"What" and "Where" in the intraparietal sulcus : an fMRI study of object identity and location in visual short-term memory

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Encodage des forces tactiles dans le cortex somatosensoriel primaire

Les deux fonctions principales de la main sont la manipulation d’objet et l’exploration tactile. La détection du glissement, rapportée par les mécanorécepteurs de la peau glabre, est essentielle pour l’exécution de ces deux fonctions. Durant la manipulation d’objet, la détection rapide du micro-glissement (incipient slip) amène la main à augmenter la force de pince pour éviter que l’objet ne tombe. À l’opposé, le glissement est un aspect essentiel à l’exploration tactile puisqu’il favorise une plus grande acuité tactile. Pour ces deux actions, les forces normale et tangentielle exercées sur la peau permettent de décrire le glissement mais également ce qui arrive juste avant qu’il y ait glissement. Toutefois, on ignore comment ces forces contrôlées par le sujet pourraient être encodées au niveau cortical. C’est pourquoi nous avons enregistré l’activité unitaire des neurones du cortex somatosensoriel primaire (S1) durant l’exécution de deux tâches haptiques chez les primates. Dans la première tâche, deux singes devaient saisir une pastille de métal fixe et y exercer des forces de cisaillement sans glissement dans une de quatre directions orthogonales. Des 144 neurones enregistrés, 111 (77%) étaient modulés à la direction de la force de cisaillement. L’ensemble de ces vecteurs préférés s’étendait dans toutes les directions avec un arc variant de 50° à 170°. Plus de 21 de ces neurones (19%) étaient également modulés à l’intensité de la force de cisaillement. Bien que 66 neurones (59%) montraient clairement une réponse à adaptation lente et 45 autres (41%) une réponse à adaptation rapide, cette classification ne semblait pas expliquer la modulation à l’intensité et à la direction de la force de cisaillement. Ces résultats montrent que les neurones de S1 encodent simultanément la direction et l’intensité des forces même en l’absence de glissement. Dans la seconde tâche, deux singes ont parcouru différentes surfaces avec le bout des doigts à la recherche d’une cible tactile, sans feedback visuel. Durant l’exploration, les singes, comme les humains, contrôlaient les forces et la vitesse de leurs doigts dans une plage de valeurs réduite. Les surfaces à haut coefficient de friction offraient une plus grande résistance tangentielle à la peau et amenaient les singes à alléger la force de contact, normale à la peau. Par conséquent, la somme scalaire des composantes normale et tangentielle demeurait constante entre les surfaces. Ces observations démontrent que les singes contrôlent les forces normale et tangentielle qu’ils appliquent durant l’exploration tactile. Celles-ci sont également ajustées selon les propriétés de surfaces telles que la texture et la friction. Des 230 neurones enregistrés durant la tâche d’exploration tactile, 96 (42%) ont montré une fréquence de décharge instantanée reliée aux forces exercées par les doigts sur la surface. De ces neurones, 52 (54%) étaient modulés avec la force normale ou la force tangentielle bien que l’autre composante orthogonale avait peu ou pas d’influence sur la fréquence de décharge. Une autre sous-population de 44 (46%) neurones répondait au ratio entre la force normale et la force tangentielle indépendamment de l’intensité. Plus précisément, 29 (30%) neurones augmentaient et 15 (16%) autres diminuaient leur fréquence de décharge en relation avec ce ratio. Par ailleurs, environ la moitié de tous les neurones (112) étaient significativement modulés à la direction de la force tangentielle. De ces neurones, 59 (53%) répondaient à la fois à la direction et à l’intensité des forces. L’exploration de trois ou quatre différentes surfaces a permis d’évaluer l’impact du coefficient de friction sur la modulation de 102 neurones de S1. En fait, 17 (17%) neurones ont montré une augmentation de leur fréquence de décharge avec l’augmentation du coefficient de friction alors que 8 (8%) autres ont montré le comportement inverse. Par contre, 37 (36%) neurones présentaient une décharge maximale sur une surface en particulier, sans relation linéaire avec le coefficient de friction des surfaces. La classification d’adaptation rapide ou lente des neurones de S1 n’a pu être mise en relation avec la modulation aux forces et à la friction. Ces résultats montrent que la fréquence de décharge des neurones de S1 encode l’intensité des forces normale et tangentielle, le ratio entre les deux composantes et la direction du mouvement. Ces résultats montrent que le comportement d’une importante sous-population des neurones de S1 est déterminé par les forces normale et tangentielle sur la peau. La modulation aux forces présentée ici fait le pont entre les travaux évaluant les propriétés de surfaces telles que la rugosité et les études touchant à la manipulation d’objets. Ce système de référence s’applique en présence ou en absence de glissement entre la peau et la surface. Nos résultats quant à la modulation des neurones à adaptation rapide ou lente nous amènent à suggérer que cette classification découle de la manière que la peau est stimulée. Nous discuterons aussi de la possibilité que l’activité des neurones de S1 puisse inclure une composante motrice durant ces tâches sensorimotrices. Finalement, un nouveau cadre de référence tridimensionnel sera proposé pour décrire et rassembler, dans un même continuum, les différentes modulations aux forces normale et tangentielle observées dans S1 durant l’exploration tactile.

