Dinamiche Neurali Specifiche per Strato nel Bulbo Olfattivo: Un Approccio Computazionale per Migliorare le Risposte Spaziotemporali Attivate dalla Luce Utilizzando Biosensori ad Alta Densità

Abstract

L'optogenetica offre un controllo preciso dell'attività neuronale attraverso proteine sensibili alla luce espresse in neuroni target. Se combinata con array di microelettrodi ad alta densità (HD MEA) basati sulla tecnologia CMOS, consente la manipolazione simultanea e la registrazione ad alta risoluzione dell'attività neurale in ampie popolazioni. Questa tecnica è particolarmente utile per studiare il bulbo olfattivo (OB), una regione cerebrale coinvolta nella complessa elaborazione olfattiva. Tuttavia, gli HD MEA sono sensibili alla luce e portano alla generazione di artefatti durante gli esperimenti di optogenetica. Questi artefatti, che variano con i parametri di stimolazione e la vicinanza dell'elettrodo alla sorgente luminosa, possono interferire con i veri segnali neurali complicando l'interpretazione dei dati. Al fine di risolvere questo problema, è stato sviluppato un nuovo metodo di sottrazione dei template per eliminare gli artefatti indotti dalla stimolazione, preservando al contempo le informazioni neurali significative. Per ogni cluster di elettrodi sono stati creati modelli di artefatti in base alla loro relazione spaziale con la sorgente luminosa. Sono stati testati diversi algoritmi di clustering e l'efficacia della correzione degli artefatti è stata valutata utilizzando i valori del rapporto segnale-rumore (SNR) e del valore quadratico medio (RMS). I risultati hanno dimostrato che il metodo di sottrazione dei template ha migliorato significativamente la qualità dei dati, aumentando il rilevamento dei segnali neurali autentici. L'analisi delle dinamiche neurali dell'OB con dati privi di artefatti ha rivelato che la stimolazione luminosa non solo modula ma aumenta l'attività neurale, in particolare in GCL, con livelli di attività che aumentano in maniera dose-dipendente. Questi risultati evidenziano il valore di questo approccio nel miglioramento dell'integrità dei dati e nell'approfondimento della comprensione della connettività funzionale dell'OB.

Optogenetics enables precise control of neuronal activity through light-sensitive proteins expressed in targeted neurons. When combined with high-density microelectrode arrays (HD MEAs) based on CMOS technology, it allows simultaneous manipulation and high-resolution recording of neural activity across large populations. This technique is particularly useful for studying the olfactory bulb (OB), a brain region involved in complex olfactory processing. However, HD MEAs are sensitive to light, causing artifacts during optogenetic experiments. These artifacts, which vary with stimulation parameters and electrode proximity to the light source, can interfere with true neural signals and complicate data interpretation. To address this, a novel template subtraction method was developed to eliminate stimulation-induced artifacts while preserving meaningful neural information. Artifact templates were created for each electrode cluster based on their spatial relationship to the light source. Several clustering algorithms were tested, and the efficacy of artifact correction was evaluated using signal-to-noise ratio (SNR) and root mean square (RMS) values. The results demonstrated that the template subtraction method significantly improved data quality, enhancing the detection of genuine neural signals. Artifact-free analysis of olfactory bulb (OB) neural dynamics revealed that light stimulation not only modulates but enhances neural activity, particularly in the granule cell layer (GCL), with activity levels increasing in a dose-dependent manner. These findings highlight the value of this method in improving data integrity and deepening our understanding of the OB’s functional connectivity.