Contributions of pitch and bandwidth to sound-induced enhancement of visual cortex excitability in humans.

Multisensory interactions have been documented within low-level, even primary, cortices and at early post-stimulus latencies. These effects are in turn linked to behavioral and perceptual modulations. In humans, visual cortex excitability, as measured by transcranial magnetic stimulation (TMS) induced phosphenes, can be reliably enhanced by the co-presentation of sounds. This enhancement occurs at pre-perceptual stages and is selective for different types of complex sounds. However, the source(s) of auditory inputs effectuating these excitability changes in primary visual cortex remain disputed. The present study sought to determine if direct connections between low-level auditory cortices and primary visual cortex are mediating these kinds of effects by varying the pitch and bandwidth of the sounds co-presented with single-pulse TMS over the occipital pole. Our results from 10 healthy young adults indicate that both the central frequency and bandwidth of a sound independently affect the excitability of visual cortex during processing stages as early as 30 msec post-sound onset. Such findings are consistent with direct connections mediating early-latency, low-level multisensory interactions within visual cortices.

Visual cortex in Alzheimer's disease: occurrence of neuronal death and glial proliferation, and correlation with pathological hallmarks.

Visual areas 17 and 18 were studied with morphometric methods for numbers of neurons, glia, senile plaques (SP), and neurofibrillary tangles (NFT) in 13 cases of Alzheimer's disease (AD) as compared to 11 controls. In AD cases, the mean neuronal density was significantly decreased by about 30% in both areas 17 and 18, while the glial density was increased significantly only in area 17. The volume of area 17 was unchanged in AD cases but its total number of neurons was decreased by 33% and its total number of glia increased by 45% compared to controls. In AD the number of SP was similar in areas 17 and 18, while that of NFT was significantly higher in area 18. The number of neurons with NFT was only 2% in area 17 and about 10% in area 18. The discrepancy between the loss of neurons and the amount of NFT suggests that neuronal loss can occur without passing through NFT degeneration. The deposition of SP was correlated with glial proliferation, but not with neuronal loss or neurofibrillary degeneration.

Sensitivity of single-voxel 1H-MRS in investigating the metabolism of the activated human visual cortex at 7 T.

Proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) has been used in a number of studies to noninvasively assess the temporal changes of lactate in the activated human brain. However, the results have not been consistent. The aim of the present study was to test the sensitivity of 1H-MRS during functional experiments at the highest magnetic field currently available for human studies (7 T). Stability and reproducibility of the measurements were evaluated from LCModel analysis of time series of spectra measured during a visual stimulation paradigm and by examination of the difference between spectra obtained at rest and during activation. The sensitivity threshold to detect concentration changes was 0.2 micromol/g for most of the quantified metabolites. The possible variations of metabolite concentrations during visual stimulation were within the same range (+/-0.2 micromol/g). In addition, the influence of a small line-narrowing effect due to the blood oxygenation level-dependent (BOLD) T2* changes on the estimated concentrations was simulated. Quantification of metabolites was, in general, not affected beyond 1% by line-width changes within 0.5 Hz.

Effects of neurotrophins on synaptic protein expression in the visual cortex of dark reared rats.

Total lack of visual experience [dark rearing (DR)] is known to prolong the critical period and delay development of sensory functions in mammalian visual cortex. Recent results show that neurotrophins (NTs) counteract the effects of DR on functional properties of visual cortical cells and exert a strong control on critical period duration. NTs are known to modulate the development and synaptic efficacy of neurotransmitter systems that are affected by DR. However, it is still unknown whether the actions of NTs in dark-reared animals involve interaction with neurotransmitter systems. We have studied the effects of DR on the expression of key molecules in the glutamatergic and GABAergic systems in control and NT-treated animals. We have found that DR reduced the expression of the NMDA receptor 2A subunit and its associated protein PSD-95 (postsynaptic density-95), of GRIP (AMPA glutamate receptor interacting protein), and of the biosynthetic enzyme GAD (glutamic acid decarboxylase). Returning dark-reared animals to light for 2 hr restored normal expression of the above-mentioned proteins almost completely. NT treatment specifically counteracts DR effects; NGF acts primarily on the NMDA system, whereas BDNF acts primarily on the GABAergic system. Finally, the action of NT4 seems to involve both excitatory and inhibitory systems. These data demonstrate that different NTs counteract DR effects by modulating the expression of key molecules of the excitatory and inhibitory neurotransmitter systems

