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.

Spatial attention enhances object coding in local and distributed representations of the lateral occipital complex

The modulation of neural activity in visual cortex is thought to be a key mechanism of visual attention. The investigation of attentional modulation in high-level visual areas, however, is hampered by the lack of clear tuning or contrast response functions. In the present functional magnetic resonance imaging study we therefore systematically assessed how small voxel-wise biases in object preference across hundreds of voxels in the lateral occipital complex were affected when attention was directed to objects. We found that the strength of attentional modulation depended on a voxel's object preference in the absence of attention, a pattern indicative of an amplificatory mechanism. Our results show that such attentional modulation effectively increased the mutual information between voxel responses and object identity. Further, these local modulatory effects led to improved information-based object readout at the level of multi-voxel activation patterns and to an increased reproducibility of these patterns across repeated presentations. We conclude that attentional modulation enhances object coding in local and distributed object representations of the lateral occipital complex.

Cortical object segregation and categorization by multi-scale line and edge coding

In this paper we present an improved scheme for line and edge detection in cortical area V1, based on responses of simple and complex cells, truly multi-scale with no free parameters. We illustrate the multi-scale representation for visual reconstruction, and show how object segregation can be achieved with coarse-to-finescale groupings. A two-level object categorization scenario is tested in which pre-categorization is based on coarse scales only, and final categorization on coarse plus fine scales. Processing schemes are discussed in the framework of a complete cortical architecture.

Building the what and where systems: multi-scale lines, edges and keypoints

Computer vision for realtime applications requires tremendous computational power because all images must be processed from the first to the last pixel. Ac tive vision by probing specific objects on the basis of already acquired context may lead to a significant reduction of processing. This idea is based on a few concepts from our visual cortex (Rensink, Visual Cogn. 7, 17-42, 2000): (1) our physical surround can be seen as memory, i.e. there is no need to construct detailed and complete maps, (2) the bandwidth of the what and where systems is limited, i.e. only one object can be probed at any time, and (3) bottom-up, low-level feature extraction is complemented by top-down hypothesis testing, i.e. there is a rapid convergence of activities in dendritic/axonal connections.

Fine arts edutainment: the amateur painter

A new scheme for painterly rendering (NPR) has been developed. This scheme is based on visual perception, in particular themulti-scale line/edge representation in the visual cortex. The Amateur Painter (TAP) is the user interface on top of the rendering scheme. It allows to (semi)automatically create paintings from photographs, with different types of brush strokes and colour manipulations. In contrast to similar painting tools, TAP has a set of menus that reflects the procedure followed by a normal painter. In addition, menus and options have been designed such that they are very intuitive, avoiding a jungle of sub-menus with options from image processing that children and laymen do not understand. Our goal is to create a tool that is extremely easy to use, with the possibility that the user becomes interested in painting techniques, styles, and fine arts in general.

A vision fronted with a new disparity model

We are developing a frontend that is based on the image representation in the visual cortex and plausible processing schemes. This frontend consists of multiscale line/edge and keypoint (vertex) detection, using models of simple, complex and end-stopped cells. This frontend is being extended by a new disparity model. Assuming that there is no neural inverse tangent operator, we do not exploit Gabor phase information. Instead, we directly use simple cell (Gabor) responses at positions where lines and edges are detected.

Perception-based painterly rendering: funcionality and interface design

Painterly rendering (non-photorealistic rendering or NPR) aims at translating photographs into paintings with discrete brush strokes, simulating certain techniques (im- or expressionism) and media (oil or watercolour). Recently, our research into visual perception and models of processes in the visual cortex resulted in a new rendering scheme, in which detected lines and edges at different scales are translated into brush strokes of different sizes. In order to prepare a version which is suitable for many users, including children, the design of the interface in terms of window and menu system is very important. Discussions with artists and non-artists led to three design criteria: (1) the interface must reflect the procedures and possibilities that real painters follow and use, (2) it must be based on only one window, and (3) the menu system must be very simple, avoiding a jungle of menus and sub-menus. This paper explains the interface that has been developed.

