Parameters affecting conscious versus unconscious visual discrimination with damage to the visual cortex (V1).

When the visual (striate) cortex (V1) is damaged in human subjects, cortical blindness results in the contralateral visual half field. Nevertheless, under some experimental conditions, subjects demonstrate a capacity to make visual discriminations in the blind hemifield (blindsight), even though they have no phenomenal experience of seeing. This capacity must, therefore, be mediated by parallel projections to other brain areas. It is also the case that some subjects have conscious residual vision in response to fast moving stimuli or sudden changes in light flux level presented to the blind hemifield, characterized by a contentless kind of awareness, a feeling of something happening, albeit not normal seeing. The relationship between these two modes of discrimination has never been studied systematically. We examine, in the same experiment, both the unconscious discrimination and the conscious visual awareness of moving stimuli in a subject with unilateral damage to V1. The results demonstrate an excellent capacity to discriminate motion direction and orientation in the absence of acknowledged perceptual awareness. Discrimination of the stimulus parameters for acknowledged awareness apparently follows a different functional relationship with respect to stimulus speed, displacement, and stimulus contrast. As performance in the two modes can be quantitatively matched, the findings suggest that it should be possible to image brain activity and to identify the active areas involved in the same subject performing the same discrimination task, both with and without conscious awareness, and hence to determine whether any structures contribute uniquely to conscious perception.

Lesion-induced reorganization in the brainstem is not completely expressed in somatosensory cortex.

Electrophysiological and neuroanatomical methods were used to determine the extent to which neonatal forelimb removal altered the organization of the cuneate nucleus and representations of the fore- and hindlimbs in the primary somatosensory cortex of adult rats. Neonatal forelimb removal resulted in invasion of the cuneate nucleus by sciatic nerve primary afferents and development of cuneothalamic projection neurons with split receptive fields that included both the hindlimb and forelimb stump. Mapping in the primary somatosensory cortex of the neonatally manipulated adult rats demonstrated abnormalities, but the major change observed in the cuneate nucleus was demonstrable at only a few (5%) cortical recording sites in the remaining stump representation and there were none at all in the hindlimb representation. These results suggest that lesion-induced brainstem reorganization may be functionally suppressed at either the thalamic or cortical level.

Distinct neural correlates of visual long-term memory for spatial location and object identity: a positron emission tomography study in humans.

The purpose of the present study was to investigate by using positron emission tomography (PET) whether the cortical pathways that are involved in visual perception of spatial location and object identity are also differentially implicated in retrieval of these types of information from episodic long-term memory. Subjects studied a set of displays consisting of three unique representational line drawings arranged in different spatial configurations. Later, while undergoing PET scanning, subjects' memory for spatial location and identity of the objects in the displays was tested and compared to a perceptual baseline task involving the same displays. In comparison to the baseline task, each of the memory tasks activated both the dorsal and the ventral pathways in the right hemisphere but not to an equal extent. There was also activation of the right prefrontal cortex. When PET scans of the memory tasks were compared to each other, areas of activation were very circumscribed and restricted to the right hemisphere: For retrieval of object identity, the area was in the inferior temporal cortex in the region of the fusiform gyrus (area 37), whereas for retrieval of spatial location, it was in the inferior parietal lobule in the region of the supramarginal gyrus (area 40). Thus, our study shows that distinct neural pathways are activated during retrieval of information about spatial location and object identity from long-term memory.

Theory of orientation tuning in visual cortex.

The role of intrinsic cortical connections in processing sensory input and in generating behavioral output is poorly understood. We have examined this issue in the context of the tuning of neuronal responses in cortex to the orientation of a visual stimulus. We analytically study a simple network model that incorporates both orientation-selective input from the lateral geniculate nucleus and orientation-specific cortical interactions. Depending on the model parameters, the network exhibits orientation selectivity that originates from within the cortex, by a symmetry-breaking mechanism. In this case, the width of the orientation tuning can be sharp even if the lateral geniculate nucleus inputs are only weakly anisotropic. By using our model, several experimental consequences of this cortical mechanism of orientation tuning are derived. The tuning width is relatively independent of the contrast and angular anisotropy of the visual stimulus. The transient population response to changing of the stimulus orientation exhibits a slow "virtual rotation." Neuronal cross-correlations exhibit long time tails, the sign of which depends on the preferred orientations of the cells and the stimulus orientation.

