Division of labor between M and P visual pathways: different visual pathways minimize joint entropy differently

Visual perception and action are strongly linked with parallel processing channels connecting the retina, the lateral geniculate nucleus, and the input layers of the primary visual cortex. Achromatic vision is provided by at least two of such channels formed by the M and P neurons. These cell pathways are similarly organized in primates having different lifestyles, including species that are diurnal, nocturnal, and which exhibit a variety of color vision phenotypes. We describe the M and P cell properties by 3D Gábor functions and their 3D Fourier transform. The M and P cells occupy different loci in the Gábor information diagram or Fourier Space. This separation allows the M and P pathways to transmit visual signals with distinct 6D joint entropy for space, spatial frequency, time, and temporal frequency. By combining the M and P impacts on the cortical neurons beyond V1 input layers, the cortical pathways are able to process aspects of visual stimuli with a better precision than it would be possible using the M or P pathway alone. This performance fulfils the requirements of different behavioral tasks.

Toxicidade in vitro e in vivo do ortobenzamol, análogo do paracetamol

O paracetamol (PAR) é um dos medicamentos de venda livre mais utilizado em todo o mundo. Entretanto, doses elevadas do PAR produzem toxicidade hepática e/ou renal. No intuito de minimizar a toxicidade do PAR e obter melhor atividade analgésica e anti-inflamatória, um estudo prévio realizou modificações na estrutura química do PAR por modelagem molecular, dando origem ao ortobenzamol (OBZ) – análogo do PAR. Assim, o OBZ foi sintetizado e avaliado em modelos de nocicepção e inflamação em animais. O estudo demonstrou atividade analgésica central do OBZ, com potência superior ao PAR. Além disso, nos testes de inflamação, essa droga apresentou inibição significativa no processo inflamatório. Entretanto, para que o OBZ possa ser considerado uma alternativa terapêutica nova e importante para o tratamento da dor e/ou da inflamação é necessário determinar sua toxicidade. Assim, este estudo objetivou avaliar a toxicidade in vitro e in vivo do OBZ e, compará-la com a do PAR. Para isso, a neurotoxicidade foi avaliada in vitro em culturas primárias de neurônios corticais, através de ensaios de viabilidade celular, determinação dos níveis de glutationa total e reduzida, assim como a possível capacidade neuroprotetora frente ao estresse oxidativo. Foram realizados estudos in vivo em camundongos, iniciados pela determinação da dose efetiva mediana (DE₅₀) do PAR, a fim de compará-la com a do OBZ nos modelos de toxicidade estudados. Determinou-se o estresse oxidativo hepático e cerebral pela análise dos níveis de peroxidação lipídica e nitritos. A possível disfunção hepática e renal foi determinada, por meio da análise dos níveis plasmáticos das enzimas aspartato aminotransferase (AST), de alanina aminotransferase (ALT), gama glutamiltransferase (GGT) e, da creatinina no sangue. Avaliaram-se alterações nos parâmetros clínicos através do hemograma, leucograma e plaquetograma e, realizou-se a determinação da toxicidade aguda. Os resultados obtidos neste estudo demonstraram que o ortobenzamol é mais seguro que o paracetamol. Registrou-se ao ortobenzamol ausência de neurotoxicidade, menor potencial hepatotóxico e hematotóxico, ausência de nefrotoxicidade e, ainda, foi classificado como um xenobiótico de baixa toxicidade após a avaliação da toxicidade aguda. Portanto, o ortobenzamol pode ser considerado como uma futura alternativa terapêutica segura ao paracetamol, no tratamento da dor e inflamação.

Relationships between dendritic morphology, spatial distribution and firing patterns in rat layer 1 neurons

