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.

Asymétries fonctionnelles du cortex visuel observées par spectroscopie proche de l’infrarouge fonctionnelle

Les objectifs de ce mémoire sont d’étudier la rétinotopie et les asymétries fonctionnelles du cortex visuel chez l’humain avec la spectroscopie proche de l’infrarouge fonctionnelle (SPIRf), tout en confirmant la fiabilité de cette technique. Tel qu’attendu, les résultats montrent une activation plus forte dans l’hémisphère controlatéral et dans le cortex haut/bas inverse à l’hémichamp stimulé. Nous avons également mesuré une activation significativement plus forte dans le cortex visuel supérieur (lorsque le champ visuel inférieur était stimulé) que l’activation dans le cortex visuel inférieur (lorsque le champ visuel supérieur était stimulé), surtout lorsque ces stimuli étaient présentés dans le champ visuel droit. Il s’agit de la première étude en SPIRf à observer les asymétries horizontale et verticale du cortex visuel et à ainsi confirmer l’existence de ces asymétries. Cette étude témoigne également de la fiabilité de la SPIRf comme technique d’imagerie pour cartographier le cerveau humain.

Mécanismes cérébraux de la régulation de la douleur : perception de la douleur et hypoalgésie induite psychologiquement

Objectif : Cette thèse a pour but de préciser les mécanismes neuropsychologiques de la douleur, de la régulation endogène de la douleur et de l'hypoalgésie induite psychologiquement (HIP) par la synthèse de près de trente ans de recherche imagerie cérébrale fonctionnelle. Méthodologie : Étant donné l'abondance des études sur le sujet et le manque d'intégration de leurs résultats, la technique de métaanalyse quantitative basée sur les coordonnées d'activation cérébrale fut privilégiée dans cette thèse, telle qu’implémentée dans l'algorithme ALE (Activation Likelyhood Estimate). Une force supplémentaire de cette thèse repose sur la rigueur du processus de sélection des articles. En effet, les études incluses dans les métaanalyses devaient satisfaire des critères stricts d'inclusion, ceci dans le but de favoriser la précision et la validité des conclusions subséquentes. Étude 1 : Le premier article visait à identifier les aires cérébrales impliquées dans la réduction de la douleur par des méthodes psychologiques d'interventions. Les articles retenus portent sur une variété de méthodes d'intervention, telles que le placebo, l'hypnose, la méditation, la perception de contrôle sur la stimulation douloureuse et l'induction d'émotions. Les résultats indiquent que l'HIP implique un vaste réseau d'activation qui comprend le cortex cingulaire antérieur, l'insula antérieure, les zones orbitofrontale et préfrontale latérale, ainsi que les régions pariétale, temporale et souscorticales. Ces activations reflèteraient l'implication des mécanismes neuropsychologiques cognitifs et émotionnels sous-tendent les interventions psychologiques ciblées par ces études, incluant la conscience de soi et la motivation. De plus, les divergences de patron d'activation entre les approches ont été explorées, notamment pour le placebo et la distraction. Étude 2 : Le deuxième article a identifié des patrons d'activations préférentiellement associés à la perception de la douleur, à l'HIP, ainsi que des activations communément associées à la douleur et l'HIP. Les résultats indiquent que 1) la perception de la douleur est associée à l'activation d'aires somatosensorielles et motrices, ce qui pourrait être le reflet de la préparation d'une action adaptative, 2) l'HIP est liée à l'engagement de régions préfrontales antéromédianes et orbitales, possiblement en lien avec des processus motivationnels et émotionnels, et 3) la douleur et l'HIP sont associés à l'activation d'aires préfrontales dorsolatérales, de l'insula antérieure et du cortex cingulaire moyen, ce qui pourrait refléter l'engagement spontané pendant la douleur de mécanismes endogènes de régulation descendante. Conclusion : Par ces études, cette thèse fait le point sur les mécanismes cérébraux impliqués différentiellement dans la perception de la douleur, dans sa régulation endogène et dans l'hypoalgésie induite psychologiquement.

Étude des interactions interhémisphériques entre les représentations des muscles de l'épaule et du tronc dans le cortex moteur primaire.