Modulation de l'apprentissage visuel par stimulation électrique transcrânienne à courant direct du cortex préfrontal

Le traitement visuel répété d’un visage inconnu entraîne une suppression de l’activité neuronale dans les régions préférentielles aux visages du cortex occipito-temporal. Cette «suppression neuronale» (SN) est un mécanisme primitif hautement impliqué dans l’apprentissage de visages, pouvant être détecté par une réduction de l’amplitude de la composante N170, un potentiel relié à l’événement (PRE), au-dessus du cortex occipito-temporal. Le cortex préfrontal dorsolatéral (CPDL) influence le traitement et l’encodage visuel, mais sa contribution à la SN de la N170 demeure inconnue. Nous avons utilisé la stimulation électrique transcrânienne à courant direct (SETCD) pour moduler l’excitabilité corticale du CPDL de 14 adultes sains lors de l’apprentissage de visages inconnus. Trois conditions de stimulation étaient utilisées: inhibition à droite, excitation à droite et placebo. Pendant l’apprentissage, l’EEG était enregistré afin d’évaluer la SN de la P100, la N170 et la P300. Trois jours suivant l’apprentissage, une tâche de reconnaissance était administrée où les performances en pourcentage de bonnes réponses et temps de réaction (TR) étaient enregistrées. Les résultats indiquent que la condition d’excitation à droite a facilité la SN de la N170 et a augmentée l’amplitude de la P300, entraînant une reconnaissance des visages plus rapide à long-terme. À l’inverse, la condition d’inhibition à droite a causé une augmentation de l’amplitude de la N170 et des TR plus lents, sans affecter la P300. Ces résultats sont les premiers à démontrer que la modulation d’excitabilité du CPDL puisse influencer l’encodage visuel de visages inconnus, soulignant l’importance du CPDL dans les mécanismes d’apprentissage de base.

