Modulation cholinergique à long terme des potentiels évoqués visuels dans le cortex visuel chez le rat

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Effet de la transmission cholinergique sur la cartographie fonctionnelle du cortex visuel du rongeur

La transmission cholinergique, et notamment muscarinique, joue un rôle déterminant dans le système nerveux central au niveau de la modulation de la plasticité neuronale. La libération d'ACh dans le cortex visuel est concomitante à la présentation de stimuli visuels. Par son action sur la transmission neuronale corticale, l'ACh module à long terme les réponses à de nouveaux stimuli sensoriels. Dans la présente étude, l'implication du système cholinergique au niveau du développement cortical et de la plasticité inductible chez l'adulte a été étudiée par les techniques d'imagerie optique des signaux intrinsèques et d'immunohistochimie chez le rongeur. Ces deux techniques de cartographie de l'activité corticale nous ont permis d'évaluer, d'une part, l'impact modulatoire de l'acétylcholine (ACh) et de ses récepteurs muscariniques (mAChRs, M1 à M5) sur l'organisation fonctionnelle du cortex visuel chez des souris déficitaires pour les mAChRs et, d'autre part, l'impact de la libération d'ACh lors d'un entraînement visuel, sur le nombre, la nature neurochimique et la localisation au niveau des couches corticales des neurones corticaux activés. L'implication du système cholinergique sur la cartographie du cortex visuel primaire a été étudiée sur les souris génétiquement modifiées délétères (knock out : KO) pour différentes combinaisons de sous-types de mAChRs. L'imagerie des signaux intrinsèques, basée sur les changements de réflectance corticale de la lumière survenant lors de la consommation d'oxygène par les neurones activés, a permis de déterminer, lors de stimulations visuelles, les différentes composantes des propriétés des neurones du cortex visuel. La taille des champs récepteurs des neurones est diminuée lors de l'absence du récepteur M1 ou de la combinaison M1/M3. Le champ visuel apparent est augmenté chez les souris M2/M4-KO mais diminué chez les M1-KO. La finesse des connectivités neuronales (évaluée par la mesure du scatter du signal) est réduite lors de l'absence des récepteurs M2/M4. Finalement, chez les animaux M1/M3-KO, une diminution de l'acuité visuelle est observée. L'effet à long-terme d'un entraînement visuel couplé à une stimulation des neurones cholinergiques sur la distribution et la nature des neurones immunoréactifs au c-Fos, c'est-à-dire les neurones activés, a été évalué. Puisque cette stimulation combinée est en mesure de produire des modifications comportementales, notamment au niveau de l'acuité visuelle, il devenait intéressant de s'attarder aux modifications neuroanatomiques et de déterminer quels éléments de l'équilibre excitateur/inhibiteur sont compromis chez ces animaux. Les résultats obtenus démontrent que les animaux ayant reçu une combinaison de l'entraînement cholinergique et visuel présentent une augmentation du marquage c-Fos comparativement aux animaux n'ayant reçu que la stimulation cholinergique. D'autre part, chez ces animaux, il est possible d'observer des modifications de l'équilibre excitateur/inhibiteur qui correspond au potentiel plastique de la région. En conclusion, ces études démontrent un rôle important du système cholinergique dans le développement, la maturation et la plasticité du système visuel cérébral.

Asymétries fonctionnelles du cortex visuel observées par spectroscopie proche de l’infrarouge fonctionnelle

Les objectifs de ce mémoire sont d’étudier la rétinotopie et les asymétries fonctionnelles du cortex visuel chez l’humain avec la spectroscopie proche de l’infrarouge fonctionnelle (SPIRf), tout en confirmant la fiabilité de cette technique. Tel qu’attendu, les résultats montrent une activation plus forte dans l’hémisphère controlatéral et dans le cortex haut/bas inverse à l’hémichamp stimulé. Nous avons également mesuré une activation significativement plus forte dans le cortex visuel supérieur (lorsque le champ visuel inférieur était stimulé) que l’activation dans le cortex visuel inférieur (lorsque le champ visuel supérieur était stimulé), surtout lorsque ces stimuli étaient présentés dans le champ visuel droit. Il s’agit de la première étude en SPIRf à observer les asymétries horizontale et verticale du cortex visuel et à ainsi confirmer l’existence de ces asymétries. Cette étude témoigne également de la fiabilité de la SPIRf comme technique d’imagerie pour cartographier le cerveau humain.

