992 resultados para Visual cortex


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Extrastriate visual cortex of the ventral-posterior suprasylvian gyrus (vPS cortex) of freely behaving cats was reversibly deactivated with cooling to determine its role in performance on a battery of simple or masked two-dimensional pattern discriminations, and three-dimensional object discriminations. Deactivation of vPS cortex by cooling profoundly impaired the ability of the cats to recall the difference between all previously learned pattern and object discriminations. However, the cats' ability to learn or relearn pattern and object discriminations while vPS was deactivated depended upon the nature of the pattern or object and the cats' prior level of exposure to them. During cooling of vPS cortex, the cats could neither learn the novel object discriminations nor relearn a highly familiar masked or partially occluded pattern discrimination, although they could relearn both the highly familiar object and simple pattern discriminations. These cooling-induced deficits resemble those induced by cooling of the topologically equivalent inferotemporal cortex of monkeys and provides evidence that the equivalent regions contribute to visual processing in similar ways.

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The visual responses of neurons in the cerebral cortex were first adequately characterized in the 1960s by D. H. Hubel and T. N. Wiesel [(1962) J. Physiol. (London) 160, 106-154; (1968) J. Physiol. (London) 195, 215-243] using qualitative analyses based on simple geometric visual targets. Over the past 30 years, it has become common to consider the properties of these neurons by attempting to make formal descriptions of these transformations they execute on the visual image. Most such models have their roots in linear-systems approaches pioneered in the retina by C. Enroth-Cugell and J. R. Robson [(1966) J. Physiol. (London) 187, 517-552], but it is clear that purely linear models of cortical neurons are inadequate. We present two related models: one designed to account for the responses of simple cells in primary visual cortex (V1) and one designed to account for the responses of pattern direction selective cells in MT (or V5), an extrastriate visual area thought to be involved in the analysis of visual motion. These models share a common structure that operates in the same way on different kinds of input, and instantiate the widely held view that computational strategies are similar throughout the cerebral cortex. Implementations of these models for Macintosh microcomputers are available and can be used to explore the models' properties.

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A recurrent theme in the organization of vertebrate visual cortex is that of receptive fields with an associated "silent" opponency component. In the middle temporal area (area MT), a cortical visual area involved in the analysis of retinal motion in primates, this opponency appears in the form of a region outside the classical receptive field (CRF) that in itself gives no response but suppresses responses to motion evoked within the CRF. This antagonistic motion surround has been described as very large and symmetrically arrayed around the CRF. On the basis of this view, the primary function of the surround has long been thought to consist of simple figure-ground segregation based on movement. We have made use of small stimulus patches to map the form and extent of the surround and find evidence that the surround inhibition of many MT cells is in fact confined to restricted regions on one side or on opposite sides of the CRF. Such regions endow MT cells with the ability to make local-to-local motion comparisons, capable of extracting more complex features from the visual environment, and as such, may be better viewed as intrinsic parts of the receptive field, rather than as separate entities responsible for local-to-global comparisons.

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The stages of integration leading from local feature analysis to object recognition were explored in human visual cortex by using the technique of functional magnetic resonance imaging. Here we report evidence for object-related activation. Such activation was located at the lateral-posterior aspect of the occipital lobe, just abutting the posterior aspect of the motion-sensitive area MT/V5, in a region termed the lateral occipital complex (LO). LO showed preferential activation to images of objects, compared to a wide range of texture patterns. This activation was not caused by a global difference in the Fourier spatial frequency content of objects versus texture images, since object images produced enhanced LO activation compared to textures matched in power spectra but randomized in phase. The preferential activation to objects also could not be explained by different patterns of eye movements: similar levels of activation were observed when subjects fixated on the objects and when they scanned the objects with their eyes. Additional manipulations such as spatial frequency filtering and a 4-fold change in visual size did not affect LO activation. These results suggest that the enhanced responses to objects were not a manifestation of low-level visual processing. A striking demonstration that activity in LO is uniquely correlated to object detectability was produced by the "Lincoln" illusion, in which blurring of objects digitized into large blocks paradoxically increases their recognizability. Such blurring led to significant enhancement of LO activation. Despite the preferential activation to objects, LO did not seem to be involved in the final, "semantic," stages of the recognition process. Thus, objects varying widely in their recognizability (e.g., famous faces, common objects, and unfamiliar three-dimensional abstract sculptures) activated it to a similar degree. These results are thus evidence for an intermediate link in the chain of processing stages leading to object recognition in human visual cortex.

