High-field FMRI reveals brain activation patterns underlying saccade execution in the human superior colliculus.

BACKGROUND: The superior colliculus (SC) has been shown to play a crucial role in the initiation and coordination of eye- and head-movements. The knowledge about the function of this structure is mainly based on single-unit recordings in animals with relatively few neuroimaging studies investigating eye-movement related brain activity in humans. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: The present study employed high-field (7 Tesla) functional magnetic resonance imaging (fMRI) to investigate SC responses during endogenously cued saccades in humans. In response to centrally presented instructional cues, subjects either performed saccades away from (centrifugal) or towards (centripetal) the center of straight gaze or maintained fixation at the center position. Compared to central fixation, the execution of saccades elicited hemodynamic activity within a network of cortical and subcortical areas that included the SC, lateral geniculate nucleus (LGN), occipital cortex, striatum, and the pulvinar. CONCLUSIONS/SIGNIFICANCE: Activity in the SC was enhanced contralateral to the direction of the saccade (i.e., greater activity in the right as compared to left SC during leftward saccades and vice versa) during both centrifugal and centripetal saccades, thereby demonstrating that the contralateral predominance for saccade execution that has been shown to exist in animals is also present in the human SC. In addition, centrifugal saccades elicited greater activity in the SC than did centripetal saccades, while also being accompanied by an enhanced deactivation within the prefrontal default-mode network. This pattern of brain activity might reflect the reduced processing effort required to move the eyes toward as compared to away from the center of straight gaze, a position that might serve as a spatial baseline in which the retinotopic and craniotopic reference frames are aligned.

Simultaneous transcranial magnetic stimulation and single-neuron recording in alert non-human primates.

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a widely used, noninvasive method for stimulating nervous tissue, yet its mechanisms of effect are poorly understood. Here we report new methods for studying the influence of TMS on single neurons in the brain of alert non-human primates. We designed a TMS coil that focuses its effect near the tip of a recording electrode and recording electronics that enable direct acquisition of neuronal signals at the site of peak stimulus strength minimally perturbed by stimulation artifact in awake monkeys (Macaca mulatta). We recorded action potentials within ∼1 ms after 0.4-ms TMS pulses and observed changes in activity that differed significantly for active stimulation as compared with sham stimulation. This methodology is compatible with standard equipment in primate laboratories, allowing easy implementation. Application of these tools will facilitate the refinement of next generation TMS devices, experiments and treatment protocols.

Primary motor cortex involvement in initial learning during visuomotor adaptation

Human motor behaviour is continually modified on the basis of errors between desired and actual movement outcomes. It is emerging that the role played by the primary motor cortex (M1) in this process is contingent upon a variety of factors, including the nature of the task being performed, and the stage of learning. Here we used repetitive TMS to test the hypothesis that M1 is intimately involved in the initial phase of sensorimotor adaptation. Inhibitory theta burst stimulation was applied to M1 prior to a task requiring modification of torques generated about the elbow/forearm complex in response to rotations of a visual feedback display. Participants were first exposed to a 30° clockwise (CW) rotation (Block A), then a 60° counterclockwise rotation (Block B), followed immediately by a second block of 30° CW rotation (A2). In the STIM condition, participants received 20s of continuous theta burst stimulation (cTBS) prior to the initial A Block. In the conventional (CON) condition, no stimulation was applied. The overt characteristics of performance in the two conditions were essentially equivalent with respect to the errors exhibited upon exposure to a new variant of the task. There were however, profound differences between the conditions in the latency of response preparation, and the excitability of corticospinal projections from M1, which accompanied phases of de-adaptation and re-adaptation (during Blocks B and A2). Upon subsequent exposure to the A rotation 24h later, the rate of re-adaptation was lower in the stimulation condition than that present in the conventional condition. These results support the assertion that primary motor cortex assumes a key role in a network that mediates adaptation to visuomotor perturbation, and emphasise that it is engaged functionally during the early phase of learning.