A Detailed Look at Scale and Translation Invariance in a Hierarchical Neural Model of Visual Object Recognition

The HMAX model has recently been proposed by Riesenhuber & Poggio as a hierarchical model of position- and size-invariant object recognition in visual cortex. It has also turned out to model successfully a number of other properties of the ventral visual stream (the visual pathway thought to be crucial for object recognition in cortex), and particularly of (view-tuned) neurons in macaque inferotemporal cortex, the brain area at the top of the ventral stream. The original modeling study only used ``paperclip'' stimuli, as in the corresponding physiology experiment, and did not explore systematically how model units' invariance properties depended on model parameters. In this study, we aimed at a deeper understanding of the inner workings of HMAX and its performance for various parameter settings and ``natural'' stimulus classes. We examined HMAX responses for different stimulus sizes and positions systematically and found a dependence of model units' responses on stimulus position for which a quantitative description is offered. Interestingly, we find that scale invariance properties of hierarchical neural models are not independent of stimulus class, as opposed to translation invariance, even though both are affine transformations within the image plane.

On the difficulty of feature-based attentional modulations in visual object recognition: A modeling study.

Numerous psychophysical experiments have shown an important role for attentional modulations in vision. Behaviorally, allocation of attention can improve performance in object detection and recognition tasks. At the neural level, attention increases firing rates of neurons in visual cortex whose preferred stimulus is currently attended to. However, it is not yet known how these two phenomena are linked, i.e., how the visual system could be "tuned" in a task-dependent fashion to improve task performance. To answer this question, we performed simulations with the HMAX model of object recognition in cortex [45]. We modulated firing rates of model neurons in accordance with experimental results about effects of feature-based attention on single neurons and measured changes in the model's performance in a variety of object recognition tasks. It turned out that recognition performance could only be improved under very limited circumstances and that attentional influences on the process of object recognition per se tend to display a lack of specificity or raise false alarm rates. These observations lead us to postulate a new role for the observed attention-related neural response modulations.

The influence of visual inter-hemispheric connections on spiking, assembly and LFP activities, and their phase relationship during figure-ground stimulation

Desde os descobrimentos pioneiros de Hubel e Wiesel acumulou-se uma vasta literatura descrevendo as respostas neuronais do córtex visual primário (V1) a diferentes estímulos visuais. Estes estímulos consistem principalmente em barras em movimento, pontos ou grades, que são úteis para explorar as respostas dentro do campo receptivo clássico (CRF do inglês classical receptive field) a características básicas dos estímulos visuais como a orientação, direção de movimento, contraste, entre outras. Entretanto, nas últimas duas décadas, tornou-se cada vez mais evidente que a atividade de neurônios em V1 pode ser modulada por estímulos fora do CRF. Desta forma, áreas visuais primárias poderiam estar envolvidas em funções visuais mais complexas como, por exemplo, a separação de um objeto ou figura do seu fundo (segregação figura-fundo) e assume-se que as conexões intrínsecas de longo alcance em V1, assim como as conexões de áreas visuais superiores, estão ativamente envolvidas neste processo. Sua possível função foi inferida a partir da análise das variações das respostas induzidas por um estímulo localizado fora do CRF de neurônios individuais. Mesmo sendo muito provável que estas conexões tenham também um impacto tanto na atividade conjunta de neurônios envolvidos no processamento da figura quanto no potencial de campo, estas questões permanecem pouco estudadas. Visando examinar a modulação do contexto visual nessas atividades, coletamos potenciais de ação e potenciais de campo em paralelo de até 48 eletrodos implantados na área visual primária de gatos anestesiados. Estimulamos com grades compostas e cenas naturais, focando-nos na atividade de neurônios cujo CRF estava situado na figura. Da mesma forma, visando examinar a influência das conexões laterais, o sinal proveniente da área visual isotópica e contralateral foi removido através da desativação reversível por resfriamento. Fizemos isso devido a: i) as conexões laterais intrínsecas não podem ser facilmente manipuladas sem afetar diretamente os sinais que estão sendo medidos, ii) as conexões inter-hemisféricas compartilham as principais características anatômicas com a rede lateral intrínseca e podem ser vistas como uma continuação funcional das mesmas entre os dois hemisférios e iii) o resfriamento desativa as conexões de forma causal e reversível, silenciando temporariamente seu sinal, permitindo conclusões diretas a respeito da sua contribuição. Nossos resultados demonstram que o mecanismo de segmentação figurafundo se reflete nas taxas de disparo de neurônios individuais, assim como na potência do potencial de campo e na relação entre sua fase e os padrões de disparo produzidos pela população. Além disso, as conexões laterais inter-hemisféricas modulam estas variáveis dependendo da estimulação feita fora do CRF. Observamos também uma influência deste circuito lateral na coerência entre potenciais de campo entre eletrodos distantes. Em conclusão, nossos resultados dão suporte à ideia de um mecanismo complexo de segmentação figura-fundo atuando desde as áreas visuais primárias em diferentes escalas de frequência. Esse mecanismo parece envolver grupos de neurônios ativos sincronicamente e dependentes da fase do potencial de campo. Nossos resultados também são compatíveis com a hipótese que conexões laterais de longo alcance também fazem parte deste mecanismo