Neural correlates of affordance competition in dorsal premotor cortex

Le travail présenté dans cette thèse porte sur le rôle du cortex prémoteur dorsal (PMd) au sujet de la prise de décision (sélection d’une action parmis nombreux choix) et l'orientation visuelle des mouvements du bras. L’ouvrage décrit des expériences électrophysiologiques chez le singe éveillé (Macaca mulatta) permettant d’adresser une fraction importante des prédictions proposées par l'hypothèse des affordances concurrentes (Cisek, 2006; Cisek, 2007a). Cette hypothèse suggère que le choix de toute action est l’issue d'une concurrence entre les représentations internes des exigences et des atouts de chacune des options présentées (affordances; Gibson, 1979). Un intérêt particulier est donné au traitement de l'information spatiale et la valeur des options (expected value, EV) dans la prise de décisions. La première étude (article 1) explore la façon dont PMd reflète ces deux paramètres dans la période délai ainsi que de leur intéraction. La deuxième étude (article 2) explore le mécanisme de décision de façon plus détaillée et étend les résultats au cortex prémoteur ventral (PMv). Cette étude porte également sur la représentation spatiale et l’EV dans une perspective d'apprentissage. Dans un environnement nouveau les paramètres spatiaux des actions semblent être présents en tout temps dans PMd, malgré que la représentation de l’EV apparaît uniquement lorsque les animaux commencent à prendre des décisions éclairées au sujet de la valeur des options disponibles. La troisième étude (article 3) explore la façon dont PMd est impliqué aux “changements d'esprit“ dans un procès de décision. Cette étude décrit comment la sélection d’une action est mise à jour à la suite d'une instruction de mouvement (GO signal). I II Les résultats principaux des études sont reproduits par un modèle computationnel (Cisek, 2006) suggérant que la prise de décision entre plusieurs actions alternatives peux se faire par voie d’un mécanisme de concurrence (biased competition) qui aurait lieu dans la même région qui spécifie les actions.

Computational Models of Object Recognition in Cortex: A Review

Understanding how biological visual systems perform object recognition is one of the ultimate goals in computational neuroscience. Among the biological models of recognition the main distinctions are between feedforward and feedback and between object-centered and view-centered. From a computational viewpoint the different recognition tasks - for instance categorization and identification - are very similar, representing different trade-offs between specificity and invariance. Thus the different tasks do not strictly require different classes of models. The focus of the review is on feedforward, view-based models that are supported by psychophysical and physiological data.

Coding of visual space during motor preparation: approaching objects rapidly modulate corticospinal excitability in hand-centered coordinates

Defensive behaviors, such as withdrawing your hand to avoid potentially harmful approaching objects, rely on rapid sensorimotor transformations between visual and motor coordinates. We examined the reference frame for coding visual information about objects approaching the hand during motor preparation. Subjects performed a simple visuomanual task while a task-irrelevant distractor ball rapidly approached a location either near to or far from their hand. After the distractor ball appearance, single pulses of transcranial magnetic stimulation were delivered over the subject's primary motor cortex, eliciting motor evoked potentials (MEPs) in their responding hand. MEP amplitude was reduced when the ball approached near the responding hand, both when the hand was on the left and the right of the midline. Strikingly, this suppression occurred very early, at 70-80ms after ball appearance, and was not modified by visual fixation location. Furthermore, it was selective for approaching balls, since static visual distractors did not modulate MEP amplitude. Together with additional behavioral measurements, we provide converging evidence for automatic hand-centered coding of visual space in the human brain.

Freeze-frame: a new infant inhibition task and its relation to frontal cortex tasks during infancy and early childhood

The current study investigated a new, easily administered, visual inhibition task for infants termed the Freeze-Frame task. In the new task, 9-month-olds were encouraged to inhibit looks to peripheral distractors. This was done by briefly freezing a central animated stimulus when infants looked to the distractors. Half of the trials presented an engaging central stimulus, and the other half presented a repetitive central stimulus. Three measures of inhibitory function were derived from the task and compared with performance on a set of frontal cortex tasks administered at 9 and 24 months of age. As expected, infants' ability to learn to selectively inhibit looks to the distractors at 9 months predicted performance at 24 months. However, performance differences in the two Freeze-Frame trial types early in the experiment also turned out to be an important predictor. The results are discussed in terms of the validity of the Freeze-Frame task as an early measure of different components of inhibitory function. (C) 2007 Elsevier Inc. All rights reserved.

Neural systems in the visual control of steering

Visual control of locomotion is essential for most mammals and requires coordination between perceptual processes and action systems. Previous research on the neural systems engaged by self-motion has focused on heading perception, which is only one perceptual subcomponent. For effective steering, it is necessary to perceive an appropriate future path and then bring about the required change to heading. Using function magnetic resonance imaging in humans, we reveal a role for the parietal eye fields (PEFs) in directing spatially selective processes relating to future path information. A parietal area close to PEFs appears to be specialized for processing the future path information itself. Furthermore, a separate parietal area responds to visual position error signals, which occur when steering adjustments are imprecise. A network of three areas, the cerebellum, the supplementary eye fields, and dorsal premotor cortex, was found to be involved in generating appropriate motor responses for steering adjustments. This may reflect the demands of integrating visual inputs with the output response for the control device.