Structure-Phenotype Correlations of Human CYP21A2 Mutations in Congenital Adrenal Hyperplasia

Congenital Adrenal Hyperplasia (CAH) is a family of autosomal recessive disorders involving impaired synthesis of cortisol from cholesterol by adrenal cortex. The predominant causes of the disorder are mutations in the CYP21A2 gene that encodes a Cytochrome P450 21-hydroxylase enzyme, which is central to steroidogenesis. The severity of the disease depends upon the extent of impaired enzymatic activity and can be classified under severe Classical form or the mild Non-Classical form, Molecular characterisation of CYP21A2 mutations can be used to predict clinical phenotype and disease severity based upon changes it brings in 21-hydroxylase enzyme structure. A humanized model of CYP21A2 has been used to map and investigate the structural role of all known disease-causing mutations. A structural explanation of clinical manifestation allows us to put forward criteria that might allow the prediction of clinical severity of the disease.

Calcification and ossification of the convexity of the falx cerebri and related subdural space in human cadavers

OBJECTIVE: The present work was planned to report the incidence of calcification and ossification of an isolated cranial dural fold. The form, degree of severity and range of extension of such changes will be described. Involvement of the neighboring brain tissue and blood vessels, whether meningeal or cerebral, will also be determined. The results of this study might highlight the occasional incidence of intracranial calcification and ossification in images of the head and their interpretation, by radiologists and neurologists, to be of dural or vascular origin.

METHODS: Two human formalin-fixed cadavers, one middle-aged female another older male, were investigated at the Anatomy Laboratory, College of Medicine, King Faisal University, Dammam, Kingdom of Saudi Arabia during the period from 2000 to 2003. In each cadaver, the skullcap was removed and the convexity of the cranial dura mater, as well as the individual dural folds, were carefully examined for any calcification or ossification. The meningeal and cerebral blood vessels together with the underlying brain were grossly inspected for such structural changes. Calcified or ossified tissues, when identified, were subjected to histological examination to confirm their construction.

RESULTS: The female cadaver showed a calcified parietal emissary vein piercing the skullcap and projecting into the scalp. The latter looked paler and deficient in hair on its right side. The base of the stump was surrounded by a granular patch of calcification. The upper convex border of the falx cerebri was hardened and it presented granules, plaques and a cauliflower mass, which all proved to be osseous in structure. The meningeal and right cerebral vessels were mottled with calcium granules. The underlying temporal and parietal lobes of the right cerebral hemisphere were degenerated. The male cadaver also revealed a calcified upper border of the falx cerebri and superior sagittal sinus. Osseous granules and plaques, similar to those of the first specimen, were also identified but without gross changes in the underlying brain.

CONCLUSION: Calcification or ossification of an isolated site of the cranial dura mater and the intracranial blood vessels might occur. These changes should be kept in mind while interpreting images of the skull and brain. Clinical assessment and laboratory investigations are required to determine whether these changes are idiopathic, traumatic, or as a manifestation of a generalized disease such as hyperparathyroidism, vitamin D-intoxication, or chronic renal failure.

Modulation of human corticospinal excitability by paired associative stimulation

Paired Associative Stimulation (PAS) has come to prominence as a potential therapeutic intervention for the treatment of brain injury/disease, and as an experimental method with which to investigate Hebbian principles of neural plasticity in humans. Prototypically, a single electrical stimulus is directed to a peripheral nerve in advance of transcranial magnetic stimulation (TMS) delivered to the contralateral primary motor cortex (M1). Repeated pairing of the stimuli (i.e., association) over an extended period may increase or decrease the excitability of corticospinal projections from M1, in manner that depends on the interstimulus interval (ISI). It has been suggested that these effects represent a form of associative long-term potentiation (LTP) and depression (LTD) that bears resemblance to spike-timing dependent plasticity (STDP) as it has been elaborated in animal models. With a large body of empirical evidence having emerged since the cardinal features of PAS were first described, and in light of the variations from the original protocols that have been implemented, it is opportune to consider whether the phenomenology of PAS remains consistent with the characteristic features that were initially disclosed. This assessment necessarily has bearing upon interpretation of the effects of PAS in relation to the specific cellular pathways that are putatively engaged, including those that adhere to the rules of STDP. The balance of evidence suggests that the mechanisms that contribute to the LTP- and LTD-type responses to PAS differ depending on the precise nature of the induction protocol that is used. In addition to emphasizing the requirement for additional explanatory models, in the present analysis we highlight the key features of the PAS phenomenology that require interpretation.

