Comparative evaluation of methods for quantification of neural activity

Abstract

Electrograms of single- and few-fibre baro- and chemoreceptor preparations from the carotid sinus nerve of rabbits were recorded monophasically at different levels of activation, as well as complete absence of potentials during temporary cold block of the preparation. The neural activity of every neurogram was determined by a PDP-12 computer using three different methods: (i) Determining all maxima and minima in the electrogram and distinguishing action potentials by comparing the amplitude changes to discriminator values derived from previous analysis of noise; (ii) counting transitions of the electrogram across a constant-voltage threshold just above the baseline noise; (iii) integrating the electrogram with or without rectification with reference to the electrical zero level. The results provided evidence that, in single- as in few-fibre preparations if methods (ii) in part, and (iii) generally, yield erroneous values and, consequently, distorted activity response curves due to measurement of baseline or superimposed noise, loss of summated potentials, baseline shifts and/or the presence of different types of potentials in the recording. Most satisfactory results were obtained by method (i). However, since even the latter becomes incorrect if the neural frequency exceeds several hundred to about 1000 impulses/s, none of these methods can be considered for exact quantification of neural activity in multi-fibre preparations or whole nerves.

Sommaire

Des électrogrammes de préparations de chimiorécepteurs et baro-récepteurs monofibres et à quelques fibres en provenance du nerf sinus carotidien de lapins ont été enregistrés de façon monophasée à différents niveaux d'activation et aussi en l'absence complète de potentiels au cours d'un blocage à froid temporaire de la préparation. L'activité neurale de chaque neurogramme a été déterminée par un ordinateur PDP-12 utilisant trois méthodes différentes: (1) Détermination de tous les maxima et minima dans l'électrogramme et distinction des potentiels d'action par comparaison des variations d'amplitude à des valeurs de discrimination provenant de l'analyse des bruits de fond précédente. (2) Comptage des transitions des électrogrammes à travers un seuil à tension constante immédiatement au-dessus du bruit de la ligne de référence. (3) Intégration de l'électrogramme avec ou sans rectification ou redressement par rapport au niveau électrique zéro. Les résultats ont prouvé que dans les préparations monofibres ou à quelques fibres, les méthodes (2) et, dans une certaine mesure (3), donnent généralement des valeurs erronées et, par conséquent, des courbes de réponse d'activité déformées à cause de la mesure de la ligne de référence ou du bruit superposé, de la perte des potentiels totalisés, de glissements de ligne de référence et (ou) de la présence de types de potentiels différents dans l'enregistrement. C'est la méthode (1) qui a permis d'obtenir les résultats les plus satisfaisants. Toutefois, étant donné que même cette dernière devient incorrecte si la fréquence neurale dépasse un taux de plusieurs centaines à environ 1000 impulsions/s, aucune de ces méthodes ne peut être prise en considération pour une quantification exacte de l'activité neurale dans des préparations multifibres ou de nerfs entiers.

Zusammenfassung

Elektrogramme von Baro- und Chemorezeptorpräparaten mit einer Faser oder wenigen Fasern vom Heringschen Karotisnerv des Kaninchens wurden bei verschiedenen Betätigungs-stärken sowie bei völliger Abwesenheit des Potentials während des vorübergehenden Kaltblocks des Präparats einphasig aufgezeichnet. Die Nervenaktivität eines jeden Neurogramms wurde durch einen Rechner vom Typ PDP-12 bestimmt, wobei drei verschiedene Verfahren angewandt wurden: (1) Bestimmung aller Maximal- und Minimalwerte im Elektrogramm und Unterscheidung der Aktionspotentiale durch Vergleich der Amplitudenänderungen mit Diskriminatorwerten aus einer früheren Geräuschanalyse. (2) Zählen der Übergänge des Elektrogramms über eine Konstantspannungsschwelle, die gerade über dem Geräusch der Grundlinie liegt. (3) Integration des Elektrogramms mit oder ohne Gleichrichtung in bezug auf das elektrische Nullniveau. Die Ergebnisse waren ein Beweis dafür, daß bei Verfahren (2) teilweise und (3) im allgemeinen bei Präparaten mit einer Faser und einigen wenigen Fasern Fehlerwerte und daher verzerrte Aktivitätsreaktionskurven auftreten, die auf der Messung der Grundlinie oder des überlagerten Geräuschs, dem Verlust des summierten Potentials, Verlagerungen der Grundlinie bzw. der Anwesenheit verschiedener Potentiale in der Aufnahme beruhen. Die besten Ergebnisse erzielte man mit Verfahren (1). Da jedoch selbst dieses Verfahren Fehler aufweist, wenn die Nervenfrequenz einige hundert bis etwa 1000 imp/s übersteigt, kann keines dieser Verfahren für die genaue mengenmäßige Beurteilung der Nervenaktivität in Mehrfaserpräparaten oder ganzen Nerven in Betracht gezogen werden.