Cholinergic enhancement of perceptual learning : behavioral, physiological, and neuro-pharmacological study in the rat primary visual cortex

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive.

From First Contact to Close Encounters: A Developmentally Deep Perceptual System for a Humanoid Robot

This thesis presents a perceptual system for a humanoid robot that integrates abilities such as object localization and recognition with the deeper developmental machinery required to forge those competences out of raw physical experiences. It shows that a robotic platform can build up and maintain a system for object localization, segmentation, and recognition, starting from very little. What the robot starts with is a direct solution to achieving figure/ground separation: it simply 'pokes around' in a region of visual ambiguity and watches what happens. If the arm passes through an area, that area is recognized as free space. If the arm collides with an object, causing it to move, the robot can use that motion to segment the object from the background. Once the robot can acquire reliable segmented views of objects, it learns from them, and from then on recognizes and segments those objects without further contact. Both low-level and high-level visual features can also be learned in this way, and examples are presented for both: orientation detection and affordance recognition, respectively. The motivation for this work is simple. Training on large corpora of annotated real-world data has proven crucial for creating robust solutions to perceptual problems such as speech recognition and face detection. But the powerful tools used during training of such systems are typically stripped away at deployment. Ideally they should remain, particularly for unstable tasks such as object detection, where the set of objects needed in a task tomorrow might be different from the set of objects needed today. The key limiting factor is access to training data, but as this thesis shows, that need not be a problem on a robotic platform that can actively probe its environment, and carry out experiments to resolve ambiguity. This work is an instance of a general approach to learning a new perceptual judgment: find special situations in which the perceptual judgment is easy and study these situations to find correlated features that can be observed more generally.

Estudio empírico de los enfoques de aprendizaje de los estudiantes universitarios en función del perfil de su titulación (profundo vs superficial) = Empirical research on university students' learning approaches depending on the degree undertaken (deep vs superficial).

Resumen basado en el del autor

Incidence of Meares-Irlen/visual stress syndrome in reading and learning disorders : Does fluorescent lighting in classrooms affect literacy and numeracy?

Resumen tomado de la publicación

Applicability of the Test of Visual Perceptual Abilities (TVPA) in diagnosing learning disabilities in hearing-impaired children

This paper studies the validity of the Test of Visual Perceptual Abilities (TVPA) as an indicator of learning problems in hearing-impaired children and how it correlates with other measures of learning disabilities.

The effect of learning condition on perceptual anticipation, awareness, and visual search

The efficacy of explicit and implicit learning paradigms was examined during the very early stages of learning the perceptual-motor anticipation task of predicting ball direction from temporally occluded footage of soccer penalty kicks. In addition, the effect of instructional condition on point-of-gaze during learning was examined. A significant improvement in horizontal prediction accuracy was observed in the explicit learning group; however, similar improvement was evident in a placebo group who watched footage of soccer matches. Only the explicit learning intervention resulted in changes in eye movement behaviour and increased awareness of relevant postural cues. Results are discussed in terms of methodological and practical issues regarding the employment of implicit perceptual training interventions. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Learning associations between places and visual cues without learning to navigate: neither fornix nor entorhinal cortex is required

Rats with fornix transection, or with cytotoxic retrohippocampal lesions that removed entorhinal cortex plus ventral subiculum, performed a task that permits incidental learning about either allocentric (Allo) or egocentric (Ego) spatial cues without the need to navigate by them. Rats learned eight visual discriminations among computer-displayed scenes in a Y-maze, using the constant-negative paradigm. Every discrimination problem included two familiar scenes (constants) and many less familiar scenes (variables). On each trial, the rats chose between a constant and a variable scene, with the choice of the variable rewarded. In six problems, the two constant scenes had correlated spatial properties, either Alto (each constant appeared always in the same maze arm) or Ego (each constant always appeared in a fixed direction from the start arm) or both (Allo + Ego). In two No-Cue (NC) problems, the two constants appeared in randomly determined arms and directions. Intact rats learn problems with an added Allo or Ego cue faster than NC problems; this facilitation provides indirect evidence that they learn the associations between scenes and spatial cues, even though that is not required for problem solution. Fornix and retrohippocampal-lesioned groups learned NC problems at a similar rate to sham-operated controls and showed as much facilitation of learning by added spatial cues as did the controls; therefore, both lesion groups must have encoded the spatial cues and have incidentally learned their associations with particular constant scenes. Similar facilitation was seen in subgroups that had short or long prior experience with the apparatus and task. Therefore, neither major hippocampal input-output system is crucial for learning about allocentric or egocentric cues in this paradigm, which does not require rats to control their choices or navigation directly by spatial cues.

The role of perirhinal cortex in visual discrimination learning for visual secondary reinforcement in rats

Perirhinal cortex in monkeys has been thought to be involved in visual associative learning. The authors examined rats' ability to make associations between visual stimuli in a visual secondary reinforcement task. Rats learned 2-choice visual discriminations for secondary visual reinforcement. They showed significant learning of discriminations before any primary reinforcement. Following bilateral perirhinal cortex lesions, rats continued to learn visual discriminations for visual secondary reinforcement at the same rate as before surgery. Thus, this study does not support a critical role of perirhinal cortex in learning for visual secondary reinforcement. Contrasting this result with other positive results, the authors suggest that the role of perirhinal cortex is in "within-object" associations and that it plays a much lesser role in stimulus-stimulus associations between objects.

Transformer Operation at Deep Saturation: Model and Parameter Determination

This paper proposes a model that adequately describes the operation of the transformer at deep saturation, suitable for power-electronics applications, and a method for determining its parameters. Simulation and experimental results are presented to confirm the validity of the model and the method.

Online Learning-based Robust Visual Tracking for Autonomous Landing of Unmanned Aerial Vehicles

Autonomous landing is a challenging and important technology for both military and civilian applications of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). In this paper, we present a novel online adaptive visual tracking algorithm for UAVs to land on an arbitrary field (that can be used as the helipad) autonomously at real-time frame rates of more than twenty frames per second. The integration of low-dimensional subspace representation method, online incremental learning approach and hierarchical tracking strategy allows the autolanding task to overcome the problems generated by the challenging situations such as significant appearance change, variant surrounding illumination, partial helipad occlusion, rapid pose variation, onboard mechanical vibration (no video stabilization), low computational capacity and delayed information communication between UAV and Ground Control Station (GCS). The tracking performance of this presented algorithm is evaluated with aerial images from real autolanding flights using manually- labelled ground truth database. The evaluation results show that this new algorithm is highly robust to track the helipad and accurate enough for closing the vision-based control loop.