Integrated multi-scale architecture of the cortex with application to computer vision

Tese de dout., Engenharia Electrónica e de Computadores, Faculdade de Ciência e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2007

Correlates of facial expressions in the primary visual cortex

Face detection and recognition should be complemented by recognition of facial expression, for example for social robots which must react to human emotions. Our framework is based on two multi-scale representations in cortical area V1: keypoints at eyes, nose and mouth are grouped for face detection [1]; lines and edges provide information for face recognition [2].

Modeling resting-state functional networks when the cortex falls asleep: local and global changes.

The transition from wakefulness to sleep represents the most conspicuous change in behavior and the level of consciousness occurring in the healthy brain. It is accompanied by similarly conspicuous changes in neural dynamics, traditionally exemplified by the change from "desynchronized" electroencephalogram activity in wake to globally synchronized slow wave activity of early sleep. However, unit and local field recordings indicate that the transition is more gradual than it might appear: On one hand, local slow waves already appear during wake; on the other hand, slow sleep waves are only rarely global. Studies with functional magnetic resonance imaging also reveal changes in resting-state functional connectivity (FC) between wake and slow wave sleep. However, it remains unclear how resting-state networks may change during this transition period. Here, we employ large-scale modeling of the human cortico-cortical anatomical connectivity to evaluate changes in resting-state FC when the model "falls asleep" due to the progressive decrease in arousal-promoting neuromodulation. When cholinergic neuromodulation is parametrically decreased, local slow waves appear, while the overall organization of resting-state networks does not change. Furthermore, we show that these local slow waves are structured macroscopically in networks that resemble the resting-state networks. In contrast, when the neuromodulator decrease further to very low levels, slow waves become global and resting-state networks merge into a single undifferentiated, broadly synchronized network.

Early processing in the human lateral occipital complex is highly responsive to illusory contours but not to salient regions.

Human electrophysiological studies support a model whereby sensitivity to so-called illusory contour stimuli is first seen within the lateral occipital complex. A challenge to this model posits that the lateral occipital complex is a general site for crude region-based segmentation, based on findings of equivalent hemodynamic activations in the lateral occipital complex to illusory contour and so-called salient region stimuli, a stimulus class that lacks the classic bounding contours of illusory contours. Using high-density electrical mapping of visual evoked potentials, we show that early lateral occipital cortex activity is substantially stronger to illusory contour than to salient region stimuli, whereas later lateral occipital complex activity is stronger to salient region than to illusory contour stimuli. Our results suggest that equivalent hemodynamic activity to illusory contour and salient region stimuli probably reflects temporally integrated responses, a result of the poor temporal resolution of hemodynamic imaging. The temporal precision of visual evoked potentials is critical for establishing viable models of completion processes and visual scene analysis. We propose that crude spatial segmentation analyses, which are insensitive to illusory contours, occur first within dorsal visual regions, not the lateral occipital complex, and that initial illusory contour sensitivity is a function of the lateral occipital complex.

Intrahemispheric dysfunction in primary motor cortex without corpus callosum: a transcranial magnetic stimulation study

Affiliation: Département de Psychologie, Université de Montréal

Analyse par apprentissage automatique des réponses fMRI du cortex auditif à des modulations spectro-temporelles