Comparison of the effects of barbiturate, benzodiazepine and ketamine on visual evoked potentials in rabbits

The aim of this study was to compare the effects of barbiturate, benzodiazepine and ketamine on flash-evoked potentials (F-VEP) in adult rabbits. A total of 36 animals were studied, 16 after pentobarbital endovenous (EV) inffusion, 10 after midazolam EV administration, and 10 after ketamine EV inffusion. Pentobarbital induced triphasic F-VEP, first negative (N1), secondpositive (P1), third negative (N2) waves, all with large amplitudes and P1 with well-defined morphology. Mean P1 latency was 33ms. Midazolam induced similar but less defind triphasic waves, with mean latency of 27ms. Ketamine induced poliphasic and poorly defined F-VEP, with mean first positive (P1) latency of 27ms. Statistical analysis showed more elongated latency for the pentobarbital group than the midazolam and ketamine groups. The results of this study suggest that the pharmacological effects of pentobarbital and midazolam on GABA neurotransmission in rabbit visual cortex may be different; another neurotransmission system, possibly cholinergic, may be involved. The ketamine effect seen in rabbit visual cortex seems to be different from pentobarbital and midazolam.

Acuidade visual e matriz extracelular no córtex visual primário: alterações associadas à privação monocular precoce e ao enriquecimento ambiental

O objetivo do presente trabalho e analisar a influencia do enriquecimento ambiental sobre a acuidade visual e a distribuição das redes perineuronais (RPNs) no córtex visual primário de camundongos submetidos a privação monocular durante o período critico pos-natal. Camundongos suíços albinos fêmeas foram submetidos a sutura da pálpebra direita no 10o dia pos-natal (M, n=16), enquanto que os animais do grupo binocular não foram submetidos a nenhum procedimento cirúrgico (B, n=16). Ao completarem 21 dias, os animais foram subdivididos em: ambiente padrão e ambiente enriquecido, constituindo os grupos M.AP, M.AE, B.AP e B.AE. Após três meses, os animais foram submetidos ao teste de acuidade visual, perfundidos e secções coronais de seus cérebros processadas para histoquímica da lectina Wisteria floribunda e posterior quantificação através do método estereologico do fracionador óptico. Os animais do grupo B.AP apresentaram acuidade visual de 0.48 ciclos/grau, enquanto que aqueles alojados em ambiente enriquecido (B.AE) apresentaram um melhor desempenho do teste, atingindo 0.996 ciclos/grau. A acuidade visual foi significantemente menor nos animais submetidos a privação monocular (M.AP 0.18 ciclos/grau; M.AE 0.4 ciclos/grau). Os resultados estereologicos revelaram que o ambiente enriquecido aumenta o numero de RPNs tipo 1 e de RPNs total nas camadas supragranular e granular em ambos os hemisférios nos camundongos submetidos a privação monocular (ANOVA dois critérios, p<0.05), sendo que essa diferença na camada granular e decorrente principalmente do aumento das redes perineuronais da matriz extracelular no hemisfério direito. Na camada infragranular, os animais do grupo M.AE apresentaram um aumento apenas no numero de RPNs tipo 1.

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.

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.

