Computational models of cortical visual processing.

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.

Motion perception: seeing and deciding.

The primate visual system offers unprecedented opportunities for investigating the neural basis of cognition. Even the simplest visual discrimination task requires processing of sensory signals, formation of a decision, and orchestration of a motor response. With our extensive knowledge of the primate visual and oculomotor systems as a base, it is now possible to investigate the neural basis of simple visual decisions that link sensation to action. Here we describe an initial study of neural responses in the lateral intraparietal area (LIP) of the cerebral cortex while alert monkeys discriminated the direction of motion in a visual display. A subset of LIP neurons carried high-level signals that may comprise a neural correlate of the decision process in our task. These signals are neither sensory nor motor in the strictest sense; rather they appear to reflect integration of sensory signals toward a decision appropriate for guiding movement. If this ultimately proves to be the case, several fascinating issues in cognitive neuroscience will be brought under rigorous physiological scrutiny.

Spatial heterogeneity of inhibitory surrounds in the middle temporal visual area.

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.

Object-related activity revealed by functional magnetic resonance imaging in human occipital cortex.

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.

Visual motion perception.

The primate visual motion system performs numerous functions essential for survival in a dynamic visual world. Prominent among these functions is the ability to recover and represent the trajectories of objects in a form that facilitates behavioral responses to those movements. The first step toward this goal, which consists of detecting the displacement of retinal image features, has been studied for many years in both psychophysical and neurobiological experiments. Evidence indicates that achievement of this step is computationally straightforward and occurs at the earliest cortical stage. The second step involves the selective integration of retinal motion signals according to the object of origin. Realization of this step is computationally demanding, as the solution is formally underconstrained. It must rely--by definition--upon utilization of retinal cues that are indicative of the spatial relationships within and between objects in the visual scene. Psychophysical experiments have documented this dependence and suggested mechanisms by which it may be achieved. Neurophysiological experiments have provided evidence for a neural substrate that may underlie this selective motion signal integration. Together they paint a coherent portrait of the means by which retinal image motion gives rise to our perceptual experience of moving objects.

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.

Specialization in pyramidal cell structure in the sensory-motor cortex of the vervet monkey (Cercopethicus pygerythrus)

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.

Pyramidal neurons of granular prefrontal cortex of the galago: Complexity in evolution of the psychic cell in primates

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.

Representation and learning of visual information for pose recognition

Recovering position from sensor information is an important problem in mobile robotics, known as localisation. Localisation requires a map or some other description of the environment to provide the robot with a context to interpret sensor data. The mobile robot system under discussion is using an artificial neural representation of position. Building a geometrical map of the environment with a single camera and artificial neural networks is difficult. Instead it would be simpler to learn position as a function of the visual input. Usually when learning images, an intermediate representation is employed. An appropriate starting point for biologically plausible image representation is the complex cells of the visual cortex, which have invariance properties that appear useful for localisation. The effectiveness for localisation of two different complex cell models are evaluated. Finally the ability of a simple neural network with single shot learning to recognise these representations and localise a robot is examined.

Visual aftereffects:Cortical neurons change their tune

Recent studies of areas V1 and MT in the visual cortex show that exposure to a stimulus can change the contrast sensitivity of cells and shift their peak sensitivity to a new orientation or movement direction. In MT, these shifts can correctly predict illusory changes - visual aftereffects - in movement direction, but in V1, they are more difficult to interpret.