NADPH-diaphorase activity in area 17 of the squirrel monkey visual cortex: neuropil pattern, cell morphology and laminar distribution

We studied the distribution of NADPH-diaphorase activity in the visual cortex of normal adult New World monkeys (Saimiri sciureus) using the malic enzyme "indirect" method. NADPH-diaphorase neuropil activity had a heterogeneous distribution. In coronal sections, it had a clear laminar pattern that was coincident with Nissl-stained layers. In tangential sections, we observed blobs in supragranular layers of V1 and stripes throughout the entire V2. We quantified and compared the tangential distribution of NADPH-diaphorase and cytochrome oxidase blobs in adjacent sections of the supragranular layers of V1. Although their spatial distributions were rather similar, the two enzymes did not always overlap. The histochemical reaction also revealed two different types of stained cells: a slightly stained subpopulation and a subgroup of deeply stained neurons resembling a Golgi impregnation. These neurons were sparsely spined non-pyramidal cells. Their dendritic arbors were very well stained but their axons were not always evident. In the gray matter, heavily stained neurons showed different dendritic arbor morphologies. However, most of the strongly reactive cells lay in the subjacent white matter, where they presented a more homogenous morphology. Our results demonstrate that the pattern of NADPH-diaphorase activity is similar to that previously described in Old World monkeys

Les cartes fonctionnelles dans le cortex visuel du chat : nouvelles stratégies d’évaluation en imagerie optique et mise en évidence de l’organisation anatomo-fonctionnelle

Le regroupement des neurones de propriétés similaires est à l’origine de modules permettant d’optimiser l’analyse de l’information. La conséquence est la présence de cartes fonctionnelles dans le cortex visuel primaire de certains mammifères pour de nombreux paramètres tels que l’orientation, la direction du mouvement ou la position des stimuli (visuotopie). Le premier volet de cette thèse est consacré à caractériser l’organisation modulaire dans le cortex visuel primaire pour un paramètre fondamental, la suppression centre / pourtour et au delà du cortex visuel primaire (dans l’aire 21a), pour l’orientation et la direction. Toutes les études ont été effectuées à l’aide de l’imagerie optique des signaux intrinsèques sur le cortex visuel du chat anesthésié. La quantification de la modulation par la taille des stimuli à permis de révéler la présence de modules de forte et de faible suppression par le pourtour dans le cortex visuel primaire (aires 17 et 18). Ce type d’organisation n’avait été observé jusqu’ici que dans une aire de plus haut niveau hiérarchique chez le primate. Une organisation modulaire pour l’orientation, similaire à celle observée dans le cortex visuel primaire a été révélée dans l’aire 21a. Par contre, contrairement à l’aire 18, l’aire 21a ne semblait pas être organisée en domaine de direction. L’ensemble de ces résultats pourront permettre d’alimenter les connaissances sur l’organisation anatomo-fonctionnelle du cortex visuel du chat mais également de mieux comprendre les facteurs qui déterminent la présence d’une organisation modulaire. Le deuxième volet abordé dans cette thèse s’est intéressé à l’amélioration de l’aspect quantitatif apporté par l’analyse temporelle en imagerie optique des signaux intrinsèques. Cette nouvelle approche, basée sur l’analyse de Fourier a permis d’augmenter considérablement le rapport signal / bruit des enregistrements. Toutefois, cette analyse ne s’est basée jusqu’ici que sur la quantification d’une seule harmonique ce qui a limité son emploi à la cartographie de l’orientation et de rétinotopie uniquement. En exploitant les plus hautes harmoniques, un modèle a été proposé afin d’estimer la taille des champs récepteurs et la sélectivité à la direction. Ce modèle a par la suite été validé par des approches conventionnelles dans le cortex visuel primaire.

