Odor Concentration Coding in the Olfactory Bulb Glomerulus: The Interval Coding Hypothesis

The interval coding hypothesis suggests that the processing that occurs, due to odor exposure, inside an olfactory bulb glomerulus work to create an interval code over the concentration range, so that different principal cells respond the strongest to different parts of that range. The goal of this project was to investigate the interval coding hypothesis with respect to function and biological plausibility. The investigation was carried out by first finding a suitable model of glomerular dynamics, and second to evaluate it in order to examine under what conditions it could produce an interval code. The evaluations showed that the chosen model is stable enough to reliably produce an interval code, given than certain conditions are met. These conditions imply underlying biological constraints, specifically constraints in the distribution of the strengths of the synaptic connections within the olfactory bulb glomerulus. We offer an explanation of how these biological constraints might be met by self-organization during development. Kodning av luktkoncentration i luktbulbens glomerulus: intervallkodningshypotesen Referat Intervallkodningshypotesen föreslår att den bearbetning som sker, till en följd av luktexponering, inuti luktbulbens glomerulus arbetar för att skapa en intervallkod över koncentrationens räckvidd, så att olika principala celler svarar starkast för olika delar av räckvidden. Målet med detta examensarbete var att undersöka intervallkodningshypotesen med avseende på funktion och biologisk plausibilitet. Undersökningen utfördes genom att för det första hitta en passande modell av dynamiken i en glomerulus, och för det andra utvärdera den i syfte att undersöka under vilka villkor den kunde producera en intervallkod. Undersökningarna visade att den valda modellen är tillräckligt stabil för att pålitligt kunna producera en intervallkod, givet att vissa villkor är uppfyllda. Dessa villkor antyder underliggande biologiska restriktioner, närmare bestämt restriktioner i fördelningen av styrkan hos de synaptiska kopplingarna inuti luktbulbens glomerulus. Vi lägger fram en förklaring för hur dessa biologiska restriktioner skulle kunna uppfyllas via själv-organisering under utveckling. Foreword and Acknowledgments I dedicate this thesis to my father Erhard (Erik) Proschinger ✝ January 14, 2007 This thesis presents my Master’s project in Computer Science. It was carried out within the research group of Computational Biology & Neurocomputing (CBN) at the Department of Numerical Analysis and Computer Science (Nada), KTH. The project examiner was CBN group leader prof. Anders Lansner, who was also my supervisor. I would like to take this opportunity to thank him for his support and valuable feedback throughout this project. I would also like to express my gratitude to CBN members PhD Jeanette Hellgren Kotaleski, Malin Sandström, and Emma Eklöf Ljunggren for their assistance. Thomas Proschinger, Stockholm 2007