The cortical layer 1 contains mainly small interneurons, which have traditionally been classified according to their axonal morphology. The dendritic morphology of these cells, however, has received little attention and remains ill defined. Very little is known about how the dendritic morphology and spatial distribution of these cells may relate to functional neuronal properties. We used biocytin labeling and whole cell patch clamp recordings, associated with digital reconstruction and quantitative morphological analysis, to assess correlations between dendritic morphology, spatial distribution and membrane properties of rat layer 1 neurons. A total of 106 cells were recorded, labeled and subjected to morphological analysis. Based on the quantitative patterns of their dendritic arbor, cells were divided into four major morphotypes: horizontal, radial, ascendant, and descendant cells. Descendant cells exhibited a highly distinct spatial distribution in relation to other morphotypes, suggesting that they may have a distinct function in these cortical circuits. A significant difference was also found in the distribution of firing patterns between each morphotype and between the neuronal populations of each sublayer. Passive membrane properties were, however, statistically homogeneous among all subgroups. We speculate that the differences observed in active membrane properties might be related to differences in the synaptic input of specific types of afferent fibers and to differences in the computational roles of each morphotype in layer 1 circuits. Our findings provide new insights into dendritic morphology and neuronal spatial distribution in layer 1 circuits, indicating that variations in these properties may be correlated with distinct physiological functions.

Cortical representation of the horizon in V1 and peripheral scaling in mammals with lateral eyes

In the present investigation we mapped the primary visual area of the South American diurnal rodent, Dasyprocta aguti, by standardized electrophysiological mapping techniques. In particular, we performed a series of mapping experiments of the visual streak in the primary visual cortex. We found that the representation of the visual streak in V1 is greatly expanded, the nasal 10 degrees of the visual streak representation occupies ten times more cortical area than equivalent areas in the central or temporal representation. Comparison of these data with those on the density of ganglion cells in the retina at corresponding locations in the visual field reveal a significant mismatch between these two variables. The nasal representation is greatly expanded along the horizontal meridian in V1 as compared to the central and temporal regions whereas the density of ganglion cells decreases with progression along the visual streak from central region towards the nasal or temporal visual field. A review of the available data reveals that all lateral-eyed mammals exhibit a similar mismatch between the retinal and cortical representation of the visual field, and this mismatches is greater in those species with well defined visual streaks such as rabbit and agouti.

Investigação do potencial cortical provocado visual para padrão reverso em pacientes diagnosticados com epilepsia parcial e generalizada

Este trabalho avaliou o potencial cortical provocado visual de crianças com história de epilepsia com o objetivo de identificar marcadores eletrofisiológicos que indicassem alterações corticais em epilepsia. Foram estudados 34 sujeitos com história de epilepsia (18 sujeitos com epilepsia parcial e 16 com epilepsia generalizada). O grupo controle foi composto por 19 sujeitos sem história de crises epilépticas com faixa etária semelhante aos pacientes. Os componentes do potencial cortical provocado visual transiente para apresentação por padrão reverso de tabuleiros de xadrez foram avaliados quanto à amplitude, tempo implícito e razões de amplitude entre os componentes. Foi observado que os pacientes com epilepsia generalizada apresentaram componente N75 com amplitude maior que os demais grupos, enquanto as razões de amplitude N75/P100 e P100/N135foram menores em pacientes com epilepsia parcial que em outros grupos. Houve fraca correlação linear entre os parâmetros do potencial cortical provocado visual e a idade de início das crises epilépticas ou tempo de utilização das medicações antiepilépticas. Conclui-se que o componente N75 e as razões de amplitude N75/P100 e P100/N135 podem ser bons indicadores eletrofisiológicos para alterações funcionais corticais em epilepsia.

Perda neuronal, ativação glial, neurogênese e alterações sensório-motoras após isquemia focal no córtex somestésico de ratos adultos

