Orientation-selective functional magnetic resonance imaging adaptation in primary visual cortex revisited

The processing of orientations is at the core of our visual experience. Orientation selectivity in human visual cortex has been inferred from psychophysical experiments and more recently demonstrated with functional magnetic resonance imaging (fMRI). One method to identify orientation-selective responses is fMRI adaptation, in which two stimuli—either with the same or with different orientations—are presented successively. A region containing orientation-selective neurons should demonstrate an adapted response to the “same orientation” condition in contrast to the “different orientation” condition. So far, human primary visual cortex (V1) showed orientation-selective fMRI adaptation only in experimental designs using prolonged pre-adaptation periods (∼40 s) in combination with top-up stimuli that are thought to maintain the adapted level. This finding has led to the notion that orientation-selective short-term adaptation in V1 (but not V2 or V3) cannot be demonstrated using fMRI. The present study aimed at re-evaluating this question by testing three differently timed adaptation designs. With the use of a more sensitive analysis technique, we show robust orientation-selective fMRI adaptation in V1 evoked by a short-term adaptation design.

Brain activity in visual cortex predicts individual differences in reading performance

The relationship between brain activity and reading performance was examined to test the hypothesis that dyslexia involves a deficit in a specific visual pathway known as the magnocellular (M) pathway. Functional magnetic resonance imaging was used to measure brain activity in dyslexic and control subjects in conditions designed to preferentially stimulate the M pathway. Dyslexics showed reduced activity compared with controls both in the primary visual cortex and in a secondary cortical visual area (MT+) that is believed to receive a strong M pathway input. Most importantly, significant correlations were found between individual differences in reading rate and brain activity. These results support the hypothesis for an M pathway abnormality in dyslexia and imply a strong relationship between the integrity of the M pathway and reading ability.

Effects of muscarinic blockade in perirhinal cortex during visual recognition

Stimulus recognition in monkeys is severely impaired by destruction or dysfunction of the perirhinal cortex and also by systemic administration of the cholinergic-muscarinic receptor blocker, scopolamine. These two effects are shown here to be linked: Stimulus recognition was found to be significantly impaired after bilateral microinjection of scopolamine directly into the perirhinal cortex, but not after equivalent injections into the laterally adjacent visual area TE or into the dentate gyrus of the overlying hippocampal formation. The results suggest that the formation of stimulus memories depends critically on cholinergic-muscarinic activation of the perirhinal area, providing a new clue to how stimulus representations are stored.

Dynamics of subjective contour formation in the early visual cortex

To elucidate the roles of visual areas V1 and V2 and their interaction in early perceptual processing, we studied the responses of V1 and V2 neurons to statically displayed Kanizsa figures. We found evidence that V1 neurons respond to illusory contours of the Kanizsa figures. The illusory contour signals in V1 are weaker than in V2, but are significant, particularly in the superficial layers. The population averaged response to illusory contours emerged 100 msec after stimulus onset in the superficial layers of V1, and around 120–190 msec in the deep layers. The illusory contour response in V2 began earlier, occurring at 70 msec in the superficial layers and at 95 msec in the deep layers. The temporal sequence of the events suggests that the computation of illusory contours involves intercortical interaction, and that early perceptual organization is likely to be an interactive process.

Visual habit formation in monkeys with neurotoxic lesions of the ventrocaudal neostriatum

Visual habit formation in monkeys, assessed by concurrent visual discrimination learning with 24-h intertrial intervals (ITI), was found earlier to be impaired by removal of the inferior temporal visual area (TE) but not by removal of either the medial temporal lobe or inferior prefrontal convexity, two of TE's major projection targets. To assess the role in this form of learning of another pair of structures to which TE projects, namely the rostral portion of the tail of the caudate nucleus and the overlying ventrocaudal putamen, we injected a neurotoxin into this neostriatal region of several monkeys and tested them on the 24-h ITI task as well as on a test of visual recognition memory. Compared with unoperated monkeys, the experimental animals were unaffected on the recognition test but showed an impairment on the 24-h ITI task that was highly correlated with the extent of their neostriatal damage. The findings suggest that TE and its projection areas in the ventrocaudal neostriatum form part of a circuit that selectively mediates visual habit formation.