Causal evidence for frontal involvement in memory target maintenance by posterior brain areas during distracter interference of visual working memory

Dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) is recruited during visual working memory (WM) when relevant information must be maintained in the presence of distracting information. The mechanism by which DLPFC might ensure successful maintenance of the contents of WM is, however, unclear; it might enhance neural maintenance of memory targets or suppress processing of distracters. To adjudicate between these possibilities, we applied time-locked transcranial magnetic stimulation (TMS) during functional MRI, an approach that permits causal assessment of a stimulated brain region's influence on connected brain regions, and evaluated how this influence may change under different task conditions. Participants performed a visual WM task requiring retention of visual stimuli (faces or houses) across a delay during which visual distracters could be present or absent. When distracters were present, they were always from the opposite stimulus category, so that targets and distracters were represented in distinct posterior cortical areas. We then measured whether DLPFC-TMS, administered in the delay at the time point when distracters could appear, would modulate posterior regions representing memory targets or distracters. We found that DLPFC-TMS influenced posterior areas only when distracters were present and, critically, that this influence consisted of increased activity in regions representing the current memory targets. DLPFC-TMS did not affect regions representing current distracters. These results provide a new line of causal evidence for a top-down DLPFC-based control mechanism that promotes successful maintenance of relevant information in WM in the presence of distraction.

Effect of instructive visual stimuli on neurofeedback training for motor imagery-based braincomputer interface

Event-related desynchronization (ERD) of the electroencephalogram (EEG) from the motor cortex is associated with execution, observation, and mental imagery of motor tasks. Generation of ERD by motor imagery (MI) has been widely used for brain-computer interfaces (BCIs) linked to neuroprosthetics and other motor assistance devices. Control of MI-based BCIs can be acquired by neurofeedback training to reliably induce MI-associated ERD. To develop more effective training conditions, we investigated the effect of static and dynamic visual representations of target movements (a picture of forearms or a video clip of hand grasping movements) during the BCI training. After 4 consecutive training days, the group that performed MI while viewing the video showed significant improvement in generating MI-associated ERD compared with the group that viewed the static image. This result suggests that passively observing the target movement during MI would improve the associated mental imagery and enhance MI-based BCIs skills.

Dyspnea-related cues engage the prefrontal cortex - evidence from functional brain imaging in COPD

Dyspnea is the major source of disability in chronic obstructive pulmonary disease (COPD). In COPD, environmental cues (e.g. the prospect of having to climb stairs) become associated with dyspnea, and may trigger dyspnea even before physical activity commences. We hypothesised that brain activation relating to such cues would be different between COPD patients and healthy controls, reflecting greater engagement of emotional mechanisms in patients. Methods: Using FMRI, we investigated brain responses to dyspnea-related word cues in 41 COPD patients and 40 healthy age-matched controls. We combined these findings with scores of self-report questionnaires thus linking the FMRI task with clinically relevant measures. This approach was adapted from studies in pain that enables identification of brain networks responsible for pain processing despite absence of a physical challenge. Results: COPD patients demonstrate activation in the medial prefrontal cortex (mPFC), and anterior cingulate cortex (ACC) which correlated with the visual analogue scale (VAS) response to word cues. This activity independently correlated with patient-reported questionnaires of depression, fatigue and dyspnea vigilance. Activation in the anterior insula, lateral prefrontal cortex (lPFC) and precuneus correlated with the VAS dyspnea scale but not the questionnaires. Conclusions: Our findings suggest that engagement of the brain's emotional circuitry is important for interpretation of dyspnea-related cues in COPD, and is influenced by depression, fatigue, and vigilance. A heightened response to salient cues is associated with increased symptom perception in chronic pain and asthma, and our findings suggest such mechanisms may be relevant in COPD.