Multi-scale lines and edges in V1 and beyond: brightness, object categorization and recognition, and consciousness

In this paper we present an improved model for line and edge detection in cortical area V1. This model is based on responses of simple and complex cells, and it is multi-scale with no free parameters. We illustrate the use of the multi-scale line/edge representation in different processes: visual reconstruction or brightness perception, automatic scale selection and object segregation. A two-level object categorization scenario is tested in which pre-categorization is based on coarse scales only and final categorization on coarse plus fine scales. We also present a multi-scale object and face recognition model. Processing schemes are discussed in the framework of a complete cortical architecture. The fact that brightness perception and object recognition may be based on the same symbolic image representation is an indication that the entire (visual) cortex is involved in consciousness.

Cortical 3D face and object recognition using 2D projections

Empirical studies concerning face recognition suggest that faces may be stored in memory by a few canonical representations. In cortical area V1 exist double-opponent colour blobs, also simple, complex and end-stopped cells which provide input for a multiscale line/edge representation, keypoints for dynamic feature routine, and saliency maps for Focus-of-Attention.

BIMP: A real-time biological model of multi-scale keypoint detection in V1

We present an improved, biologically inspired and multiscale keypoint operator. Models of single- and double-stopped hypercomplex cells in area V1 of the mammalian visual cortex are used to detect stable points of high complexity at multiple scales. Keypoints represent line and edge crossings, junctions and terminations at fine scales, and blobs at coarse scales. They are detected by applying first and second derivatives to responses of complex cells in combination with two inhibition schemes to suppress responses along lines and edges. A number of optimisations make our new algorithm much faster than previous biologically inspired models, achieving real-time performance on modern GPUs and competitive speeds on CPUs. In this paper we show that the keypoints exhibit state-of-the-art repeatability in standardised benchmarks, often yielding best-in-class performance. This makes them interesting both in biological models and as a useful detector in practice. We also show that keypoints can be used as a data selection step, significantly reducing the complexity in state-of-the-art object categorisation. (C) 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.

Membrane potential dynamics of neocortical projection neurons driving target-specific signals.

Primary sensory cortex discriminates incoming sensory information and generates multiple processing streams toward other cortical areas. However, the underlying cellular mechanisms remain unknown. Here, by making whole-cell recordings in primary somatosensory barrel cortex (S1) of behaving mice, we show that S1 neurons projecting to primary motor cortex (M1) and those projecting to secondary somatosensory cortex (S2) have distinct intrinsic membrane properties and exhibit markedly different membrane potential dynamics during behavior. Passive tactile stimulation evoked faster and larger postsynaptic potentials (PSPs) in M1-projecting neurons, rapidly driving phasic action potential firing, well-suited for stimulus detection. Repetitive active touch evoked strongly depressing PSPs and only transient firing in M1-projecting neurons. In contrast, PSP summation allowed S2-projecting neurons to robustly signal sensory information accumulated during repetitive touch, useful for encoding object features. Thus, target-specific transformation of sensory-evoked synaptic potentials by S1 projection neurons generates functionally distinct output signals for sensorimotor coordination and sensory perception.

Les mécanismes endogènes de modulation de la douleur et leur dysfonction dans le syndrome de l'intestin irritable