Après un accident vasculaire cérébral (AVC), 30% des personnes ont une atteinte de la fonction motrice du membre supérieur. Un des mécanismes pouvant intervenir dans la récupération motrice après un AVC est la réorganisation des interactions interhémisphériques. À ce jour, la plupart des études se sont intéressées aux interactions entre les représentations des muscles de la main. Or la réalisation de mouvements de la main nécessite une coordination précise des muscles proximaux de l’épaule et le maintien d’une stabilité assurée par les muscles du tronc. Cependant, il existe peu d’informations sur le contrôle interhémisphérique de ces muscles. Ainsi, l’objectif de cette étude était de caractériser les interactions entre les représentations corticales des muscles proximaux (Deltoïde antérieur (DA)), et axiaux (Erecteur spinal (ES L1)) chez le sujet sain et de les comparer avec les interactions interhémisphériques entre les représentations des muscles distaux (1er interosseux dorsal (FDI)). Deux techniques de stimulation magnétique transcrânienne ont été utilisées pour évaluer ces interactions. La stimulation du cortex moteur ipsilatéral évoque une période de silence ipsilatérale (iSP)-reflétant l’inhibition interhémiphérique-dans le FDI et le DA. Dans ES L1, l’iSP est précédée d’une facilitation. Le paradigme de l’impulsion pairée démontre aussi la présence d’inhibition interhémisphérique dans les trois muscles. Ces résultats suggèrent un patron distinct d’interactions réciproques entre les représentations des muscles distaux, proximaux et axiaux qui peut être expliqué à la fois par des changements d’excitabilité au niveau cortical et sous-cortical. Ces résultats pourraient servir de bases normatives afin d’évaluer les changements survenant suite à un AVC.

Les effets de la stimulation électrique transcrânienne à courant direct appliquée au cortex somatosensoriel primaire sur la perception vibrotactile

La stimulation électrique transcrânienne à courant direct (tDCS) est une technique non invasive de neuromodulation qui modifie l’excitabilité corticale via deux grosses électrodes de surface. Les effets dépendent de la polarité du courant, anodique = augmentation de l’excitabilité corticale et cathodique = diminution. Chez l’humain, il n’existe pas de consensus sur des effets de la tDCS appliquée au cortex somatosensoriel primaire (S1) sur la perception somesthésique. Nous avons étudié la perception vibrotactile (20 Hz, amplitudes variées) sur le majeur avant, pendant et après la tDCS appliquée au S1 controlatéral (anodale, a; cathodale, c; sham, s). Notre hypothèse « shift-gain » a prédit une diminution des seuils de détection et de discrimination pour la tDCS-a (déplacement vers la gauche de la courbe stimulus-réponse et une augmentation de sa pente). On attendait les effets opposés avec la tDCS-c, soit une augmentation des seuils (déplacement à droite et diminution de la pente). Chez la majorité des participants, des diminutions des seuils ont été observées pendant et immédiatement suivant la tDCS-a (1 mA, 20 min) en comparaison à la stimulation sham. Les effets n’étaient plus présents 30 min plus tard. Une diminution du seuil de discrimination a également été observée pendant, mais non après la tDCS-c (aucun effet pour détection). Nos résultats supportent notre hypothèse, uniquement pour la tDCS-a. Une suite logique serait d’étudier si des séances répétées de tDCS-a mènent à des améliorations durables sur la perception tactile. Ceci serait bénéfique pour la réadaptation sensorielle (ex. suite à un accident vasculaire cérébral).

Origine des projections sensorimotrices dans des sous-régions du cortex moteur primaire chez le singe capucin.

Certaines études ont démontrés que les connexions entre l’aire prémotrice ventrale (PMv) et la région de la main du cortex moteur primaire (M1) sont distribuées non-uniformément, ciblant des sous-régions spécifiques dans M1. Dans la présente étude nous avons voulu développer ces résultats en étudiant la distribution au sein de M1 des projections corticales issues de PMv, l’aire prémotrice dorsale (PMd), l’aire motrice supplémentaire (SMA) et les aires pariétales 1, 2 et 5. Pour se faire, nous avons combiné des approches électrophysiologiques et anatomiques chez trois singes naïfs du Nouveau Monde (Cebus apella) pour examiner l’organisation et la spécificité topographique des projections corticales dans M1. Nos résultats indiquent que quatre sous-régions à l’intérieur de la région dédiée à la main reçoivent des inputs prédominants de différentes aires sensorimotrices. Ces résultats suggèrent que des sous-régions de M1 puissent avoir des fonctions spécifiques pour le contrôle moteur de la main et des doigts.

