Excitatory–inhibitory network in the visual cortex: Psychophysical evidence

At early stages in visual processing cells respond to local stimuli with specific features such as orientation and spatial frequency. Although the receptive fields of these cells have been thought to be local and independent, recent physiological and psychophysical evidence has accumulated, indicating that the cells participate in a rich network of local connections. Thus, these local processing units can integrate information over much larger parts of the visual field; the pattern of their response to a stimulus apparently depends on the context presented. To explore the pattern of lateral interactions in human visual cortex under different context conditions we used a novel chain lateral masking detection paradigm, in which human observers performed a detection task in the presence of different length chains of high-contrast-flanked Gabor signals. The results indicated a nonmonotonic relation of the detection threshold with the number of flankers. Remote flankers had a stronger effect on target detection when the space between them was filled with other flankers, indicating that the detection threshold is caused by dynamics of large neuronal populations in the neocortex, with a major interplay between excitation and inhibition. We considered a model of the primary visual cortex as a network consisting of excitatory and inhibitory cell populations, with both short- and long-range interactions. The model exhibited a behavior similar to the experimental results throughout a range of parameters. Experimental and modeling results indicated that long-range connections play an important role in visual perception, possibly mediating the effects of context.

Brain activity in visual cortex predicts individual differences in reading performance

The relationship between brain activity and reading performance was examined to test the hypothesis that dyslexia involves a deficit in a specific visual pathway known as the magnocellular (M) pathway. Functional magnetic resonance imaging was used to measure brain activity in dyslexic and control subjects in conditions designed to preferentially stimulate the M pathway. Dyslexics showed reduced activity compared with controls both in the primary visual cortex and in a secondary cortical visual area (MT+) that is believed to receive a strong M pathway input. Most importantly, significant correlations were found between individual differences in reading rate and brain activity. These results support the hypothesis for an M pathway abnormality in dyslexia and imply a strong relationship between the integrity of the M pathway and reading ability.

Synchronization of oscillatory responses in visual cortex correlates with perception in interocular rivalry

In subjects suffering from early onset strabismus, signals conveyed by the two eyes are not perceived simultaneously but in alternation. We exploited this phenomenon of interocular suppression to investigate the neuronal correlate of binocular rivalry in primary visual cortex of awake strabismic cats. Monocularly presented stimuli that were readily perceived by the animal evoked synchronized discharges with an oscillatory patterning in the γ-frequency range. Upon dichoptic stimulation, neurons responding to the stimulus that continued to be perceived increased the synchronicity and the regularity of their oscillatory patterning while the reverse was true for neurons responding to the stimulus that was no longer perceived. These differential changes were not associated with modifications of discharge rate, suggesting that at early stages of visual processing the degree of synchronicity rather than the amplitude of responses determines which signals are perceived and control behavioral responses.

Coexistence of linear zones and pinwheels within orientation maps in cat visual cortex

Revealing the layout of cortical maps is important both for understanding the processes involved in their development and for uncovering the mechanisms underlying neural computation. The typical organization of orientation maps in the cat visual cortex is radial; complete orientation cycles are mapped around orientation singularities. In contrast, long linear zones of orientation representation have been detected in the primary visual cortex of the tree shrew. In this study, we searched for the existence of long linear sequences and wide linear zones within orientation preference maps of the cat visual cortex. Optical imaging based on intrinsic signals was used. Long linear sequences and wide linear zones of preferred orientation were occasionally detected along the border between areas 17 and 18, as well as within area 18. Adjacent zones of distinct radial and linear organizations were observed across area 18 of a single hemisphere. However, radial and linear organizations were not necessarily segregated; long (7.5 mm) linear sequences of preferred orientation were found embedded within a typical pinwheel-like organization of orientation. We conclude that, although the radial organization is dominant, perfectly linear organization may develop and perform the processing related to orientation in the cat visual cortex.

Cortical auditory signal processing in poor readers

Magnetoencephalographic responses recorded from auditory cortex evoked by brief and rapidly successive stimuli differed between adults with poor vs. good reading abilities in four important ways. First, the response amplitude evoked by short-duration acoustic stimuli was stronger in the post-stimulus time range of 150–200 ms in poor readers than in normal readers. Second, response amplitude to rapidly successive and brief stimuli that were identical or that differed significantly in frequency were substantially weaker in poor readers compared with controls, for interstimulus intervals of 100 or 200 ms, but not for an interstimulus interval of 500 ms. Third, this neurological deficit closely paralleled subjects’ ability to distinguish between and to reconstruct the order of presentation of those stimulus sequences. Fourth, the average distributed response coherence evoked by rapidly successive stimuli was significantly weaker in the β- and γ-band frequency ranges (20–60 Hz) in poor readers, compared with controls. These results provide direct electrophysiological evidence supporting the hypothesis that reading disabilities are correlated with the abnormal neural representation of brief and rapidly successive sensory inputs, manifested in this study at the entry level of the cortical auditory/aural speech representational system(s).