Contextual effects in speed perception may occur at an early stage of processing

How does nearby motion affect the perceived speed of a target region? When a central drifting Gabor patch is surrounded by translating noise, its speed can be misperceived over a fourfold range. Typically, when a surround moves in the same direction, perceived centre speed is reduced; for opposite-direction surrounds it increases. Measuring this illusion for a variety of surround properties reveals that the motion context effects are a saturating function of surround speed (Experiment I) and contrast (Experiment II). Our analyses indicate that the effects are consistent with a subtractive process, rather than with speed being averaged over area. In Experiment III we exploit known properties of the motion system to ask where these surround effects impact. Using 2D plaid stimuli, we find that surround-induced shifts in perceived speed of one plaid component produce substantial shifts in perceived plaid direction. This indicates that surrounds exert their influence early in processing, before pattern motion direction is computed. These findings relate to ongoing investigations of surround suppression for direction discrimination, and are consistent with single-cell findings of direction-tuned suppressive and facilitatory interactions in primary visual cortex (V1).

Retinotopic mapping of the primary visual cortex - a challenge for MEG imaging of the human cortex

Magnetoencephalography (MEG) can be used to reconstruct neuronal activity with high spatial and temporal resolution. However, this reconstruction problem is ill-posed, and requires the use of prior constraints in order to produce a unique solution. At present there are a multitude of inversion algorithms, each employing different assumptions, but one major problem when comparing the accuracy of these different approaches is that often the true underlying electrical state of the brain is unknown. In this study, we explore one paradigm, retinotopic mapping in the primary visual cortex (V1), for which the ground truth is known to a reasonable degree of accuracy, enabling the comparison of MEG source reconstructions with the true electrical state of the brain. Specifically, we attempted to localize, using a beanforming method, the induced responses in the visual cortex generated by a high contrast, retinotopically varying stimulus. Although well described in primate studies, it has been an open question whether the induced gamma power in humans due to high contrast gratings derives from V1 rather than the prestriate cortex (V2). We show that the beanformer source estimate in the gamma and theta bands does vary in a manner consistent with the known retinotopy of V1. However, these peak locations, although retinotopically organized, did not accurately localize to the cortical surface. We considered possible causes for this discrepancy and suggest that improved MEG/magnetic resonance imaging co-registration and the use of more accurate source models that take into account the spatial extent and shape of the active cortex may, in future, improve the accuracy of the source reconstructions.

Cortex, cognition and the cell: New insights into the pyramidal neuron and prefrontal function

Arguably the most complex conical functions are seated in human cognition, the how and why of which have been debated for centuries by theologians, philosophers and scientists alike. In his best-selling book, An Astonishing Hypothesis: A Scientific Search for the Soul, Francis Crick refined the view that these qualities are determined solely by cortical cells and circuitry. Put simply, cognition is nothing more, or less, than a biological function. Accepting this to be the case, it should be possible to identify the mechanisms that subserve cognitive processing. Since the pioneering studies of Lorent de No and Hebb, and the more recent studies of Fuster, Miller and Goldman-Rakic, to mention but a few, much attention has been focused on the role of persistent neural activity in cognitive processes. Application of modern technologies and modelling techniques has led to new hypotheses about the mechanisms of persistent activity. Here I focus on how regional variations in the pyramidal cell phenotype may determine the complexity of cortical circuitry and, in turn, influence neural activity. Data obtained from thousands of individually injected pyramidal cells in sensory, motor, association and executive cortex reveal marked differences in the numbers of putative excitatory inputs received by these cells. Pyramidal cells in prefrontal cortex have, on average, up to 23 times more dendritic spines than those in the primary visual area. I propose that without these specializations in the structure of pyramidal cells, and the circuits they form, human cognitive processing would not have evolved to its present state. I also present data from both New World and Old World monkeys that show varying degrees of complexity in the pyramidal cell phenotype in their prefrontal cortices, suggesting that cortical circuitry and, thus, cognitive styles are evolving independently in different species.