O Acidente vascular encefálico (AVE) é considerado uma das mais importantes causas de morte e perda funcional no mundo. Poucas condições neurológicas são tão complexas e devastadoras, provocando déficits neurológicos incapacitantes ou óbito nos sobreviventes. As regiões corticais são comumente afetadas por AVE, o que resulta em perda sensorial e motora. O estabelecimento dos padrões neuropatológicos em regiões corticais, incluindo a área somestésica, é fundamental para a investigação de possíveis intervenções terapêuticas. No presente estudo, investigamos os padrões de perda neuronal, microgliose, astrocitose, neurogênese e os déficits funcionais no córtex somestésico primário de ratos adultos, submetidos á lesões isquêmicas focais, induzidas por microinjeções de 40p Moles de endotelina-1 (ET-1). Foram utilizados 30 ratos (Rattus Norvegicus) da linhagem Wistar, adultos jovens, pesando entre 250-280g. Os animais foram divididos em grupos isquêmicos (N= 21) e controle (N=9). Os mesmos foram perfundidos nos tempos de sobrevida de 1, 3 e 7 dias. Os animais do grupo de 7 dias foram submetidos à testes comportamentais para avaliar a perda de função sensório-motora. Secções foram coradas pela violeta de cresila, citocromo oxidase e imunomarcadas para identificação neurônios (anti-NeuN), microglia ativada e não ativada (Iba-1), macrófagos/microglia ativados (ED-1), astrócitos (GFAP) e neuroblastos (DCX). As comparações estatísticas entre os grupos foram feitas por análise de variância (ANOVA), um critério com correção a posteriore de Tukey. Os animais isquêmicos apresentaram déficits sensório-motores revelados pela Escala Neurológica de Bederson, Teste de Colocação da Pata Anterior e Teste do Canto. Microinjeções de ET-1 induziram lesão isquêmica focal na área somestésica primária com perda neuronal, astrocitose e microgliose progressivas principalmente nos tempos mais tardios. A coloração para citocromo oxidase revelou o campo de barris, mas, inesperadamente, marcou uma população de células inflamatórias com características de macrófagos na região isquêmica. Houve aumento do número de neuroblastos, principalmente ao sétimo dia, na zona subventricular do hemisfério isquêmico, em relação ao hemisfério contralateral e animais controle. Não houve migração significativa de neuroblastos no córtex somestésico isquêmico. Os resultados mostram que microinjeções de ET-1 são um método eficaz para indução de perda tecidual e déficits sensoriais no córtex somestésico primário de ratos adultos. Também se evidencia que a zona subventricular é influenciada por eventos isquêmicos distantes e que populações macrofágicas parecem aumentar o padrão de expressão de citocromo oxidase. O referido modelo experimental pode ser utilizado em estudos futuros onde agentes neuroprotetores em potencial podem ser utilizados para minimizar as alterações neuropatológicas descritas.

Seletividade espacial de cor do potencial cortical provocado visual pseudoaleatório

A seletividade espacial para cor tem sido investigada usando métodos eletrofisiológicos invasivos e não invasivos, e métodos psicofísicos. Em eletrofisiologia cortical visual não invasiva este tópico foi investigado usando métodos convencionais de estimulação periódica e extração de respostas por promediação simples. Novos métodos de estimulação (apresentação pseudo-aleatória) e extração de respostas corticais não invasivas (correlação cruzada) foram desenvolvidos e ainda não foram usados para investigar a seletividade espacial de cor de respostas corticais. Este trabalho objetivou introduzir esse novo método de eletrofisiologia pseudoaleatória para estudar a seletividade espacial de cor. Foram avaliados 14 tricromatas e 16 discromatópsicos com acuidade visual normal ou corrigida. Os voluntários foram avaliados pelo anomaloscópio HMC e teste de figuras de Ishihara para caracterizar a visão de cores quanto à presença de tricromacia. Foram usadas redes senoidais, 8º de ângulo visual, vermelho-verde para 8 frequências espaciais entre 0,2 a 10 cpg. O estímulo foi temporalmente modulado por uma sequência-m binária em um modo de apresentação de padrão reverso. O sistema VERIS foi usado para extrair o primeiro e o segundo slice do kernel de segunda ordem (K2.1 e K2.2, respectivamente). Após a modelagem da resposta às frequências espaciais com função de diferença de gaussianas, extraiu-se a frequência espacial ótima e banda de frequências com amplitudes acima de ¾ da amplitude máxima da função para servirem como indicadores da seletividade espacial da função. Também foi estimada a acuidade visual cromática pelo ajuste de uma função linear aos dados de amplitude a partir da frequência espacial do pico de amplitude até a mais alta frequência espacial testada. Em tricromatas, foi encontrada respostas cromáticas no K2.1 e no K2.2 que apresentaram seletividade espacial diferentes. Os componentes negativos do K2.1 e do K2.2 apresentaram sintonia passa-banda e o componente positivo do K2.1 apresentou sintonia passa-baixa. A acuidade visual estimada de todos os componentes estudados foi próxima àquelas encontradas por Mullen (1985) e Kelly (1983). Diferentes componentes celulares podem estar contribuindo para a geração do VECP pseudoaleatório. Este novo método se candidata a ser uma importante ferramenta para a avaliação não invasiva da visão de cores em humanos.