Decreased 5-HT2C receptor binding in the cerebral cortex and brain stem during pancreatic regeneration in rats

The purpose of this study was to investigate the role of central 5-HT2C receptor binding in rat model of pancreatic regeneration using 60-70% pancreatectomy. The 5-HT and 5-HT2c receptor kinetics were studied in cerebral cortex and brain stem of sham operated, 72 h pancreatectomised and 7 days pancreatectomised rats. Scatchard analysis with [3H] mesulergine in cerebral cortex showed a significant decrease (p < 0.05) in maximal binding (B^,ax) without any change in Kd in 72 h pancreatectomised rats compared with sham. The decreased Bmax reversed to sham level by 7 days after pancreatectomy. In brain stem , Scatchard analysis showed a significant decrease (p < 0.01) in Bax with a significant increase (p < 0.01) in Kd. Competition analysis in brain stem showed a shift in affinity towards a low affinity. These parameters were reversed to sham level by 7 days after pancreatectomy. Thus the results suggest that 5-HT through the 5-HT2C receptor in the brain has a functional regulatory role in the pancreatic regeneration. (Mol Cell Biochem 272: 165-170, 2005)

Decreased 5-F{T1fti Receor Gene Expression and 5-F4T11 Receptor Protein in the Cerebra'' Cortex and Brain Stem during Pancreatic Regenera tion in Rats

The present study was to investigate the rote of central 5-11T and 5-HT,:v receptor Lindin4o and acne expression in it 'at mo(lel of pancreatic regeneration using 60" -, pancreatcutumy. The pancreatic regeneration was evaluated by 5-HT content and 5-HT,,receptor gene expression in the cerebral cortex (CC) and brain stem MS) of Alain opcrate,t, 7 It utd 7 (.lays panereatectomised rats. 5-11T content significantly increased in the CC' (I' 1.1)11 and 13S (P 0.05) of 72 Ii p.ntcreateetomiscd rats. Sympathetic activity was decreased as indicated by the significantly decreased norcpiuephrine (NIi) and epinephrine (FTI) Icvcl (1' < 0.001 and P < 0.05) in the plasma of 72 h panereateetomised rats. 5-111 ,^, receptor density and affinity was decreased in the CC (P < 0.01) and BS (P < 0.01). These rh:)nge; correlated with a diminished 5-IITIA receptor mRNA expression in the brain region. studied. Our resuils suggest that the brain 5-11T through 5-HTin receptor has it funcuon:0 rule iii 11w pi+ncreatic regcner:ttion through the sympathetic regulation.

Decreased (x1-Adrenergic Receptor Binding in the Cerebral Cortex and Brain Stem during Pancreatic Regeneration in Rats

purpose of this study was to investigate the role of brain al-adrenergic receptor binding in the rat model of pancreatic regeneration using 60-70% pancre:dectorny. The a, -adrenergic receptors kinetics was studied in the cerebral cor:cx and brain stem of sham operated . 72 It pan- crea(ectoinised and 7 days pancreatectomised rats. Scar chard analysis with I `I I lprazocin in cerebral cartes and brain stein showed a significant decrease (/' < 0.01). (P < 0.05) in maximal binding ( 1),,,,,) with it significant decrease (P < 0.001 ), ( P < 0.01) in the K,,in 72 It pancreatecto- raised rats compared with sham , respectively . Competition analysis in cerebral cortex and brain stem showed it shift in affinity during pancreatic regeneration . The sympathetic activity was decreased as indicated by the significantly de- increased norepinephrine level in the plasma (P < 0.001), cerebral cortex (P < 0.01) and brain stem (P < 0.001) of 72 h pancreatectomised rats compared to sham . Thus, from our results it is suggested that the central a, -adrenergic receptors have a functional role in the pancreatic regenera- Lion mediated through the sympathetic pathway.

Increased 5-HT2C Receptor Binding in the Brain Stem And Cerebral Cortex During Liver Regeneration And Hepatic Neoplasia In Rats

In the present study, serotonin 2C (5-HT2c) receptor binding parameters in the brainstem and cerebral cortex were investigated during liver generation after partial hepatectomy (PH) and N-nitrosodiethylamine (NDEA) induced hepatic neoplasia in male Wistar rats. The serotonin content increased significantly (p<0.01) in the cerebral cortex after PH and in NDEA induced hepatic neoplasia. Brain stem serotonin content increased significantly (p<0.05) after PH and (p<0.001) in NDEA induced hepatic neoplasia. The number and affinity of the 5-HT2c receptors in the crude synaptic membrane preparations of the brain stem showed a significant (p<0.001) increase after PH and in NDEA induced hepatic neoplasia. The number and affinity of 5-HT2c receptors increased significantly (p<0.001) in NDEA induced hepatic neoplasia in the crude synaptic membrane preparations of the cerebral cortex. There was a significant (p<0.01) increase in plasma norepinephrine in PH and (p<0.001) in NDEA induced hepatic neoplasia, indicating sympathetic stimulation. Thus, our results suggest that during active hepatocyte proliferation 5-HT2c receptor in the brain stem and cerebral cortex are up-regulated which in turn induce hepatocyte proliferation mediated through sympathetic stimulation.