Attentionale Modulationen neuronaler Aktivität im primär visuellen Kortex

Visual attention, V1, primary visual cortex, fmri, EEG, MEG, feedback modulation

Using high-resolution quantitative mapping of R1 as an index of cortical myelination

A fundamental tenet of neuroscience is that cortical functional differentiation is related to the cross-areal differences in cyto-, receptor-, and myeloarchitectonics that are observed in ex-vivo preparations. An ongoing challenge is to create noninvasive magnetic resonance (MR) imaging techniques that offer sufficient resolution, tissue contrast, accuracy and precision to allow for characterization of cortical architecture over an entire living human brain. One exciting development is the advent of fast, high-resolution quantitative mapping of basic MR parameters that reflect cortical myeloarchitecture. Here, we outline some of the theoretical and technical advances underlying this technique, particularly in terms of measuring and correcting for transmit and receive radio frequency field inhomogeneities. We also discuss new directions in analytic techniques, including higher resolution reconstructions of the cortical surface. We then discuss two recent applications of this technique. The first compares individual and group myelin maps to functional retinotopic maps in the same individuals, demonstrating a close relationship between functionally and myeloarchitectonically defined areal boundaries (as well as revealing an interesting disparity in a highly studied visual area). The second combines tonotopic and myeloarchitectonic mapping to localize primary auditory areas in individual healthy adults, using a similar strategy as combined electrophysiological and post-mortem myeloarchitectonic studies in non-human primates.

The natural hallucinogen 5-MeO-DMT, component of Ayahuasca, disrupts cortical function in rats: reversal by antipsychotic drugs

5-Methoxy-N,N-dimethyltryptamine (5-MeO-DMT) is a natural hallucinogen component of Ayahuasca, an Amazonian beverage traditionally used for ritual, religious and healing purposes that is being increasingly used for recreational purposes in US and Europe. 5MeO-DMT is of potential interest for schizophrenia research owing to its hallucinogenic properties. Two other psychotomimetic agents, phencyclidine and 2,5-dimethoxy-4-iodo-phenylisopropylamine (DOI), markedly disrupt neuronal activity and reduce the power of low frequency cortical oscillations (<4 Hz, LFCO) in rodent medial prefrontal cortex (mPFC). Here we examined the effect of 5-MeO-DMT on cortical function and its potential reversal by antipsychotic drugs. Moreover, regional brain activity was assessed by blood-oxygen level dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI). 5-MeO-DMT disrupted mPFC activity, increasing and decreasing the discharge of 51 and 35% of the recorded pyramidal neurons, and reducing (−31%) the power of LFCO. The latter effect depended on 5-HT1A and 5-HT2A receptor activation and was reversed by haloperidol, clozapine, risperidone, and the mGlu2/3 agonist LY379268. Likewise, 5-MeO-DMT decreased BOLD responses in visual cortex (V1) and mPFC. The disruption of cortical activity induced by 5-MeO-DMT resembles that produced by phencyclidine and DOI. This, together with the reversal by antipsychotic drugs, suggests that the observed cortical alterations are related to the psychotomimetic action of 5-MeO-DMT. Overall, the present model may help to understand the neurobiological basis of hallucinations and to identify new targets in antipsychotic drug development.

Plasticité intermodale chez le hamster énucléé à la naissance : Études de la distribution des interneurones CaBPir dans les cortex visuel et auditif primaires.