L'application de classifieurs linéaires à l'analyse des données d'imagerie cérébrale (fMRI) a mené à plusieurs percées intéressantes au cours des dernières années. Ces classifieurs combinent linéairement les réponses des voxels pour détecter et catégoriser différents états du cerveau. Ils sont plus agnostics que les méthodes d'analyses conventionnelles qui traitent systématiquement les patterns faibles et distribués comme du bruit. Dans le présent projet, nous utilisons ces classifieurs pour valider une hypothèse portant sur l'encodage des sons dans le cerveau humain. Plus précisément, nous cherchons à localiser des neurones, dans le cortex auditif primaire, qui détecteraient les modulations spectrales et temporelles présentes dans les sons. Nous utilisons les enregistrements fMRI de sujets soumis à 49 modulations spectro-temporelles différentes. L'analyse fMRI au moyen de classifieurs linéaires n'est pas standard, jusqu'à maintenant, dans ce domaine. De plus, à long terme, nous avons aussi pour objectif le développement de nouveaux algorithmes d'apprentissage automatique spécialisés pour les données fMRI. Pour ces raisons, une bonne partie des expériences vise surtout à étudier le comportement des classifieurs. Nous nous intéressons principalement à 3 classifieurs linéaires standards, soient l'algorithme machine à vecteurs de support (linéaire), l'algorithme régression logistique (régularisée) et le modèle bayésien gaussien naïf (variances partagées).

Un oeil sur la langue : aspects neuro-cognitifs du processus de la navigation chez l'aveugle-né

La vision est un élément très important pour la navigation en général. Grâce à des mécanismes compensatoires les aveugles de naissance ne sont pas handicapés dans leurs compétences spatio-cognitives, ni dans la formation de nouvelles cartes spatiales. Malgré l’essor des études sur la plasticité du cerveau et la navigation chez les aveugles, les substrats neuronaux compensatoires pour la préservation de cette fonction demeurent incompris. Nous avons démontré récemment (article 1) en utilisant une technique d’analyse volumétrique (Voxel-Based Morphometry) que les aveugles de naissance (AN) montrent une diminution de la partie postérieure de l’hippocampe droit, structure cérébrale importante dans la formation de cartes spatiales. Comment les AN forment-ils des cartes cognitives de leur environnement avec un hippocampe postérieur droit qui est significativement réduit ? Pour répondre à cette question nous avons choisi d’exploiter un appareil de substitution sensorielle qui pourrait potentiellement servir à la navigation chez les AN. Cet appareil d’affichage lingual (Tongue display unit -TDU-) retransmet l’information graphique issue d’une caméra sur la langue. Avant de demander à nos sujets de naviguer à l’aide du TDU, il était nécessaire de nous assurer qu’ils pouvaient « voir » des objets dans l’environnement grâce au TDU. Nous avons donc tout d’abord évalué l’acuité « visuo »-tactile (article 2) des sujets AN pour les comparer aux performances des voyants ayant les yeux bandées et munis du TDU. Ensuite les sujets ont appris à négocier un chemin à travers un parcours parsemé d’obstacles i (article 3). Leur tâche consistait à pointer vers (détection), et contourner (négociation) un passage autour des obstacles. Nous avons démontré que les sujets aveugles de naissance non seulement arrivaient à accomplir cette tâche, mais encore avaient une performance meilleure que celle des voyants aux yeux bandés, et ce, malgré l’atrophie structurelle de l’hippocampe postérieur droit, et un système visuel atrophié (Ptito et al., 2008). Pour déterminer quels sont les corrélats neuronaux de la navigation, nous avons créé des routes virtuelles envoyées sur la langue par le biais du TDU que les sujets devaient reconnaitre alors qu’ils étaient dans un scanneur IRMf (article 4). Nous démontrons grâce à ces techniques que les aveugles utilisent un autre réseau cortical impliqué dans la mémoire topographique que les voyants quand ils suivent des routes virtuelles sur la langue. Nous avons mis l’emphase sur des réseaux neuronaux connectant les cortex pariétaux et frontaux au lobe occipital puisque ces réseaux sont renforcés chez les aveugles de naissance. Ces résultats démontrent aussi que la langue peut être utilisée comme une porte d’entrée vers le cerveau en y acheminant des informations sur l’environnement visuel du sujet, lui permettant ainsi d’élaborer des stratégies d’évitement d’obstacles et de se mouvoir adéquatement.