Estimativa da sensibilidade ao contraste espacial de luminância e discriminação de cores por meio do potencial provocado visual transiente

O potencial provocado visual (VEP) é uma resposta cortical registrável na superfície do couro cabeludo, que reflete a atividade dos neurônios de V1. É classificado, a partir da freqüência temporal de estimulação, em transiente ou de estado estacionário. Outras propriedades do estímulo parecem provocar uma atividade seletiva dos diversos grupos de neurônios existentes em V1. Desse modo, o VEP vem sendo usado para estudar a visão humana acromática e cromática. Diversos trabalhos usaram o VEP para estimar a sensibilidade ao contraste de luminância no domínio das freqüências espaciais. Mais recentemente, há estudos que empregaram o VEP para medir os limiares de discriminação de cores. O VEP transiente pode complementar as medidas psicofísicas de sensibilidade ao contraste espacial de luminância e de discriminação cromática, e constitui um método não invasivo para estudar a visão de indivíduos com dificuldades de realizar testes psicofísicos.

Chromatic spatial contrast sensitivity estimated by visual evoked cortical potential and psychophysics

The purpose of the present study was to measure contrast sensitivity to equiluminant gratings using steady-state visual evoked cortical potential (ssVECP) and psychophysics. Six healthy volunteers were evaluated with ssVECPs and psychophysics. The visual stimuli were red-green or blue-yellow horizontal sinusoidal gratings, 5^° × 5^°, 34.3 cd/m2 mean luminance, presented at 6 Hz. Eight spatial frequencies from 0.2 to 8 cpd were used, each presented at 8 contrast levels. Contrast threshold was obtained by extrapolating second harmonic amplitude values to zero. Psychophysical contrast thresholds were measured using stimuli at 6 Hz and static presentation. Contrast sensitivity was calculated as the inverse function of the pooled cone contrast threshold. ssVECP and both psychophysical contrast sensitivity functions (CSFs) were low-pass functions for red-green gratings. For electrophysiology, the highest contrast sensitivity values were found at 0.4 cpd (1.95 ± 0.15). ssVECP CSF was similar to dynamic psychophysical CSF, while static CSF had higher values ranging from 0.4 to 6 cpd (P < 0.05, ANOVA). Blue-yellow chromatic functions showed no specific tuning shape; however, at high spatial frequencies the evoked potentials showed higher contrast sensitivity than the psychophysical methods (P < 0.05, ANOVA). Evoked potentials can be used reliably to evaluate chromatic red-green CSFs in agreement with psychophysical thresholds, mainly if the same temporal properties are applied to the stimulus. For blue-yellow CSF, correlation between electrophysiology and psychophysics was poor at high spatial frequency, possibly due to a greater effect of chromatic aberration on this kind of stimulus.

Comparison of the reliability of multifocal visual evoked cortical potentials generated by pattern reversal and pattern pulse stimulation

This study compared the effectiveness of the multifocal visual evoked cortical potentials (mfVEP) elicited by pattern pulse stimulation with that of pattern reversal in producing reliable responses (signal-to-noise ratio >1.359). Participants were 14 healthy subjects. Visual stimulation was obtained using a 60-sector dartboard display consisting of 6 concentric rings presented in either pulse or reversal mode. Each sector, consisting of 16 checks at 99% Michelson contrast and 80 cd/m2 mean luminance, was controlled by a binary m-sequence in the time domain. The signal-to-noise ratio was generally larger in the pattern reversal than in the pattern pulse mode. The number of reliable responses was similar in the central sectors for the two stimulation modes. At the periphery, pattern reversal showed a larger number of reliable responses. Pattern pulse stimuli performed similarly to pattern reversal stimuli to generate reliable waveforms in R1 and R2. The advantage of using both protocols to study mfVEP responses is their complementarity: in some patients, reliable waveforms in specific sectors may be obtained with only one of the two methods. The joint analysis of pattern reversal and pattern pulse stimuli increased the rate of reliability for central sectors by 7.14% in R1, 5.35% in R2, 4.76% in R3, 3.57% in R4, 2.97% in R5, and 1.78% in R6. From R1 to R4 the reliability to generate mfVEPs was above 70% when using both protocols. Thus, for a very high reliability and thorough examination of visual performance, it is recommended to use both stimulation protocols.