Pleasant sweeping grooming touch in rhesus monkey: effects on autonomic nervous system and its codification in posterior insular and secondary somatosensory cortex

Il tatto assume un'importanza fondamentale nella vita quotidiana, in quanto ci permette di discriminare le caratteristiche fisiche di un oggetto specifico, di identificarlo e di eventualmente integrare le suddette informazioni tattili con informazioni provenienti da altri canali sensoriali. Questa è la componente sensoriale-discriminativa del tatto. Tuttavia quotidianamente il tatto assume un ruolo fondamentale durante le diverse interazioni sociali, positive, come quando abbracciamo o accarezziamo una persona con cui abbiamo un rapporto affettivo e negative, per esempio quando allontaniamo una persona estranea dal nostro spazio peri-personale. Questa componente è la cosiddetta dimensione affettiva-motivazionale, la quale determina la codifica della valenza emotiva che l'interazione assume. Questa componente ci permette di creare, mantenere o distruggere i legami sociali in relazione al significato che il tocco assume durante l'interazione. Se per esempio riceviamo una carezza da un familiare, questa verrà percepita come piacevole e assumerà un significato affiliativo. Questo tipo di tocco è comunente definito come Tocco Sociale (Social Touch). Gli aspetti discriminativi del tatto sono stati ben caratterizzati, in quanto storicamente, il ruolo del tatto è stato considerato quello di discriminare le caratteristiche di ciò che viene toccato, mentre gli aspetti affettivi sono stati solo recentemente indagati considerando la loro importanza nelle interazioni sociali. Il tocco statico responsabile dell'aspetto discriminante attiva a livello della pelle le grandi fibre mieliniche (Aβ), modulando a livello del sistema nervoso centrale le cortecce sensoriali, sia primarie che secondarie. Questo permette la codifica a livello del sistema nervoso centrale delle caratteristiche fisiche oggettive degli oggetti toccati. Studi riguardanti le caratteristiche del tocco affiliativo sociale hanno messo in evidenza che suddetta stimolazione tattile 1) è un particolare tocco dinamico che avviene sul lato peloso delle pelle con una velocità di 1-10 cm/sec; 2) attiva le fibre amieliniche (fibre CT o C-LTMRs); 3) induce positivi effetti autonomici, ad esempio la diminuzione della frequenza cardiaca e l'aumento della variabilità della frequenza cardiaca; e 4) determina la modulazione di regioni cerebrali coinvolte nella codifica del significato affiliativo dello stimolo sensoriale periferico, in particolare la corteccia insulare. Il senso del tatto, con le sue due dimensioni discriminativa e affiliativa, è quotidianamente usato non solo negli esseri umani, ma anche tra i primati non umani. Infatti, tutti i primati non umani utilizzano la componente discriminativa del tatto per identificare gli oggetti e il cibo e l'aspetto emotivo durante le interazioni sociali, sia negative come durante un combattimento, che positive, come durante i comportamenti affiliativi tra cui il grooming. I meccanismi di codifica della componente discriminativa dei primati non umani sono simili a quelli umani. Tuttavia, si conosce ben poco dei meccanismi alla base della codifica del tocco piacevole affiliativo. Pur essendo ben noto che i meccanorecettori amilienici C-LTMRs sono presenti anche sul lato peloso della pelle dei primati non umani, attualmente non ci sono studi riguardanti la correlazione tra il tocco piacevole e la loro modulazione, come invece è stato ampiamente dimostrato nell'uomo. Recentemente è stato ipotizzato (Dunbar, 2010) il ruolo delle fibre C-LTMRs durante il grooming, in particolare durante il cosiddetto swepping. Il grooming è costituito da due azioni motorie, lo sweeping e il picking che vengono eseguite in modo ritmico. Durante lo sweeping la scimmia agente muove il pelo della scimmia