Enhancement of [m-methoxy 3H]MDL100907 binding to 5HT 2A receptors in cerebral cortex and brain stem of streptozotocin induced diabetic rats

5-Hydroxytryptamine2A (5-HT2A) receptor kinetics was studied in cerebral cortex and brain stem of streptozotocin (STZ) induced diabetic rats. Scatchard analysis with [3H] (±) 2,3dimethoxyphenyl-l-[2-(4-piperidine)-methanol] ([3H]MDL100907) in cerebral cortex showed no significant change in maximal binding (Bmax) in diabetic rats compared to controls. Dissociation constant (K) of diabetic rats showed a significant decrease (p < 0.05) in cerebral cortex, which was reversed to normal by insulin treatment. Competition studies of [3H]MDL100907 binding in cerebral cortex with ketanserin showed the appearance of an additional low affinity site for 5-HT2A receptors in diabetic state, which was reversed to control pattern by insulin treatment. In brain stem, scatchard analysis showed a significant increase (p < 0.05) in Bmax accompanied by a significant increase (p < 0.05) in Kd. Competition analysis in brain stem also showed a shift in affinity towards a low affinity State for 5-HT2A receptors. All these parameters were reversed to control level by insulin treatment. These results show that in cerebral cortex there is an increase in affinity of 5-HT2A receptors without any change in its number and in the case of brain stem there is an increase in number of 5HT2A receptors accompanied by a decrease in its affinity during diabetes. Thus, from the results we suggest that the increase in affinity of 5-HT2A receptors in cerebral cortex and upregulation of 5-HT2A receptors in brain stem may lead to altered neuronal function in diabetes.

Decreased GABAA Receptors Functional Regulation 3 in the Cerebral Cortex and Brainstem of Hypoxic Neonatal Rats: 4 Effect of Glucose and Oxygen Supplementation

Hypoxia in neonates can lead to biochemical and molecular alterations mediated through changes in neurotransmitters resulting in permanent damage to brain. In this study, we evaluated the changes in the receptor status of GABAA in the cerebral cortex and brainstem of hypoxic neonatal rats and hypoxic rats supplemented with glucose and oxygen using binding assays and gene expression of GABAAa1 and GABAAc5. In the cerebral cortex and brainstem of hypoxic neonatal rats, a significant decrease in GABAA receptors was observed, which accounts for the respiratory inhibition. Hypoxic rats sup- plemented with glucose alone and with glucose and oxygen showed, respectively, a reversal of the GABAA receptors, andGABAAa1 and GABAAc5 gene expression to control. Glucose acts as an immediate energy source thereby reducing the ATP-depletion-induced increase in GABA and oxygenation, which helps in encountering anoxia. Resuscitation with oxygen alone was less effective in reversing the receptor alterations. Thus, the results of this study suggest that reduction in the GABAA receptors functional regulation during hypoxia plays an important role in mediating the brain damage. Glucose alone and glucose and oxygen supplementation to hypoxic neonatal rats helps in protecting the brain from severe hypoxic damage.

Adrenergic and Glutamergic Receptor Gene Expression and Their Functional regulation in the Cerebral Cortex of Hypoxia Induced Neonatal Rats:Role of Oxygen,Epinephrine and Glucose Supplementation

In the present work, the role of oxygen, epinephrine and glucose supplementation in regulating neurotransmitter contents, adrenergic and glutamate receptor binding parameters in the cerebral cortex of experimental groups of neonatal rats were investigated. The study of neurotransmitters and their receptors in the cerebral cortex and the EEG pattern in the brain regions of neonatal rats were taken as index for brain damage due to hypoxia, oxygen and epinephrine. Real-Time PCR work was done to confirm the binding parameters. Second messenger, cyclic Adenosine Monophosphate (cAMP) was assayed to find the functional correlation of the receptors. Behavioural studies were carried out to confirm the biochemical and molecular studies. The efficient and timely supplementation of glucose plays a crucial role in correcting the molecular changes due to hypoxia, oxygen and epinephrine. The addictive neuronal damage effect due to oxygen and epinephrine treatment is another important observation. The corrective measures from the molecular study brought to practice will lead to maintain healthy intellectual capacity during the later developmental stages, which has immense clinical significance in neonatal care.

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.