La douleur est une expérience subjective multidimensionnelle accompagnée de réponses physiologiques. Ces dernières sont régulées par des processus cérébraux qui jouent un rôle important dans la modulation spinale et cérébrale de la douleur. Cependant, les mécanismes de cette régulation sont encore mal définis et il est essentiel de bien les comprendre pour mieux traiter la douleur. Les quatre études de cette thèse avaient donc comme objectif de préciser les mécanismes endogènes de modulation de la douleur par la contreirritation (inhibition de la douleur par une autre douleur) et d’investiguer la dysfonction de ces mécanismes chez des femmes souffrant du syndrome de l’intestin irritable (Sii). Dans un premier temps, un modèle expérimental a été développé pour mesurer l’activité cérébrale en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle concurremment à l’enregistrement du réflexe nociceptif de flexion (RIII : index de nociception spinale) et des réponses de conductance électrodermale (SCR : index d’activation sympathique) évoqués par des stimulations électriques douloureuses. La première étude indique que les différences individuelles d’activité cérébrale évoquée par les stimulations électriques dans les cortex orbitofrontal (OFC) et cingulaire sont associées aux différences individuelles de sensibilité à la douleur, de réactivité motrice (RIII) et de réactivité autonomique (SCR) chez des sujets sains. La deuxième étude montre que l’analgésie par contreirritation produite chez des sujets sains est accompagnée de l’inhibition de l’amygdale par OFC et d’une modulation du réflexe RIII par la substance grise périaqueducale (PAG) et le cortex somesthésique primaire (SI). Dans les troisième et quatrième études, il est montré que la contreirritation ne produit pas d’inhibition significative de la douleur et du réflexe RIII chez les patientes Sii en comparaison aux contrôles. De plus, les résultats indiquent que la sévérité des symptômes psychologiques est associée au déficit de modulation de la douleur et à une hypersensibilité diffuse chez les patientes Sii. Dans l’ensemble, cette thèse précise le rôle de certaines structures cérébrales dans les multiples composantes de la douleur et dans l’analgésie par contreirritation et montre que les patientes Sii présentent une dysfonction des mécanismes spinaux et cérébraux impliqués dans la perception et la modulation de la douleur.

Apprentissage de représentations sur-complètes par entraînement d’auto-encodeurs

Les avancés dans le domaine de l’intelligence artificielle, permettent à des systèmes informatiques de résoudre des tâches de plus en plus complexes liées par exemple à la vision, à la compréhension de signaux sonores ou au traitement de la langue. Parmi les modèles existants, on retrouve les Réseaux de Neurones Artificiels (RNA), dont la popularité a fait un grand bond en avant avec la découverte de Hinton et al. [22], soit l’utilisation de Machines de Boltzmann Restreintes (RBM) pour un pré-entraînement non-supervisé couche après couche, facilitant grandement l’entraînement supervisé du réseau à plusieurs couches cachées (DBN), entraînement qui s’avérait jusqu’alors très difficile à réussir. Depuis cette découverte, des chercheurs ont étudié l’efficacité de nouvelles stratégies de pré-entraînement, telles que l’empilement d’auto-encodeurs traditionnels(SAE) [5, 38], et l’empilement d’auto-encodeur débruiteur (SDAE) [44]. C’est dans ce contexte qu’a débuté la présente étude. Après un bref passage en revue des notions de base du domaine de l’apprentissage machine et des méthodes de pré-entraînement employées jusqu’à présent avec les modules RBM, AE et DAE, nous avons approfondi notre compréhension du pré-entraînement de type SDAE, exploré ses différentes propriétés et étudié des variantes de SDAE comme stratégie d’initialisation d’architecture profonde. Nous avons ainsi pu, entre autres choses, mettre en lumière l’influence du niveau de bruit, du nombre de couches et du nombre d’unités cachées sur l’erreur de généralisation du SDAE. Nous avons constaté une amélioration de la performance sur la tâche supervisée avec l’utilisation des bruits poivre et sel (PS) et gaussien (GS), bruits s’avérant mieux justifiés que celui utilisé jusqu’à présent, soit le masque à zéro (MN). De plus, nous avons démontré que la performance profitait d’une emphase imposée sur la reconstruction des données corrompues durant l’entraînement des différents DAE. Nos travaux ont aussi permis de révéler que le DAE était en mesure d’apprendre, sur des images naturelles, des filtres semblables à ceux retrouvés dans les cellules V1 du cortex visuel, soit des filtres détecteurs de bordures. Nous aurons par ailleurs pu montrer que les représentations apprises du SDAE, composées des caractéristiques ainsi extraites, s’avéraient fort utiles à l’apprentissage d’une machine à vecteurs de support (SVM) linéaire ou à noyau gaussien, améliorant grandement sa performance de généralisation. Aussi, nous aurons observé que similairement au DBN, et contrairement au SAE, le SDAE possédait une bonne capacité en tant que modèle générateur. Nous avons également ouvert la porte à de nouvelles stratégies de pré-entraînement et découvert le potentiel de l’une d’entre elles, soit l’empilement d’auto-encodeurs rebruiteurs (SRAE).

Mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans la régulation du développement des circuits d’interneurones GABAergiques dans le néocortex : rôle de la molécule d’adhésion cellulaire neurale (NCAM)

Les interneurones GABAergiques constituent une population mineure de cellules par rapport aux neurones glutamatergiques dans le néocortex. Cependant ils contrôlent fortement l'excitabilité neuronale, la dynamique des réseaux neuronaux et la plasticité synaptique. L'importance des circuits GABAergiques dans le processus fonctionnel et la plasticité des réseaux corticaux est soulignée par des résultats récents qui montrent que des modifications très précises et fiables des circuits GABAergiques sont associées à divers troubles du développement neurologique et à des défauts dans les fonctions cérébrales. De ce fait, la compréhension des mécanismes cellulaires et moléculaires impliquant le développement des circuits GABAergiques est la première étape vers une meilleure compréhension de la façon dont les anomalies de ces processus peuvent se produire. La molécule d’adhésion cellulaire neurale (NCAM) appartient à la super-famille des immunoglobulines de reconnaissance cellulaire et est impliquée dans des interactions homophiliques et hétérophiliques avec d’autres molécules. Même si plusieurs rôles de NCAM ont été démontrés dans la croissance neuronale, la fasciculation axonale, la formation et la maturation de synapses, de même que dans la plasticité cellulaire de plusieurs systèmes, le rôle de NCAM dans la formation des synapses GABAergiques reste inconnu. Ce projet visait donc à déterminer le rôle précis de NCAM dans le processus de maturation des synapses GABAergiques dans le néocortex, en modulant son expression à différentes étapes du développement. L’approche choisie a été de supprimer NCAM dans des cellules GABAergiques à paniers avant la maturation des synapses (EP12-18), pendant la maturation (EP16-24), ou durant le maintien de celles-ci (EP24-32). Les méthodes utilisées ont été le clonage moléculaire, l’imagerie confocale, la culture de coupes organotypiques et des techniques morphométriques de quantification de l’innervation GABAergique. Nos résultats montrent que l’inactivation de NCAM durant la phase de maturation des synapses périsomatiques (EP16-24) cause une réduction du nombre de synapses GABAergiques périsomatiques et du branchement de ces axones. En revanche, durant la phase de maintien (EP26-32), l’inactivation de NCAM n’a pas affecté ces paramètres des synapses GABAergiques. Or, il existe trois isoformes de NCAM (NCAM120, 140 et 180) qui pourraient jouer des rôles différents dans les divers types cellulaires ou à des stades développementaux différents. Nos données montrent que NCAM120 et 140 sont nécessaires à la maturation des synapses périsomatiques GABAergiques. Cependant, NCAM180, qui est l’isoforme la plus étudiée et caractérisée, ne semble pas être impliquée dans ce processus. De plus, l’inactivation de NCAM n’a pas affecté la densité des épines dendritiques ou leur longueur. Elle est donc spécifique aux synapses périsomatiques GABAeriques. Finalement, nos résultats suggèrent que le domaine conservé C-terminal KENESKA est essentiel à la maturation des synapses périsomatiques GABAergiques. Des expériences futures nous aiderons à mieux comprendre la mécanistique et les différentes voies de signalisation impliquées.

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.