Réorganisation fonctionnelle et structurale des cortex auditifs, visuels et associatifs chez les sourds profonds congénitaux ou prélinguaux

En raison de l’utilisation d’un mode de communication totalement différent de celui des entendants, le langage des signes, et de l’absence quasi-totale d’afférences en provenance du système auditif, il y a de fortes chances que d’importantes modifications fonctionnelles et structurales s’effectuent dans le cerveau des individus sourds profonds. Les études antérieures suggèrent que cette réorganisation risque d’avoir des répercussions plus importantes sur les structures corticales situées le long de la voie visuelle dorsale qu’à l’intérieur de celles situées à l’intérieur de la voie ventrale. L’hypothèse proposée par Ungerleider et Mishkin (1982) quant à la présence de deux voies visuelles dans les régions occipitales, même si elle demeure largement acceptée dans la communauté scientifique, s’en trouve aussi relativement contestée. Une voie se projetant du cortex strié vers les régions pariétales postérieures, est impliquée dans la vision spatiale, et l’autre se projetant vers les régions du cortex temporal inférieur, est responsable de la reconnaissance de la forme. Goodale et Milner (1992) ont par la suite proposé que la voie dorsale, en plus de son implication dans le traitement de l’information visuo-spatiale, joue un rôle dans les ajustements sensori-moteurs nécessaires afin de guider les actions. Dans ce contexte, il est tout à fait plausible de considérer qu’un groupe de personne utilisant un langage sensori-moteur comme le langage des signes dans la vie de tous les jours, s’expose à une réorganisation cérébrale ciblant effectivement la voie dorsale. L’objectif de la première étude est d’explorer ces deux voies visuelles et plus particulièrement, la voie dorsale, chez des individus entendants par l’utilisation de deux stimuli de mouvement dont les caractéristiques physiques sont très similaires, mais qui évoquent un traitement relativement différent dans les régions corticales visuelles. Pour ce faire, un stimulus de forme définie par le mouvement et un stimulus de mouvement global ont été utilisés. Nos résultats indiquent que les voies dorsale et ventrale procèdent au traitement d’une forme définie par le mouvement, tandis que seule la voie dorsale est activée lors d’une tâche de mouvement global dont les caractéristiques psychophysiques sont relativement semblables. Nous avons utilisé, subséquemment, ces mêmes stimulations activant les voies dorsales et ventrales afin de vérifier quels pourraient être les différences fonctionnelles dans les régions visuelles et auditives chez des individus sourds profonds. Plusieurs études présentent la réorganisation corticale dans les régions visuelles et auditives en réponse à l’absence d’une modalité sensorielle. Cependant, l’implication spécifique des voies visuelles dorsale et ventrale demeure peu étudiée à ce jour, malgré plusieurs résultats proposant une implication plus importante de la voie dorsale dans la réorganisation visuelle chez les sourds. Suite à l’utilisation de l’imagerie cérébrale fonctionnelle pour investiguer ces questions, nos résultats ont été à l’encontre de cette hypothèse suggérant une réorganisation ciblant particulièrement la voie dorsale. Nos résultats indiquent plutôt une réorganisation non-spécifique au type de stimulation utilisé. En effet, le gyrus temporal supérieur est activé chez les sourds suite à la présentation de toutes nos stimulations visuelles, peu importe leur degré de complexité. Le groupe de participants sourds montre aussi une activation du cortex associatif postérieur, possiblement recruté pour traiter l’information visuelle en raison de l’absence de compétition en provenance des régions temporales auditives. Ces résultats ajoutent aux données déjà recueillies sur les modifications fonctionnelles qui peuvent survenir dans tout le cerveau des personnes sourdes, cependant les corrélats anatomiques de la surdité demeurent méconnus chez cette population. Une troisième étude se propose donc d’examiner les modifications structurales pouvant survenir dans le cerveau des personnes sourdes profondes congénitales ou prélinguales. Nos résultats montrent que plusieurs régions cérébrales semblent être différentes entre le groupe de participants sourds et celui des entendants. Nos analyses ont montré des augmentations de volume, allant jusqu’à 20%, dans les lobes frontaux, incluant l’aire de Broca et d’autres régions adjacentes impliqués dans le contrôle moteur et la production du langage. Les lobes temporaux semblent aussi présenter des différences morphométriques même si ces dernières ne sont pas significatives. Enfin, des différences de volume sont également recensées dans les parties du corps calleux contenant les axones permettant la communication entre les régions temporales et occipitales des deux hémisphères.