ricevente con un movimento a mano aperta, per poter vedere il preciso punto della pelle dove eseguire il picking, ovvero dove prendere la pelle a livello della radice del pelo con le unghie dell'indice e del pollice e tirare per rimuovere parassiti o uova di parassiti e ciò che è rimasto incastrato nel pelo. Oltre il noto ruolo igenico, il grooming sembra avere anche una importante funzione sociale affiliativa. Come la carezza nella società umana, cosi il grooming tra i primati non umani è considerato un comportamento. Secondo l'ipotesi di Dunbar l'attivazione delle C-LTMRs avverrebbe durante lo sweeping e questo porta a supporre che lo sweeping, come la carezza umana, costituisca una componente affiliativa del grooming, determinando quindi a contribuire alla sua codifica come comportamento sociale. Fino ad ora non vi è però alcuna prova diretta a sostegno di questa ipotesi. In particolare, 1) la velocità cui viene eseguito lo sweeping è compatibile con la velocità di attivazione delle fibre CT nell'uomo e quindi con la velocità tipica della carezza piacevole di carattere sociale affiliativo (1-10 cm/sec)?; 2) lo sweeping induce la stessa modulazione del sistema nervoso autonomo in direzione della modulazione del sistema vagale, come il tocco piacevole nell'uomo, attraverso l'attivazione delle fibre CT?; 3) lo sweeping modula la corteccia insulare, cosi come il tocco piacevole viene codificato come affiliativo nell'uomo mediante le proiezioni delle fibre CT a livello dell'insula posteriore? Lo scopo del presente lavoro è quella di testare l'ipotesi di Dunbar sopra citata, cercando quindi di rispondere alle suddette domande. Le risposte potrebbero consentire di ipotizzare la somiglianza tra lo sweeping, caratteristico del comportamento affiliativo di grooming tra i primati non umani e la carezza. In particolare, abbiamo eseguito 4 studi pilota. Nello Studio 1 abbiamo valutato la velocità con cui viene eseguito lo sweeping tra scimmie Rhesus, mediante una analisi cinematica di video registrati tra un gruppo di scimmie Rhesus. Negli Studi 2 e 3 abbiamo valutato gli effetti sul sistema nervoso autonomo dello sweeping eseguito dallo sperimentatore su una scimmia Rhesus di sesso maschile in una tipica situazione sperimentale. La stimolazione tattile è stata eseguita a diverse velocità, in accordo con i risultati dello Studio 1 e degli studi umani che hanno dimostrato la velocità ottimale e non ottimale per l'attivazione delle C-LTMRs. In particolare, nello Studio 2 abbiamo misurato la frequenza cardiaca e la variabilità di questa, come indice della modulatione vagale, mentre nello Studio 3 abbiamo valutato gli effetti dello sweeping sul sistema nervoso autonomo in termini di variazioni di temperatura del corpo, nello specifico a livello del muso della scimmia. Infine, nello Studio 4 abbiamo studiato il ruolo della corteccia somatosensoriale secondaria e insulare nella codifica dello sweeping. A questo scopo abbiamo eseguito registrazioni di singoli neuroni mentre la medesima scimmia soggetto sperimentale dello Studio 2 e 3, riceveva lo sweeping a due velocità, una ottimale per l'attivazione delle C-LTMRs secondo gli studi umani e i risultati dei tre studi sopra citati, ed una non ottimale. I dati preliminari ottenuti, dimostrano che 1) (Studio 1) lo sweeping tra scimmie Rhesus viene eseguito con una velocità media di 9.31 cm/sec, all'interno dell'intervallo di attivazione delle fibre CT nell'uomo; 2) (Studio 2) lo sweeping eseguito dallo sperimentatore sulla schiena di una scimmia Rhesus di sesso maschile in una situazione sperimentale determina una diminuzione della frequenza cardiaca e l'aumento della variabilità della frequenza cardiaca se eseguito alla velocità di 5 e 10 cm/sec. Al contrario, lo sweeping eseguito ad una velocità minore di 1 cm/sec o maggiore di 10 cm/sec, determina l'aumento della frequenza cardiaca e la diminuzione