Mean curvature flow in SE (2) and applications to visual perception

Our goal in this thesis is to provide a result of existence of the degenerate non-linear, non-divergence PDE which describes the mean curvature flow in the Lie group SE(2) equipped with a sub-Riemannian metric. The research is motivated by problems of visual completion and models of the visual cortex.

Residual function, spontaneous reorganisation and treatment plasticity in homonymous visual field defects

This thesis will focus on the residual function and visual and attentional deficits in human patients, which accompany damage to the visual cortex or its thalamic afferents, and plastic changes, which follow it. In particular, I will focus on homonymous visual field defects, which comprise a broad set of central disorders of vision. I will present experimental evidence that when the primary visual pathway is completely damaged, the only signal that can be implicitly processed via subcortical visual networks is fear. I will also present data showing that in a patient with relative deafferentation of visual cortex, changes in the spatial tuning and response gain of the contralesional and ipsilesional cortex are observed, which are accompanied by changes in functional connectivity with regions belonging to the dorsal attentional network and the default mode network. I will also discuss how cortical plasticity might be harnessed to improve recovery through novel treatments. Moreover, I will show how treatment interventions aimed at recruiting spared subcortical pathway supporting multisensory orienting can drive network level change.

An fMRI-study of locally oriented perception in autism: altered early visual processing of the block design test

Autism has been associated with enhanced local processing on visual tasks. Originally, this was based on findings that individuals with autism exhibited peak performance on the block design test (BDT) from the Wechsler Intelligence Scales. In autism, the neurofunctional correlates of local bias on this test have not yet been established, although there is evidence of alterations in the early visual cortex. Functional MRI was used to analyze hemodynamic responses in the striate and extrastriate visual cortex during BDT performance and a color counting control task in subjects with autism compared to healthy controls. In autism, BDT processing was accompanied by low blood oxygenation level-dependent signal changes in the right ventral quadrant of V2. Findings indicate that, in autism, locally oriented processing of the BDT is associated with altered responses of angle and grating-selective neurons, that contribute to shape representation, figure-ground, and gestalt organization. The findings favor a low-level explanation of BDT performance in autism.

Learning reward timing in cortex through reward dependent expression of synaptic plasticity.

The ability to represent time is an essential component of cognition but its neural basis is unknown. Although extensively studied both behaviorally and electrophysiologically, a general theoretical framework describing the elementary neural mechanisms used by the brain to learn temporal representations is lacking. It is commonly believed that the underlying cellular mechanisms reside in high order cortical regions but recent studies show sustained neural activity in primary sensory cortices that can represent the timing of expected reward. Here, we show that local cortical networks can learn temporal representations through a simple framework predicated on reward dependent expression of synaptic plasticity. We assert that temporal representations are stored in the lateral synaptic connections between neurons and demonstrate that reward-modulated plasticity is sufficient to learn these representations. We implement our model numerically to explain reward-time learning in the primary visual cortex (V1), demonstrate experimental support, and suggest additional experimentally verifiable predictions.

Visual hallucinations in the psychosis spectrum and comparative information from neurodegenerative disorders and eye disease

Much of the research on visual hallucinations (VHs) has been conducted in the context of eye disease and neurodegenerative conditions, but little is known about these phenomena in psychiatric and nonclinical populations. The purpose of this article is to bring together current knowledge regarding VHs in the psychosis phenotype and contrast this data with the literature drawn from neurodegenerative disorders and eye disease. The evidence challenges the traditional views that VHs are atypical or uncommon in psychosis. The weighted mean for VHs is 27% in schizophrenia, 15% in affective psychosis, and 7.3% in the general community. VHs are linked to a more severe psychopathological profile and less favorable outcome in psychosis and neurodegenerative conditions. VHs typically co-occur with auditory hallucinations, suggesting a common etiological cause. VHs in psychosis are also remarkably complex, negative in content, and are interpreted to have personal relevance. The cognitive mechanisms of VHs in psychosis have rarely been investigated, but existing studies point to source-monitoring deficits and distortions in top-down mechanisms, although evidence for visual processing deficits, which feature strongly in the organic literature, is lacking. Brain imaging studies point to the activation of visual cortex during hallucinations on a background of structural and connectivity changes within wider brain networks. The relationship between VHs in psychosis, eye disease, and neurodegeneration remains unclear, although the pattern of similarities and differences described in this review suggests that comparative studies may have potentially important clinical and theoretical implications.