at the network level: electric field recording (EEG), magnetoencephalogram (MEG; 51, 70)  and optical imaging (32, 86). Each of these have their advantages and shortcomings.  MEG is not practical for experimental work on freely moving subjects due to the large  size of magnetic sensors. A major obstacle of the optical imaging method is that its  "view" is confined to surface events. Since most of the network interactions occur in the  depth of the brain at the level of the synapses, a search for alternative methods is  warranted. In addition, research in both MEG and optical imaging fields face the same  fundamental questions as those arose decades ago in connection with scalp­recorded  EEG: the "reverse engineering" problem of signal interpretation (cf. 10, 31, 63) Membrane currents generated by neurons pass through the extracellular space. These  currents can be measured by electrodes placed outside the neurons. The field potential  (i. e., local mean field), recorded at any given site, reflects the linear sum of numerous  overlapping fields generated by current sources (current from the intracellular space to  the extracellular space) and sinks (current from the extracellular space to the  intracellular space) distributed along multiple cells. This macroscopic state variable can  be recorded with electrodes as a field potential or electroencephalogram (EEG) or with  magnetosensors (SQUIDs) as a magnetoencephalogram (MEG). These local field  patterns, therefore, provide experimental access to the spatio­temporal activity of  afferent, associational and local operations in a given structure. To date, field potential  measurements provide the best experimental and clinical tool for assessing cooperative  neuronal activity at high temporal resolution. However, without a mechanistic  description of the underlying neuronal processes, the scalp or depth EEG simply  remains a gross correlate of brain activity rather than a predictive descriptor of the  specific functional/anatomic events. The essential experimental tools for the exploration of EEG generation have yet to come. In this chapter we provide a basic description of  field potential generation in the mammalian archicortex and neocortex and summarize  recent progress and future directions A straightforward approach to deconvolve the surface (scalp) recorded event is to  simultaneously study electrical activity on the surface and at the sites of the  extracellular current generation. Electrical recording from deep brain structures using  wire electrodes is one of the oldest methods in neuroscience. Local field potential  measurements or "micro­EEG" (66) combined with recording of neuronal discharges is  the best experimental tool available to study the influence of cytoarchitectural  properties, such as cortical lamination, distribution, size and network connectivity of  neural elements on electrogenesis.  However, large number of observation points  combined with decreased distance between the recording sites are required for high  spatial resolution and for making interpretation of the underlying cellular events  possible. Progress in this field is expected to be accelerated by the availability of  micromachined silicon­based probes with numerous recording sites (60). The  information obtained from the depth of the brain will then help interpret the surface­ recorded events. Clearly, such a task requires collaborative work among neuroscience,  silicon nanotechnology, micromachinery, electric engineering, mathematics and  computer science. The stake is high, since interpretation of macrosignals such as those  obtained with EEG, MEG, fast MRI, PET or optical imaging methods will still require  network (submillimeter) level interpretation of the cellular­ synapic interactions.  In principle, every event associated with membrane potential changes of individual  cells (neurons and glia) should contribute to the perpetual voltage variability of the  extracellular space. Until recently, synaptic activity has been viewed as the exclusive  source of extracellular current flow or EEG. As will be discussed below, however,  synaptic activity is only one of the several membrane voltage changes that contributes  to the measured field potential. Progress during the past decade revealed numerous  sources of relatively slow membrane potential fluctuations, not directly associated with  synaptic activity. Such non­synaptic events may contribute also significantly to the  generation of local field potentials. These include calcium spikes, voltage­dependent  oscillations and spike afterpotentials observed in various neurons Sources of extracellular current flow 1. Fast (Na+) action potentials The largest amplitude intracellular event is the sodium­potassium spike, referred to as  the fast (Na+) action potential intracellularly and as unit activity extracellularly.  Individual fast action potentials are usually not considered to contribute significantly to the scalp recorded EEG, mainly because of their short duration (