della variabilità di questa, quindi il decremento dell'attivazione del sistema nervoso parasimpatico; 3) (Studio 3) lo sweeping eseguito dallo sperimentatore sulla schiena di una scimmia Rhesus di sesso maschile in una situazione sperimentale determina l'aumento della temperatura corporea a livello del muso della scimmia se eseguito alla velocità di 5-10 cm/sec. Al contrario, lo sweeping eseguito ad una velocità minore di 5 cm/sec o maggiore di 10 cm/sec, determina la diminuzione della temperatura del muso; 4) (Studio 4) la corteccia somatosensoriale secondaria e la corteccia insulare posteriore presentano neuroni selettivamente modulati durante lo sweeping eseguito ad una velocità di 5-13 cm/sec ma non neuroni selettivi per la codifica della velocità dello sweeping minore di 5 cm/sec. Questi risultati supportano l'ipotesi di Dunbar relativa al coinvolgimento delle fibre CT durante lo sweeping. Infatti i dati mettono in luce che lo sweeping viene eseguito con una velocità (9.31 cm/sec), simile a quella di attivazione delle fibre CT nell'uomo (1-10 cm/sec), determina gli stessi effetti fisiologici positivi in termini di frequenza cardiaca (diminuzione) e variabilità della frequenza cardiaca (incremento) e la modulazione delle medesime aree a livello del sistema nervoso centrale (in particolare la corteccia insulare). Inoltre, abbiamo dimostrato per la prima volta che suddetta stimolazione tattile determina l'aumento della temperatura del muso della scimmia. Il presente studio rappresenta la prima prova indiretta dell'ipotesi relativa alla modulazione del sistema delle fibre C-LTMRs durante lo sweeping e quindi della codifica della stimolazione tattile piacevole affiliativa a livello del sistema nervoso centrale ed autonomo, nei primati non umani. I dati preliminari qui presentati evidenziano la somiglianza tra il sistema delle fibre CT dell'uomo e del sistema C-LTMRs nei primati non umano, riguardanti il Social Touch. Nonostante ciò abbiamo riscontrato alcune discrepanze tra i risultati da noi ottenuti e quelli invece ottenuti dagli studi umani. La velocità media dello sweeping è di 9.31 cm / sec, rasente il limite superiore dell’intervallo di velocità che attiva le fibre CT nell'uomo. Inoltre, gli effetti autonomici positivi, in termini di battito cardiaco, variabilità della frequenza cardiaca e temperatura a livello del muso, sono stati evidenziati durante lo sweeping eseguito con una velocità di 5 e 10 cm/sec, quindi al limite superiore dell’intervallo ottimale che attiva le fibre CT nell’uomo. Al contrario, lo sweeping eseguito con una velocità inferiore a 5 cm/sec e superiore a 10 cm/sec determina effetti fisiologici negativo. Infine, la corteccia insula sembra essere selettivamente modulata dallo stimolazione eseguita alla velocità di 5-13 cm/sec, ma non 1-5 cm/sec. Quindi, gli studi sul sistema delle fibre CT nell’uomo hanno dimostrato che la velocità ottimale è 1-10 cm/sec, mentre dai nostri risultati la velocità ottimale sembra essere 5-13 cm / sec. Quindi, nonostante l'omologia tra il sistema delle fibre CT nell'umano deputato alla codifica del tocco piacevole affiliativo ed il sistema delle fibre C-LTMRs nei primati non umani, ulteriori studi saranno necessari per definire con maggiore precisione la velocità ottimale di attivazione delle fibre C-LTMR e per dimostrare direttamente la loro attivazione durante lo sweeping, mediante la misurazione diretta della loro modulazione. Studi in questa direzione potranno confermare l'omologia tra lo sweeping in qualità di tocco affiliativo piacevole tra i primati non umani e la carezza tra gli uomini. Infine, il presente studio potrebbe essere un importante punto di partenza per esplorare il meccanismo evolutivo dietro la trasformazione dello sweeping tra primati non umani, azione utilitaria eseguita durante il grooming, a carezza, gesto puramente affiliativo tra gli uomini.