Surgically created neural pathways mediate visual pattern discrimination

Combined lesions of retinal targets and ascending auditory pathways can induce, in developing animals, permanent retinal projections to auditory thalamic nuclei and to visual thalamic nuclei that normally receive little direct retinal input. Neurons in the auditory cortex of such animals have visual response properties that resemble those of neurons in the primary visual cortex of normal animals. Therefore, we investigated the behavioral function of the surgically induced retino-thalamo-cortical pathways. We showed that both surgically induced pathways can mediate visually guided behaviors whose normal substrate, the pathway from the retina to the primary visual cortex via the primary thalamic visual nucleus, is missing.

Memory's echo: Vivid remembering reactivates sensory-specific cortex

A fundamental question in human memory is how the brain represents sensory-specific information during the process of retrieval. One hypothesis is that regions of sensory cortex are reactivated during retrieval of sensory-specific information (1). Here we report findings from a study in which subjects learned a set of picture and sound items and were then given a recall test during which they vividly remembered the items while imaged by using event-related functional MRI. Regions of visual and auditory cortex were activated differentially during retrieval of pictures and sounds, respectively. Furthermore, the regions activated during the recall test comprised a subset of those activated during a separate perception task in which subjects actually viewed pictures and heard sounds. Regions activated during the recall test were found to be represented more in late than in early visual and auditory cortex. Therefore, results indicate that retrieval of vivid visual and auditory information can be associated with a reactivation of some of the same sensory regions that were activated during perception of those items.

Syntax processing by auditory cortical neurons in the FM–FM area of the mustached bat Pteronotus parnellii

Syntax denotes a rule system that allows one to predict the sequencing of communication signals. Despite its significance for both human speech processing and animal acoustic communication, the representation of syntactic structure in the mammalian brain has not been studied electrophysiologically at the single-unit level. In the search for a neuronal correlate for syntax, we used playback of natural and temporally destructured complex species-specific communication calls—so-called composites—while recording extracellularly from neurons in a physiologically well defined area (the FM–FM area) of the mustached bat’s auditory cortex. Even though this area is known to be involved in the processing of target distance information for echolocation, we found that units in the FM–FM area were highly responsive to composites. The finding that neuronal responses were strongly affected by manipulation in the time domain of the natural composite structure lends support to the hypothesis that syntax processing in mammals occurs at least at the level of the nonprimary auditory cortex.

Glutamate receptor blockade at cortical synapses disrupts development of thalamocortical and columnar organization in somatosensory cortex.

The segregation of thalamocortical inputs into eye-specific stripes in the developing cat or monkey visual cortex is prevented by manipulations that perturb or abolish neural activity in the visual pathway. Such findings show that proper development of the functional organization of visual cortex is dependent on normal patterns of neural activity. The generalisation of this conclusion to other sensory cortices has been questioned by findings that the segregation of thalamocortical afferents into a somatotopic barrel pattern in developing rodent primary somatosensory cortex (S1) is not prevented by activity blockade. We show that a temporary block of N-methyl-D-aspartate (NMDA) and non-NMDA glutamate receptors in rat S1 during the critical period for barrel development disrupts the topographic refinement of thalamocortical connectivity and columnar organization. These effects are evident well after the blockade is ineffective and thus may be permanent. Our findings show that neural activity and specifically the activation of postsynaptic cortical neurons has a prominent role in establishing the primary sensory map in S1, as well as the topographic organization of higher order synaptic connections.

Receptive field structure in the visual cortex: does selective stimulation induce plasticity?

Sensory areas of adult cerebral cortex can reorganize in response to long-term alterations in patterns of afferent signals. This long-term plasticity is thought to play a crucial role in recovery from injury and in some forms of learning. However, the degree to which sensory representations in primary cortical areas depend on short-term (i.e., minute to minute) stimulus variations remains unclear. A traditional view is that each neuron in the mature cortex has a fixed receptive field structure. An alternative view, with fundamentally different implications for understanding cortical function, is that each cell's receptive field is highly malleable, changing according to the recent history of the sensory environment. Consistent with the latter view, it has been reported that selective stimulation of regions surrounding the receptive field induces a dramatic short-term increase in receptive field size for neurons in the visual cortex [Pettet, M. W. & Gilbert, C. D. (1992) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89, 8366-8370]. In contrast, we report here that there is no change in either the size or the internal structure of the receptive field following several minutes of surround stimulation. However, for some cells, overall responsiveness increases. These results suggest that dynamic alterations of receptive field structure do not underlie short-term plasticity in the mature primary visual cortex. However, some degree of short-term adaptability could be mediated by changes in responsiveness.