Visual processing of optic flow and motor control in the human posterior cingulate sulcus

Previous studies have shown that the human posterior cingulate contains a visual processing area selective for optic flow (CSv). However, other studies performed in both humans and monkeys have identified a somatotopic motor region at the same location (CMA). Taken together, these findings suggested the possibility that the posterior cingulate contains a single visuomotor integration region. To test this idea we used fMRI to identify both visual and motor areas of the posterior cingulate in the same brains and to test the activity of those regions during a visuomotor task. Results indicated that rather than a single visuomotor region the posterior cingulate contains adjacent but separate motor and visual regions. CSv lies in the fundus of the cingulate sulcus, while CMA lies in the dorsal bank of the sulcus, slightly superior in terms of stereotaxic coordinates. A surprising and novel finding was that activity in CSv was suppressed during the visuomotor task, despite the visual stimulus being identical to that used to localize the region. This may provide an important clue to the specific role played by this region in the utilization of optic flow to control self-motion.

Endogenous-like orienting of visual attention in rats

This study investigated the orienting of visual attention in rats using a 3-hole nose-poke task analogous to Posner, Information processing in cognition: the Loyola Symposium, Erlbaum, Hillsdale, (1980) covert attention task for humans. The effects of non-predictive (50% valid and 50% invalid) and predictive (80% valid and 20% invalid) peripheral visual cues on reaction times and response accuracy to a target stimulus, using Stimuli-Onset Asynchronies (SOAs) varying between 200 and 1,200 ms, were investigated. The results showed shorter reaction times in valid trials relative to invalid trials for both subjects trained in the non-predictive and predictive conditions, particularly when the SOAs were 200 and 400 ms. However, the magnitude of this validity effect was significantly greater for subjects exposed to predictive cues, when the SOA was 800 ms. Subjects exposed to invalid predictive cues exhibited an increase in omission errors relative to subjects exposed to invalid non-predictive cues. In contrast, valid cues reduced the proportion of omission errors for subjects trained in the predictive condition relative to subjects trained in the non-predictive condition. These results are congruent with those usually reported for humans and indicate that, in addition to the exogenous capture of attention promoted by both predictive and non-predictive peripheral cues, rats exposed to predictive cues engaged an additional slower process equivalent to human`s endogenous orienting of attention. To our knowledge, this is the first demonstration of an endogenous-like process of covert orienting of visual attention in rats.

Discrete retinal input to the parabrachial complex of a new-world primate, the common marmoset (Callithrix jacchus)

Traditional retinal projections target three functionally complementary systems it) the brain of mammals: the primary visual system, the visuomotor integration systems and the circadian timing system. In recent years, studies in several animals have been conducted to investigate the retinal projections to these three systems, despite some evidence of additional targets. The aim of this study was to disclose a previously unknown connection between the retina and the parabrachial complex of the common marmoset, by means of the intraocular injection of cholera toxin Subunit b. A few labeled retinal fibers/terminals that are detected in the medial parabrachial portion of the marmoset brain show clear varicosities, Suggesting terminal fields. Although the possible role of these projections remains unknown, they may provide a modulation of the cholinergic parabrachial neurons which project to the thalamic dorsal lateral geniculate nucleus. (c) 2008 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Effects of intensity and positional predictability of a visual stimulus on simple reaction time

The influence of visual stimuli intensity on manual reaction time (RT) was investigated under two different attentional settings: high (Experiment 1) and low (Experiment 2) stimulus location predictability. These two experiments were also run under both binocular and monocular viewing conditions. We observed that RT decreased as stimulus intensity increased. It also decreased as the viewing condition was changed from monocular to binocular as well as the location predictability shifted from low to high. A significant interaction was found between stimulus intensity and viewing condition, but no interaction was observed between neither of these factors and location predictability. These findings support the idea that the stimulus intensity effect arises from purely sensory, pre-attentive mechanisms rather than deriving from more efficient attentional capture. (C) 2010 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.