Diss. ETH No. 22369 Temporal correlations in spontaneous brain activity A thesis submitted to attain the degree of Doctor of Sciences of ETH Zurich (Dr. sc. ETH Zurich) presented by Fabrizio Lombardi Laurea in Fisica, Università degli Studi di Napoli Federico II born on 04.11.1978 citizen of Italy accepted on the recommendation of Prof. Dr. Hans Jürgen Herrmann, examiner Prof. Dr. Lucilla de Arcangelis, co-examiner Prof. Dr. Ruedi Stoop, co-examiner 2014 Summary Cortical networks exhibit an intense non-driven ongoing activity, which results from the mutual interaction of about hundred billions non-linear units. Although intensively investigated in the last few decades, its origin, function and dynamics remain to a large extent unclear. Concerning the spatio-temporal structure, an increasing number of experimental evidences suggests neuronal avalanches as a universal organizing principle of spontaneous cortical activity. Neuronal avalanches are bursts of activity that exhibit a power law in their size and duration distribution, typical features of systems in a critical state. By exploiting the analogies with other natural phenomena that display bursty dynamics and long-range spatio-temporal correlations, here we consider neuronal avalanche sequences, which we identify in cultures of cortex slices, as a stochastic process. We focus on the temporal correlations of this avalanche process and, using a neuronal network model, infer dynamic mechanisms of the underlying spontaneous activity. A comparison with the temporal dynamics at the scales of the entire brain will then allow us to identify a possible unifying dynamic principle. ii Sommario Le reti corticali, anche in assenza di stimoli esterni, presentano una intensa attività, la quale è il risultato della mutua interazione tra centinaia di miliardi di unità non-lineari. Sebbene intensamente studiata negli ultimi anni, la sua origine e dinamica rimangono in larga parte oscure. Per quanto riguarda la struttura spazio-temporale invece, un numero crescente di evidenze sperimentali individua nelle valanghe neuronali un principio organizzavo universale dell’ attività spontanea della corteccia. Le valanghe neuronali sono sequenze improvvise e temporalmente circoscritte di potenziali d’ azione più o meno sincroni che si verificano in numero variabile di neuroni. Esse presentano taglie e durate che si distribuiscono secondo leggi di potenza, una caratterisitca tipica dei sistemi al punto critico. Sfruttando l’ analogia con altri fenomeni naturali caratterizzati da una dinamica simile, le sequenze di valanghe neuronali, identificate in colture di fettine di corteccia, verranno qui considerate come un processo stocastico e studiate di conseguenza. In particolare, l’ attenzione sarà rivolta alle correlazioni temporali, il cui studio, insieme ad un modello numerico di rete neuronale, consentirà di dedurre i meccanismi dinamici dell’ attività spontanea alla base delle sequenze di valanghe. Un confronto con la dinamica temporale al livello dell’ intera corteccia cerebrale, permetterà quindi di identificare un possibile principio dinamico unitario nell’ attività spontanea della corteccia. iii