La période postnatale et l’expérience sensorielle sont critiques pour le développement du système visuel. Les interneurones inhibiteurs exprimant l’acide γ-aminobutyrique (GABA) jouent un rôle important dans le contrôle de l’activité neuronale, le raffinement et le traitement de l’information sensorielle qui parvient au cortex cérébral. Durant le développement, lorsque le cortex cérébral est très susceptible aux influences extrinsèques, le GABA agit dans la formation des périodes critiques de sensibilité ainsi que dans la plasticité dépendante de l’expérience. Ainsi, ce système inhibiteur servirait à ajuster le fonctionnement des aires sensorielles primaires selon les conditions spécifiques d’activité en provenance du milieu, des afférences corticales (thalamiques et autres) et de l’expérience sensorielle. Certaines études montrent que des différences dans la densité et la distribution de ces neurones inhibiteurs corticaux reflètent les caractéristiques fonctionnelles distinctes entre les différentes aires corticales. La Parvalbumine (PV), la Calretinine (CR) et la Calbindine (CB) sont des protéines chélatrices du calcium (calcium binding proteins ou CaBPs) localisées dans différentes sous-populations d’interneurones GABAergiques corticaux. Ces protéines tamponnent le calcium intracellulaire de sorte qu’elles peuvent moduler différemment plusieurs fonctions neuronales, notamment l’aspect temporel des potentiels d’action, la transmission synaptique et la potentialisation à long terme. Plusieurs études récentes montrent que les interneurones immunoréactifs (ir) aux CaBPs sont également très sensibles à l’expérience et à l’activité sensorielle durant le développement et chez l’adulte. Ainsi, ces neurones pourraient avoir un rôle crucial à jouer dans le phénomène de compensation ou de plasticité intermodale entre les cortex sensoriels primaires. Chez le hamster (Mesocricetus auratus), l’énucléation à la naissance fait en sorte que le cortex visuel primaire peut être recruté par les autres modalités sensorielles, telles que le toucher et l’audition. Suite à cette privation oculaire, il y a établissement de projections ectopiques permanentes entre les collicules inférieurs (CI) et le corps genouillé latéral (CGL). Ceci a pour effet d’acheminer l’information auditive vers le cortex visuel primaire (V1) durant le développement postnatal. À l’aide de ce modèle, l’objectif général de ce projet de thèse est d’étudier l’influence et le rôle de l’activité sensorielle sur la distribution et l’organisation des interneurones corticaux immunoréactifs aux CaBPs dans les aires sensorielles visuelle et auditive primaires du hamster adulte. Les changements dans l’expression des CaBPs ont été déterminés d’une manière quantitative en évaluant les profils de distribution laminaire de ces neurones révélés par immunohistochimie. Dans une première expérience, nous avons étudié la distribution laminaire des CaBPs dans les aires visuelle (V1) et auditive (A1) primaires chez le hamster normal adulte. Les neurones immunoréactifs à la PV et la CB, mais non à la CR, sont distribués différemment dans ces deux cortex primaires dédiés à une modalité sensorielle différente. Dans une deuxième étude, une comparaison a été effectuée entre des animaux contrôles et des hamsters énucléés à la naissance. Cette étude montre que le cortex visuel primaire de ces animaux adopte une chimioarchitecture en PV similaire à celle du cortex auditif. Nos recherches montrent donc qu’une suppression de l’activité visuelle à la naissance peut influencer l’expression des CaBPs dans l’aire V1 du hamster adulte. Ceci suggère également que le type d’activité des afférences en provenance d’autres modalités sensorielles peut moduler, en partie, une circuiterie corticale en CaBPs qui lui est propre dans le cortex hôte ou recruté. Ainsi, nos travaux appuient l’hypothèse selon laquelle il serait possible que certaines de ces sous-populations d’interneurones GABAergiques jouent un rôle crucial dans le phénomène de la plasticité intermodale.

Effets de l’alcoolisme fœtal sur le développement du corps genouillé latéral du singe