Functional source separation applied to induced visual gamma activity

Objective of this work was to explore the performance of a recently introduced source extraction method, FSS (Functional Source Separation), in recovering induced oscillatory change responses from extra-cephalic magnetoencephalographic (MEG) signals. Unlike algorithms used to solve the inverse problem, FSS does not make any assumption about the underlying biophysical source model; instead, it makes use of task-related features (functional constraints) to estimate source/s of interest. FSS was compared with blind source separation (BSS) approaches such as Principal and Independent Component Analysis, PCA and ICA, which are not subject to any explicit forward solution or functional constraint, but require source uncorrelatedness (PCA), or independence (ICA). A visual MEG experiment with signals recorded from six subjects viewing a set of static horizontal black/white square-wave grating patterns at different spatial frequencies was analyzed. The beamforming technique Synthetic Aperture Magnetometry (SAM) was applied to localize task-related sources; obtained spatial filters were used to automatically select BSS and FSS components in the spatial area of interest. Source spectral properties were investigated by using Morlet-wavelet time-frequency representations and significant task-induced changes were evaluated by means of a resampling technique; the resulting spectral behaviours in the gamma frequency band of interest (20-70 Hz), as well as the spatial frequency-dependent gamma reactivity, were quantified and compared among methods. Among the tested approaches, only FSS was able to estimate the expected sustained gamma activity enhancement in primary visual cortex, throughout the whole duration of the stimulus presentation for all subjects, and to obtain sources comparable to invasively recorded data.

Attentional shifting and the role of the dorsal pathway in visual word recognition

A substantial amount of evidence has been collected to propose an exclusive role for the dorsal visual pathway in the control of guided visual search mechanisms, specifically in the preattentive direction of spatial selection [Vidyasagar, T. R. (1999). A neuronal model of attentional spotlight: Parietal guiding the temporal. Brain Research and Reviews, 30, 66-76; Vidyasagar, T. R. (2001). From attentional gating in macaque primary visual cortex to dyslexia in humans. Progress in Brain Research, 134, 297-312]. Moreover, it has been suggested recently that the dorsal visual pathway is specifically involved in the spatial selection and sequencing required for orthographic processing in visual word recognition. In this experiment we manipulate the demands for spatial processing in a word recognition, lexical decision task by presenting target words in a normal spatial configuration, or where the constituent letters of each word are spatially shifted relative to each other. Accurate word recognition in the Shifted-words condition should demand higher spatial encoding requirements, thereby making greater demands on the dorsal visual stream. Magnetoencephalographic (MEG) neuroimaging revealed a high frequency (35-40 Hz) right posterior parietal activation consistent with dorsal stream involvement occurring between 100 and 300 ms post-stimulus onset, and then again at 200-400 ms. Moreover, this signal was stronger in the shifted word condition, compared to the normal word condition. This result provides neurophysiological evidence that the dorsal visual stream may play an important role in visual word recognition and reading. These results further provide a plausible link between early stage theories of reading, and the magnocellular-deficit theory of dyslexia, which characterises many types of reading difficulty. © 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Neuropathological differences between areas B17 and B18: implications for visual evoked responses in Alzheimer's disease

The density of senile plaques (SP) and neurofibrillary tangles (NFT) was estimated at post-mortem in areas B17 and B18 of the visual cortex in 18 Alzheimer’s disease (AD) cases which varied in disease onset and duration. The density of SP in B17 and NFT in B17 and B18 declined significantly with age at death of the patient. The density of SP and NFT was greater in B18 than B17 but only in cases of earlier onset and shorter duration. The pathological differences between B17 and B18 could explain the visual evoked responses (VER) that have been reported in AD. However, the differences were small, and changes in the afferent pathways remain the most likely explanation for the VER in AD. © 1994 S. Karger AG, Basel.

Visual evoked electrical and magnetic response to half-field stimulation using pattern reversal stimulation

The visual evoked magnetic response to half-field stimulation using pattern reversal was studied using a d.c. SQUID coupled to a second order gradiometer. The main component of the magnetic response consisted of a positive wave at around 100 ms (P100M). At the time this component was present the response to half-field stimulation consisted of an outgoing magnetic field contralateral and extending to the midline. When the left half field was stimulated the outgoing field was over the posterior right visual cortex and when the right half field was stimulated it was over the left anterior visual cortex. These findings would correctly identify a source located in the contralateral visual cortex. The orientation of the dipoles was not that previously assumed to explain the paradoxical lateralization of the visual evoked potential. The results are discussed in terms of both electrical and magnetic models of the calcarine fissure. © 1992.