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

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

Pre-Attentive Segmentation in the Primary Visual Cortex

Stimuli outside classical receptive fields have been shown to exert significant influence over the activities of neurons in primary visual cortexWe propose that contextual influences are used for pre-attentive visual segmentation, in a new framework called segmentation without classification. This means that segmentation of an image into regions occurs without classification of features within a region or comparison of features between regions. This segmentation framework is simpler than previous computational approaches, making it implementable by V1 mechanisms, though higher leve l visual mechanisms are needed to refine its output. However, it easily handles a class of segmentation problems that are tricky in conventional methods. The cortex computes global region boundaries by detecting the breakdown of homogeneity or translation invariance in the input, using local intra-cortical interactions mediated by the horizontal connections. The difference between contextual influences near and far from region boundaries makes neural activities near region boundaries higher than elsewhere, making boundaries more salient for perceptual pop-out. This proposal is implemented in a biologically based model of V1, and demonstrated using examples of texture segmentation and figure-ground segregation. The model performs segmentation in exactly the same neural circuit that solves the dual problem of the enhancement of contours, as is suggested by experimental observations. Its behavior is compared with psychophysical and physiological data on segmentation, contour enhancement, and contextual influences. We discuss the implications of segmentation without classification and the predictions of our V1 model, and relate it to other phenomena such as asymmetry in visual search.

Vector-Based Integration of Local and Long-Range Information in Visual Cortex

Integration of inputs by cortical neurons provides the basis for the complex information processing performed in the cerebral cortex. Here, we propose a new analytic framework for understanding integration within cortical neuronal receptive fields. Based on the synaptic organization of cortex, we argue that neuronal integration is a systems--level process better studied in terms of local cortical circuitry than at the level of single neurons, and we present a method for constructing self-contained modules which capture (nonlinear) local circuit interactions. In this framework, receptive field elements naturally have dual (rather than the traditional unitary influence since they drive both excitatory and inhibitory cortical neurons. This vector-based analysis, in contrast to scalarsapproaches, greatly simplifies integration by permitting linear summation of inputs from both "classical" and "extraclassical" receptive field regions. We illustrate this by explaining two complex visual cortical phenomena, which are incompatible with scalar notions of neuronal integration.

Visual Segmentation without Classification in a Model of the Primary Visual Cortex

Stimuli outside classical receptive fields significantly influence the neurons' activities in primary visual cortex. We propose that such contextual influences are used to segment regions by detecting the breakdown of homogeneity or translation invariance in the input, thus computing global region boundaries using local interactions. This is implemented in a biologically based model of V1, and demonstrated in examples of texture segmentation and figure-ground segregation. By contrast with traditional approaches, segmentation occurs without classification or comparison of features within or between regions and is performed by exactly the same neural circuit responsible for the dual problem of the grouping and enhancement of contours.

Direct evidence for attention-dependent influences of the frontal eye-fields on feature-responsive visual cortex

Voluntary selective attention can prioritize different features in a visual scene. The frontal eye-fields (FEF) are one potential source of such feature-specific top-down signals, but causal evidence for influences on visual cortex (as was shown for "spatial" attention) has remained elusive. Here, we show that transcranial magnetic stimulation (TMS) applied to right FEF increased the blood oxygen level-dependent (BOLD) signals in visual areas processing "target feature" but not in "distracter feature"-processing regions. TMS-induced BOLD signals increase in motion-responsive visual cortex (MT+) when motion was attended in a display with moving dots superimposed on face stimuli, but in face-responsive fusiform area (FFA) when faces were attended to. These TMS effects on BOLD signal in both regions were negatively related to performance (on the motion task), supporting the behavioral relevance of this pathway. Our findings provide new causal evidence for the human FEF in the control of nonspatial "feature"-based attention, mediated by dynamic influences on feature-specific visual cortex that vary with the currently attended property.

Causal evidence for a privileged working memory state in early visual cortex

Emerging evidence suggests that items held in working memory(WM)might not all be in the same representational state. One item might be privileged over others, making it more accessible and thereby recalled with greater precision. Here, using transcranial magnetic stimulation (TMS), we provide causal evidence in human participants that items inWMare differentially susceptible to disruptive TMS, depending on their state, determined either by task relevance or serial position. Across two experiments, we applied TMS to area MT during the WM retention of two motion directions. In Experiment 1, we used an “incidental cue” to bring one of the two targets into a privileged state. In Experiment 2, we presented the targets sequentially so that the last item was in a privileged state by virtue of recency. In both experiments, recall precision of motion direction was differentially affected by TMS, depending on the state of the memory target at the time of disruption. Privileged items were recalled with less precision, whereas nonprivileged items were recalled with higher precision. Thus, only the privileged item was susceptible to disruptive TMS over MT�. By contrast, precision of the nonprivileged item improved either directly because of facilitation by TMS or indirectly through reduced interference from the privileged item. Our results provide a unique line of evidence, as revealed by TMS over a posterior sensory brain region, for at least two different states of item representation in WM.