L’exposition du fœtus à l’éthanol est reconnue comme étant la principale cause de maladies évitables lors du développement. Une forte exposition à l’alcool durant la gestation peut occasionner des dysmorphies cranio-faciales et des retards mentaux, ainsi que des troubles d’apprentissages et du comportement. Le développement du système visuel est également perturbé chez une grande majorité d’enfants qui ont été exposés à l’alcool. Lorsque les doses prises sont élevées, le système visuel peut présenter une panoplie de symptômes comme une augmentation de la tortuosité des vaisseaux rétiniens, de la myopie, de l’hypermétropie, du strabisme et une hypoplasie du nerf optique. Cependant, très peu d’études se sont penchées sur les effets de plus faibles doses sur le développement du système visuel du primate. Le singe est un excellent modèle pour étudier le système visuel car il possède plusieurs similitudes avec l’humain tant au niveau développemental qu’au niveau structurel. De plus, le singe utilisé, le Chlrocebus aethiops sabeus, possède l’avantage que des individus de cette espèce ont une consommation naturelle et volontaire à l’alcool. Une étude (Clarren et al., 1990) a suggéré qu’une faible exposition à l’alcool du fœtus du primate non humain occasionnait une diminution du nombre de cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs). Étant donné que le corps genouillé latéral dorsal (CGLd) reçoit la plupart de ses intrants de la rétine, il est raisonnable d’assumer que les couches rétino-récipientes du CGLd devraient être aussi affectées. Nous avons alors émis l’hypothèse que le CGLd devrait également subir une diminution du nombre de neurones. Pour la première fois, nous avons utilisé une méthode stéréologique pour quantifier le nombre de cellules dans les couches parvo- (P) et magnocellulaires (M) du CGLd. Contrairement à notre hypothèse de départ, nous n’avons pas observé de diminution dans le nombre global de neurones dans le CGLd des animaux exposés à l’alcool par rapport à des sujets contrôles, ni une diminution de son volume. Nous avons toutefois observé une diminution de la taille du corps cellulaire seulement dans la population M du CGLd. Ces résultats suggèrent que le système visuel est affecté par une faible exposition à l’alcool durant son développement qui devrait se traduire sur le comportement par des déficits dans les fonctions de la voie M.

Codage de l’information visuelle par la plasticité et la synchronisation des réponses neuronales dans le cortex visuel primaire du chat

Les systèmes sensoriels encodent l’information sur notre environnement sous la forme d’impulsions électriques qui se propagent dans des réseaux de neurones. Élucider le code neuronal – les principes par lesquels l’information est représentée dans l’activité des neurones – est une question fondamentale des neurosciences. Cette thèse constituée de 3 études (E) s’intéresse à deux types de codes, la synchronisation et l’adaptation, dans les neurones du cortex visuel primaire (V1) du chat. Au niveau de V1, les neurones sont sélectifs pour des propriétés comme l’orientation des contours, la direction et la vitesse du mouvement. Chaque neurone ayant une combinaison de propriétés pour laquelle sa réponse est maximale, l’information se retrouve distribuée dans différents neurones situés dans diverses colonnes et aires corticales. Un mécanisme potentiel pour relier l’activité de neurones répondant à des items eux-mêmes reliés (e.g. deux contours appartenant au même objet) est la synchronisation de leur activité. Cependant, le type de relations potentiellement encodées par la synchronisation n’est pas entièrement clair (E1). Une autre stratégie de codage consiste en des changements transitoires des propriétés de réponse des neurones en fonction de l’environnement (adaptation). Cette plasticité est présente chez le chat adulte, les neurones de V1 changeant d’orientation préférée après exposition à une orientation non préférée. Cependant, on ignore si des neurones spatialement proches exhibent une plasticité comparable (E2). Finalement, nous avons étudié la dynamique de la relation entre synchronisation et plasticité des propriétés de réponse (E3). Résultats principaux — (E1) Nous avons montré que deux stimuli en mouvement soit convergent soit divergent élicitent plus de synchronisation entre les neurones de V1 que deux stimuli avec la même direction. La fréquence de décharge n’était en revanche pas différente en fonction du type de stimulus. Dans ce cas, la synchronisation semble coder pour la relation de cocircularité dont le mouvement convergent (centripète) et divergent (centrifuge) sont deux cas particuliers, et ainsi pourrait jouer un rôle dans l’intégration des contours. Cela indique que la synchronisation code pour une information qui n’est pas présente dans la fréquence de décharge des neurones. (E2) Après exposition à une orientation non préférée, les neurones changent d’orientation préférée dans la même direction que leurs voisins dans 75% des cas. Plusieurs propriétés de réponse des neurones de V1 dépendent de leur localisation dans la carte fonctionnelle corticale pour l’orientation. Les comportements plus diversifiés des 25% de neurones restants sont le fait de différences fonctionnelles que nous avons observé et qui suggèrent une localisation corticale particulière, les singularités, tandis que la majorité des neurones semblent situés dans les domaines d’iso-orientation. (E3) Après adaptation, les paires de neurones dont les propriétés de réponse deviennent plus similaires montrent une synchronisation accrue. Après récupération, la synchronisation retourne à son niveau initial. Par conséquent, la synchronisation semble refléter de façon dynamique la similarité des propriétés de réponse des neurones. Conclusions — Cette thèse contribue à notre connaissance des capacités d’adaptation de notre système visuel à un environnement changeant. Nous proposons également des données originales liées au rôle potentiel de la synchronisation. En particulier, la synchronisation semble capable de coder des relations entre objets similaires ou dissimilaires, suggérant l’existence d’assemblées neuronales superposées.