Lateral interactions in visual perception of temporal signals: cortical and subcortical components

The aim of this work was to isolate and investigate subcortical and cortical lateral interactions involved in flicker perception. We quantified the perceived flicker strength (PFS) in the center of a test stimulus which was simultaneously modulated with a surround stimulus (50% Michelson contrast in both stimuli). Subjects were requested to adjust the modulation depth of a separate matching stimulus that was physically identical to the center of the test stimulus but without the surround. Using LCD goggles, synchronized to the frame rate of a CRT screen, the center and surround could be presented monoptically or dichoptically. In the monoptic condition, center-surround interactions can have both subcortical and cortical origins. In the dichoptic condition, center-surround interactions cannot occur in the retina and the LGN, therefore isolating a cortical mechanism. Results revealed both a strong monoptic (subcortical plus cortical) lateral interaction and a weaker dichoptic (cortical) lateral interaction. Subtraction of the dichoptic from the monoptic data revealed a subcortical mechanism of the lateral interaction. While the modulation of the cortical PFS component showed a low-pass temporal-frequency tuning, the modulation of the subcortical PFS component was maximal at 6 Hz. These findings are consistent with two separate temporal channels influencing the monoptic PFS, each with distinct lateral interactions strength and frequency tuning characteristics. We conclude that both subcortical and cortical lateral interactions modulate flicker perception.

Aspectos morfológicos comparativos entre neurônios da camada I do córtex visual de duas espécies de roedores: Cavia porcellus e Rattus norvegicus

A camada I tem como característica principal a baixa quantidade de neurônios e uma alta densidade de fibras nervosas. A morfologia dos neurônios da camada I ainda é pouco estudada, tanto que nos estudos que avaliaram a morfologia desses neurônios não se chegou ainda a um consenso sobre as formas e funções desses neurônios. Este estudo avaliou a morfologia dos neurônios da camada I do córtex visual de duas espécies de roedores: Cavia porcellus, popularmente conhecido no Brasil como porquinho-da-índia e Rattus norvegicus, que é o rato e foi utilizada a linhagem Wistar, comumente usado nas pesquisas científicas. O porquinho-da-índia é um modelo animal muito estudado, utilizado em diversos segmentos da ciência. Apesar dessa espécie ser bem estudada, trabalhos na camada I desse animal são relativamente raros, especialmente em relação à morfologia e eletrofisiologia dos neurônios dessa região cortical. Pesquisas em ratos sobre os neurônios da camada I são mais frequentes, tanto em relação a morfologia quanto a eletrofisiologia. Para discriminar as possibilidades de diferenças na morfologia dos neurônios da camada I do córtex visual do porquinho-da-índia e do rato, este estudo classificou esses neurônios de acordo com a trajetória de seus dendritos e analisou as medidas dendríticas utilizando a técnica de injeção intracelular de biocitina. Após a classificação dos neurônios as comparações foram feitas entre os mesmos tipos celulares de cada roedor. Foram utilizados 35 porquinhos-da-índia da variedade Dunkin-Hartley de pêlo curto de ambos os sexos com idades de 4 a 5 dias de vida pós-natal. Quanto aos ratos, foram utilizados 30 ratos da variedade Wistar, de ambos os sexos com idades de 14 a 21 dias de vida pós-natal. Os animais foram anestesiados e tiveram seus encéfalos removidos, hemisférios separados e foram realizados cortes no plano coronal na região occipital onde se localiza a área visual dos roedores. As fatias foram mantidas em líquido cérebro-espinhal artificial e em seguida levadas ao microscópio para injeção de biocitina e posteriormente foram fixadas e tratadas para montagem em lâmina e contracoradas com Nissl para melhor visualização. Os neurônios encontrados foram classificados como: horizontais, ascendentes, descendentes e radias. Foram analisadas as seguintes medidas dendríticas: área do campo receptor, comprimento dendrítico total e médio, área total do corpo celular, número de dendritos, distância da pia-máter e análise da distribuição de Sholl. Dos resultados obtidos os mais notáveis foram o alcance dos ramos dendríticos e o tamanho do corpo celular dos neurônios da camada I do porquinho-da-índia quando comparados aos do rato. Isso sugere que, nessa espécie, um maior número de microcircuitos neurais podem ser estabelecidos, e por conseguinte maior taxa metabólica, justificada pelo maior tamanho do corpo celular.