Lesion-induced reorganization in the brainstem is not completely expressed in somatosensory cortex.

Electrophysiological and neuroanatomical methods were used to determine the extent to which neonatal forelimb removal altered the organization of the cuneate nucleus and representations of the fore- and hindlimbs in the primary somatosensory cortex of adult rats. Neonatal forelimb removal resulted in invasion of the cuneate nucleus by sciatic nerve primary afferents and development of cuneothalamic projection neurons with split receptive fields that included both the hindlimb and forelimb stump. Mapping in the primary somatosensory cortex of the neonatally manipulated adult rats demonstrated abnormalities, but the major change observed in the cuneate nucleus was demonstrable at only a few (5%) cortical recording sites in the remaining stump representation and there were none at all in the hindlimb representation. These results suggest that lesion-induced brainstem reorganization may be functionally suppressed at either the thalamic or cortical level.

Plasticité du cortex visuel: «homéodynamie» des connexions neuronales et modèle d’effets d’antidépresseurs

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie.

Plasticité du cortex visuel: «homéodynamie» des connexions neuronales et modèle d’effets d’antidépresseurs

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie.

First- and second-order stimulus length selectivity in New World monkey striate cortex

Motion is a powerful cue for figure-ground segregation, allowing the recognition of shapes even if the luminance and texture characteristics of the stimulus and background are matched. In order to investigate the neural processes underlying early stages of the cue-invariant processing of form, we compared the responses of neurons in the striate cortex (V1) of anaesthetized marmosets to two types of moving stimuli: bars defined by differences in luminance, and bars defined solely by the coherent motion of random patterns that matched the texture and temporal modulation of the background. A population of form-cue-invariant (FCI) neurons was identified, which demonstrated similar tuning to the length of contours defined by first- and second-order cues. FCI neurons were relatively common in the supragranular layers (where they corresponded to 28% of the recorded units), but were absent from layer 4. Most had complex receptive fields, which were significantly larger than those of other V1 neurons. The majority of FCI neurons demonstrated end-inhibition in response to long first- and second-order bars, and were strongly direction selective, Thus, even at the level of V1 there are cells whose variations in response level appear to be determined by the shape and motion of the entire second-order object, rather than by its parts (i.e. the individual textural components). These results are compatible with the existence of an output channel from V1 to the ventral stream of extrastriate areas, which already encodes the basic building blocks of the image in an invariant manner.

Specialization in pyramidal cell structure in the sensory-motor cortex of the chacma baboon (Papio ursinus) with comparative notes on macaque and vervet monkeys

The systematic study of pyramidal cell structure has revealed new insights into specialization of the phenotype in the primate cerebral cortex. Regional specialization in the neuronal phenotype may influence patterns of connectivity and the computational abilities of the circuits they compose. The comparative study of pyramidal cells in homologous cortical areas is beginning to yield data on the evolution and development of such specialized circuitry in the primate cerebral cortex. Recently, we have focused our efforts on sensory-motor cortex. Based on our intracellular injection methodology, we have demonstrated a progressive increase in the size of, the branching structure in, and the spine density of the basal dendritic trees of pyramidal cells through somatosensory areas 3b, 1, 2, 5, and 7 in the macaque and vervet monkeys. In addition, we have shown that pyramidal cells in premotor area 6 are larger, more branched, and more spinous than those in the primary motor cortex (MI or area 4) in the macaque monkey, vervet monkey, and baboon. Here we expand the basis for comparison by studying the basal dendritic trees of layer III pyramidal cells in these same sensory-motor areas in the chacma baboon. The baboon was selected because it has a larger cerebral cortex than either the macaque or vervet monkeys; motor cortex has expanded disproportionately in these three species; and motor cortex in the baboon reportedly has differentiated to include a new cortical area not present in either the macaque or vervet monkeys. We found, as in monkeys, a progressive increase in the morphological complexity of pyramidal cells through areas 3b, 5, and 7, as well as from area 4 to area 6, suggesting that areal specialization in microcircuitry was likely to be present in a common ancestor of primates. In addition, we found subtle differences in the extent of the interareal differences in pyramidal cell structure between homologous cortical areas in the three species. (c) 2005 Wiley-Liss, Inc.