Étude du traitement visuel simple et complexe chez les enfants autistes

Les personnes ayant un trouble du spectre autistique (TSA) manifestent des particularités perceptives. En vision, des travaux influents chez les adultes ont mené à l’élaboration d’un modèle explicatif du fonctionnement perceptif autistique qui suggère que l’efficacité du traitement visuel varie en fonction de la complexité des réseaux neuronaux impliqués (Hypothèse spécifique à la complexité). Ainsi, lorsque plusieurs aires corticales sont recrutées pour traiter un stimulus complexe (e.g., modulations de texture; attributs de deuxième ordre), les adultes autistes démontrent une sensibilité diminuée. À l’inverse, lorsque le traitement repose principalement sur le cortex visuel primaire V1 (e.g., modulations locales de luminance; attributs de premier ordre), leur sensibilité est augmentée (matériel statique) ou intacte (matériel dynamique). Cette dissociation de performance est spécifique aux TSA et peut s’expliquer, entre autre, par une connectivité atypique au sein de leur cortex visuel. Les mécanismes neuronaux précis demeurent néanmoins méconnus. De plus, on ignore si cette signature perceptuelle est présente à l’enfance, information cruciale pour les théories perceptives de l’autisme. Le premier volet de cette thèse cherche à vérifier, à l’aide de la psychophysique et l’électrophysiologie, si la double dissociation de performance entre les attributs statiques de premier et deuxième ordre se retrouve également chez les enfants autistes d’âge scolaire. Le second volet vise à évaluer chez les enfants autistes l’intégrité des connexions visuelles descendantes impliquées dans le traitement des textures. À cet effet, une composante électrophysiologique reflétant principalement des processus de rétroaction corticale a été obtenue lors d’une tâche de ségrégation des textures. Les résultats comportementaux obtenus à l’étude 1 révèlent des seuils sensoriels similaires entre les enfants typiques et autistes à l’égard des stimuli définis par des variations de luminance et de texture. Quant aux données électrophysiologiques, il n’y a pas de différence de groupe en ce qui concerne le traitement cérébral associé aux stimuli définis par des variations de luminance. Cependant, contrairement aux enfants typiques, les enfants autistes ne démontrent pas une augmentation systématique d’activité cérébrale en réponse aux stimuli définis par des variations de texture pendant les fenêtres temporelles préférentiellement associées au traitement de deuxième ordre. Ces différences d’activation émergent après 200 ms et engagent les aires visuelles extrastriées des régions occipito-temporales et pariétales. Concernant la connectivité cérébrale, l’étude 2 indique que les connexions visuelles descendantes sont fortement asymétriques chez les enfants autistes, en défaveur de la région occipito-temporale droite. Ceci diffère des enfants typiques pour qui le signal électrophysiologique reflétant l’intégration visuo-corticale est similaire entre l’hémisphère gauche et droit du cerveau. En somme, en accord avec l’hypothèse spécifique à la complexité, la représentation corticale du traitement de deuxième ordre (texture) est atypiquement diminuée chez les enfants autistes, et un des mécanismes cérébraux impliqués est une altération des processus de rétroaction visuelle entre les aires visuelles de haut et bas niveau. En revanche, contrairement aux résultats obtenus chez les adultes, il n’y a aucun indice qui laisse suggérer la présence de mécanismes supérieurs pour le traitement de premier ordre (luminance) chez les enfants autistes.