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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.

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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.

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We studied thalamic projections to the visual cortex in flying foxes, animals that share neural features believed to resemble those present in the brains of early primates. Neurones labeled by injections of fluorescent tracers in striate and extrastriate cortices were charted relative to the architectural boundaries of thalamic nuclei. Three main findings are reported: First, there are parallel lateral geniculate nucleus (LGN) projections to striate and extrastriate cortices. Second, the pulvinar complex is expansive, and contains multiple subdivisions. Third, across the visual thalamus, the location of cells labeled after visual cortex injections changes systematically, with caudal visual areas receiving their strongest projections from the most lateral thalamic nuclei, and rostral areas receiving strong projections from medial nuclei. We identified three architectural layers in the LGN, and three subdivisions of the pulvinar complex. The outer LGN layer contained the largest cells, and had strong projections to the areas V1, V2 and V3. Neurones in the intermediate LGN layer were intermediate in size, and projected to V1 and, less densely, to V2. The layer nearest to the origin of the optic radiation contained the smallest cells, and projected not only to V1, V2 and V3, but also, weakly, to the occipitotemporal area (OT, which is similar to primate middle temporal area) and the occipitoparietal area (OP, a third tier area located near the dorsal midline). V1, V2 and V3 received strong projections from the lateral and intermediate subdivisions of the pulvinar complex, while OP and OT received their main thalamic input from the intermediate and medial subdivisions of the pulvinar complex. These results suggest parallels with the carnivore visual system, and indicate that the restriction of the projections of the large- and intermediatesized LGN layers to V1, observed in present-day primates, evolved from a more generalized mammalian condition. (C) 2004 IBRO. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

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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.

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Recent studies have revealed systematic differences in the pyramidal cell structure between functionally related cortical areas of primates. Trends for a parallel in pyramidal cell structure and functional complexity have been reported in visual, somatosensory, motor, cingulate and prefrontal cortex in the macaque monkey cortex. These specializations in structure have been interpreted as being fundamental in determining cellular and systems function, endowing circuits in these different cortical areas with different computational power. In the present study we extend our initial finding of systematic specialization of pyramidal cell structure in sensory-motor cortex in the macaque monkey [Cereb Cortex 12 (2002) 1071] to the vervet monkey. More specifically, we investigated pyramidal cell structure in somatosensory and motor areas 1/2, 5, 7, 4 and 6. Neurones in fixed, flat-mounted, cortical slices were injected intracellularly with Lucifer Yellow and processed for a light-stable 3,3'-diaminobenzidine reaction product. The size of, number of branches in, and spine density of the basal dendritic arbors varied systematically such that there was a trend for increasing complexity in arbor structure with progression through 1/2, 5 and 7. In addition, cells in area 6 were larger, more branched, and more spinous than those in area 4. (c) 2005 IBRO. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

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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.

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Typically, cognitive abilities of humans have been attributed to their greatly expanded cortical mantle, granular prefrontal cortex (gPFC) in particular. Recently we have demonstrated systematic differences in microstructure of gPFC in different species. Specifically, pyramidal cells in adult human gPFC are considerably more spinous than those in the gPFC of the macaque monkey, which are more spinous than those in the gPFC of marmoset and owl monkeys. As most cortical dendritic spines receive at least one excitatory input, pyramidal cells in these different species putatively receive different numbers of inputs. These differences in the gPFC pyramidal cell phenotype may be of fundamental importance in determining the functional characteristics of prefrontal circuitry and hence the cognitive styles of the different species. However, it remains unknown as to why the gPFC pyramidal cell phenotype differs between species. Differences could be attributed to, among other things, brain size, relative size of gPFC, or the lineage to which the species belong. Here we investigated pyramidal cells in the dorsolateral gPFC of the prosimian galago to extend the basis for comparison. We found these cells to be less spinous than those in human, macaque, and marmoset. (c) 2005 Wiley-Liss, Inc.

