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.

Rapidly induced auditory plasticity: The ventriloquism aftereffect

Cortical representational plasticity has been well documented after peripheral and central injuries or improvements in perceptual and motor abilities. This has led to inferences that the changes in cortical representations parallel and account for the improvement in performance during the period of skill acquisition. There have also been several examples of rapidly induced changes in cortical neuronal response properties, for example, by intracortical microstimulation or by classical conditioning paradigms. This report describes similar rapidly induced changes in a cortically mediated perception in human subjects, the ventriloquism aftereffect, which presumably reflects a corresponding change in the cortical representation of acoustic space. The ventriloquism aftereffect describes an enduring shift in the perception of the spatial location of acoustic stimuli after a period of exposure of spatially disparate and simultaneously presented acoustic and visual stimuli. Exposure of a mismatch of 8° for 20–30 min is sufficient to shift the perception of acoustic space by approximately the same amount across subjects and acoustic frequencies. Given that the cerebral cortex is necessary for the perception of acoustic space, it is likely that the ventriloquism aftereffect reflects a change in the cortical representation of acoustic space. Comparisons between the responses of single cortical neurons in the behaving macaque monkey and the stimulus parameters that give rise to the ventriloquism aftereffect suggest that the changes in the cortical representation of acoustic space may begin as early as the primary auditory cortex.

Spatial processing in the auditory cortex of the macaque monkey

The patterns of cortico-cortical and cortico-thalamic connections of auditory cortical areas in the rhesus monkey have led to the hypothesis that acoustic information is processed in series and in parallel in the primate auditory cortex. Recent physiological experiments in the behaving monkey indicate that the response properties of neurons in different cortical areas are both functionally distinct from each other, which is indicative of parallel processing, and functionally similar to each other, which is indicative of serial processing. Thus, auditory cortical processing may be similar to the serial and parallel “what” and “where” processing by the primate visual cortex. If “where” information is serially processed in the primate auditory cortex, neurons in cortical areas along this pathway should have progressively better spatial tuning properties. This prediction is supported by recent experiments that have shown that neurons in the caudomedial field have better spatial tuning properties than neurons in the primary auditory cortex. Neurons in the caudomedial field are also better than primary auditory cortex neurons at predicting the sound localization ability across different stimulus frequencies and bandwidths in both azimuth and elevation. These data support the hypothesis that the primate auditory cortex processes acoustic information in a serial and parallel manner and suggest that this may be a general cortical mechanism for sensory perception.

Functional switch between motor tracts in the presence of the mAb IN-1 in the adult rat

Fine finger and hand movements in humans, monkeys, and rats are under the direct control of the corticospinal tract (CST). CST lesions lead to severe, long-term deficits of precision movements. We transected completely both CSTs in adult rats and treated the animals for 2 weeks with an antibody that neutralized the central nervous system neurite growth inhibitory protein Nogo-A (mAb IN-1). Anatomical studies of the rubrospinal tracts showed that the number of collaterals innervating the cervical spinal cord doubled in the mAb IN-1- but not in the control antibody-treated animals. Precision movements of the forelimb and fingers were severely impaired in the controls, but almost completely recovered in the mAb IN-1-treated rats. Low threshold microstimulation of the motor cortex induced a rapid forelimb electromyography response that was mediated by the red nucleus in the mAb IN-1 animals but not in the controls. These findings demonstrate an unexpectedly high capacity of the adult central nervous system motor system to sprout and reorganize in a targeted and functionally meaningful way.

Modular organization of intrinsic connections associated with spectral tuning in cat auditory cortex

Many response properties in primary auditory cortex (AI) are segregated spatially and organized topographically as those in primary visual cortex. Intensive study has not revealed an intrinsic, anatomical organizing principle related to an AI functional topography. We used retrograde anatomic tracing and topographic physiologic mapping of acoustic response properties to reveal long-range (≥1.5 mm) convergent intrinsic horizontal connections between AI subregions with similar bandwidth and characteristic frequency selectivity. This suggests a modular organization for processing spectral bandwidth in AI.

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.

Pyramidal cell specialization in the occipitotemporal cortex of the Chacma baboon (Papio ursinus)

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.

Regional specialization in pyramidal cell structure in the limbic cortex of the vervet monkey (Cercopithecus pygerythrus): an intracellular injection study of the anterior and posterior cingulate gyrus

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.

Widespread brain activity during an abdominal task markedly reduced after pain physiology education: fMRI evaluation of a single patient with chronic low back pain

The way people with chronic low back pain think about pain can affect the way they move. This case report concerns a patient with chronic disabling low back pain who underwent functional magnetic resonance imaging scans during performance of a voluntary trunk muscle task under three conditions: directly after training in the task and, after one week of practice, before and after a 2.5 hour pain physiology education session. Before education there was widespread brain activity during performance of the task, including activity in cortical regions known to be involved in pain, although the task was not painful. After education widespread activity was absent so that there was no brain activation outside of the primary somatosensory cortex. The results suggest that pain physiology education markedly altered brain activity during performance of the task. The data offer a possible mechanism for difficulty in acquisition of trunk muscle training in people with pain and suggest that the change in activity associated with education may reflect reduced threat value of the task.

Specializations of the granular prefrontal cortex of primates: Implications for cognitive processing

The biological underpinnings of human intelligence remain enigmatic. There remains the greatest confusion and controversy regarding mechanisms that enable humans to conceptualize, plan, and prioritize, and why they are set apart from other animals in their cognitive abilities. Here we demonstrate that the basic neuronal building block of the cerebral cortex, the pyramidal cell, is characterized by marked differences in structure among primate species. Moreover, comparison of the complexity of neuron structure with the size of the cortical area/region in which the cells are located revealed that trends in the granular prefrontal cortex (gPFC) were dramatically different to those in visual cortex. More specifically, pyramidal cells in the gPFC of humans had a disproportionately high number of spines. As neuron structure determines both its biophysical properties and connectivity, differences in the complexity in dendritic structure observed here endow neurons with different computational abilities. Furthermore, cortical circuits composed of neurons with distinguishable morphologies will likely be characterized by different functional capabilities. We propose that 1. circuitry in V1, V2, and gPFC within any given species differs in its functional capabilities and 2. there are dramatic differences in the functional capabilities of gPFC circuitry in different species, which are central to the different cognitive styles of primates. In particular, the highly branched, spinous neurons in the human gPFC may be a key component of human intelligence. (C) 2005 Wiley-Liss, Inc.