Recurrent Quantification Analysis Based Study of Wide-Field Calcium Imaging Data in Relation to Brain’s Wake/Sleep Condition

Resumen

Wide-Field Calcium Images (WFCI) directly reflect neuronal excitation, but their poor frame rate could be a drawback for time series analysis. This work was aimed at exploring the diagnostic capability retained by a time series obtained from calcium imaging data. To that purpose, we analyzed publicly available data from 2.88 hour continuous recordings of calcium images obtained from seven mice at different wake/sleep stages. Data were obtained from the Physionet portal and were submitted to Recurrence Quantification Analysis (RQA). The association between retrosplenial and parietal areas was also assessed. Nonlinear RQA analysis allowed to identify the right retrosplenial and parietal areas as particularly sensitive to changes in sleep walking condition. Specifically, our results suggested that the RQA feature l_mean decreases in non-REM sleep_1 stage as compared to waking stage. Sleep (both sleep_1 stage and REM) apparently elicits an increase in the association between retrosplenial and parietal areas. Overall, these results suggest that RQA and association analysis are appropriate to assess modifications associated to changes in brain condition, in spite of the low sampling rate of WFCI signals.
Keywords:  recurrence quantification analysis; wide-field calcium images; time series analysis; nonlinear analysis

RESUMEN
Las Imágenes de Calcio de Campo Ancho (Wide-Field Calcium Images, WFCI) reflejan directamente la excitación neuronal, pero su escasa resolución temporal pudiera resultar un impedimento para el análisis de series temporales. El presente trabajo tuvo por finalidad explorar la capacidad diagnostica  que retiene una serie temporal extraída de imágenes de calcio. Para ello, se estudió una base de datos disponible en la red que contiene registros de 2.88 horas de duración de imágenes de calcio correspondientes a 7 ratones transgénicos  a diferentes estadios de sueño/vigilia. Los datos fueron descargados del portal Physionet y sometidos a Análisis de Cuantificación Recurrente (Recurrent Quantification Analysis, RQA). La asociación entre las áreas retrosplenial y parietal derechas fue también evaluada. El análisis no lineal mediante RQA permitió identificar las áreas retrosplenial y parietal derechas como zonas particularmente sensibles a cambios en el estado de sueño/vigilia. Específicamente, nuestros resultados sugieren que el índice l_mean se redujo en el  estadio 1 de sueño no REM en comparación con el estado de vigilia. El estado de sueño, tanto REM como no-REM aparentemente induce un reforzamiento en la apreciación entre las áreas retrosplenial y parietal derechas. En su conjunto, estos resultados apuntan que el análisis de RQA y de asociación entre áreas son pertinentes para sensar las modificaciones asociadas a cambios en el estado del cerebro, a pesar de la baja resolución temporal de las señales WFCI.
Palabras clave: análisis de cuantificación de recurrencias; imágenes de calcio de campo amplio; análisis de series temporales; análisis no lineal.