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We review recent findings that, using fractal analysis, have demonstrated systematic regional and species differences in the branching complexity of neocortical pyramidal neurons. In particular, attention is focused on how fractal analysis is being applied to the study of specialization in pyramidal cell structure during the evolution of the primate cerebral cortex. These studies reveal variation in pyramidal cell phenotype that cannot be attributed solely to increasing brain volume. Moreover, the results of these studies suggest that the primate cerebral cortex is composed of neurons of different structural complexity. There is growing evidence to suggest that regional and species differences in neuronal structure influence function at both the cellular and circuit levels. These data challenge the prevailing dogma for cortical uniformity.

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Pyramidal cell structure varies systematically in occipitotemporal visual areas in monkeys. The dendritic trees of pyramidal cells, on average, become larger, more branched and more spinous with progression from the primary visual area (V1) to the second visual area (V2), the fourth (V4, or dorsolateral DL visual area) and inferotemporal (IT) cortex. Presently available data reveal that the extent of this increase in complexity parallels the expansion of occipitotemporal cortex. Here we extend the basis for comparison by studying pyramidal cell structure in occipitotemporal cortical areas in the chacma baboon. We found a systematic increase in the size of and branching complexity in the basal dendritic trees, as well as a progressive increase in the spine density along the basal dendrites of layer III pyramidal cells through V1, V2 and V4. These data suggest that the trend for more complex pyramidal cells with anterior progression through occipitotemporal visual areas is not a feature restricted to monkeys and prosimians, but is a widespread feature of occipitotemporal cortex in primates.

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The pyramidal cell phenotype varies quite dramatically in structure among different cortical areas in the primate brain. Comparative studies in visual cortex, in particular, but also in sensorimotor and prefrontal cortex, reveal systematic trends for pyramidal cell specialization in functionally related cortical areas. Moreover, there are systematic differences in the extent of these trends between different primate species. Recently we demonstrated differences in pyramidal cell structure in the cingulate cortex of the macaque monkey; however, in the absence of other comparative data it remains unknown as to whether the neuronal phenotype differs in cingulate cortex between species. Here we extend the basis for comparison by studying the structure of the basal dendritic trees of layer III pyramidal cells in the posterior and anterior cingulate gyrus of the vervet monkey (Brodmann's areas 23 and 24, respectively). Cells were injected with Lucifer Yellow in flat-mounted cortical slices, and processed for a light-stable DAB reaction product. Size, branching pattern, and spine density of basal dendritic arbors were determined, and somal areas measured. As in the macaque monkey, we found that pyramidal cells in anterior cingulate gyrus (area 24) were more branched and more spinous than those in posterior cingulate gyrus (area 23). In addition, the extent of the difference in pyramidal cell structure between these two cortical regions was less in the vervet monkey than in the macaque monkey.

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In this paper, we review evidence from comparative studies of primate cortical organization, highlighting recent findings and hypotheses that may help us to understand the rules governing evolutionary changes of the cortical map and the process of formation of areas during development. We argue that clear unequivocal views of cortical areas and their homologies are more likely to emerge for 'core' fields, including the primary sensory areas, which are specified early in development by precise molecular identification steps. In primates, the middle temporal area is probably one of these primordial cortical fields. Areas that form at progressively later stages of development correspond to progressively more recent evolutionary events, their development being less firmly anchored in molecular specification. The certainty with which areal boundaries can be delimited, and likely homologies can be assigned, becomes increasingly blurred in parallel with this evolutionary/developmental sequence. For example, while current concepts for the definition of cortical areas have been vindicated in allowing a clarification of the organization of the New World monkey 'third tier' visual cortex (the third and dorsomedial areas, V3 and DM), our analyses suggest that more flexible mapping criteria may be needed to unravel the organization of higher-order visual association and polysensory areas.