Proactive and reactive inhibition during overt and covert actions. An electrical neuroimaging study.

Response inhibition is the ability to suppress inadequate but automatically activated, prepotent or ongoing response tendencies. In the framework of motor inhibition, two distinct operating strategies have been described: “proactive” and “reactive” control modes. In the proactive modality, inhibition is recruited in advance by predictive signals, and actively maintained before its enactment. Conversely, in the reactive control mode, inhibition is phasically enacted after the detection of the inhibitory signal. To date, ample evidence points to a core cerebral network for reactive inhibition comprising the right inferior frontal gyrus (rIFG), the presupplementary motor area (pre-SMA) and the basal ganglia (BG). Moreover, fMRI studies showed that cerebral activations during proactive and reactive inhibition largely overlap. These findings suggest that at least part of the neural network for reactive inhibition is recruited in advance, priming cortical regions in preparation for the upcoming inhibition. So far, proactive and reactive inhibitory mechanisms have been investigated during tasks in which the requested response to be stopped or withheld was an “overt” action execution (AE) (i.e., a movement effectively performed). Nevertheless, inhibitory mechanisms are also relevant for motor control during “covert actions” (i.e., potential motor acts not overtly performed), such as motor imagery (MI). MI is the conscious, voluntary mental rehearsal of action representations without any overt movement. Previous studies revealed a substantial overlap of activated motor-related brain networks in premotor, parietal and subcortical regions during overtly executed and imagined movements. Notwithstanding this evidence for a shared set of cerebral regions involved in encoding actions, whether or not those actions are effectively executed, the neural bases of motor inhibition during MI, preventing covert action from being overtly performed, in spite of the activation of the motor system, remain to be fully clarified. Taking into account this background, we performed a high density EEG study evaluating cerebral mechanisms and their related sources elicited during two types of cued Go/NoGo task, requiring the execution or withholding of an overt (Go) or a covert (MI) action, respectively. The EEG analyses were performed in two steps, with different aims: 1) Analysis of the “response phase” of the cued overt and covert Go/NoGo tasks, for the evaluation of reactive inhibitory control of overt and covert actions. 2) Analysis of the “preparatory phase” of the cued overt and covert Go/NoGo EEG datasets, focusing on cerebral activities time-locked to the preparatory signals, for the evaluation of proactive inhibitory mechanisms and their related neural sources. For these purposes, a spatiotemporal analysis of the scalp electric fields was applied on the EEG data recorded during the overt and covert Go/NoGo tasks. The spatiotemporal approach provide an objective definition of time windows for source analysis, relying on the statistical proof that the electric fields are different and thus generated by different neural sources. The analysis of the “response phase” revealed that key nodes of the inhibitory circuit, underpinning inhibition of the overt movement during the NoGo response, were also activated during the MI enactment. In both cases, inhibition relied on the activation of pre-SMA and rIFG, but with different temporal patterns of activation in accord with the intended “covert” or “overt” modality of motor performance. During the NoGo condition, the pre-SMA and rIFG were sequentially activated, pointing to an early decisional role of pre-SMA and to a later role of rIFG in the enactment of inhibitory control of the overt action. Conversely, a concomitant activation of pre-SMA and rIFG emerged during the imagined motor response. This latter finding suggested that an inhibitory mechanism (likely underpinned by the rIFG), could be prewired into a prepared “covert modality” of motor response, as an intrinsic component of the MI enactment. This mechanism would allow the rehearsal of the imagined motor representations, without any overt movement. The analyses of the “preparatory phase”, confirmed in both overt and covert Go/NoGo tasks the priming of cerebral regions pertaining to putative inhibitory network, reactively triggered in the following response phase. Nonetheless, differences in the preparatory strategies between the two tasks emerged, depending on the intended “overt” or “covert” modality of the possible incoming motor response. During the preparation of the overt Go/NoGo task, the cue primed the possible overt response programs in motor and premotor cortex. At the same time, through preactivation of a pre-SMA-related decisional mechanism, it triggered a parallel preparation for the successful response selection and/or inhibition during the subsequent response phase. Conversely, the preparatory strategy for the covert Go/NoGo task was centred on the goal-oriented priming of an inhibitory mechanism related to the rIFG that, being tuned to the instructed covert modality of the motor performance and instantiated during the subsequent MI enactment, allowed the imagined response to remain a potential motor act. Taken together, the results of the present study demonstrate a substantial overlap of cerebral networks activated during proactive recruitment and subsequent reactive enactment of motor inhibition in both overt and covert actions. At the same time, our data show that preparatory cues predisposed ab initio a different organization of the cerebral areas (in particular of the pre-SMA and rIFG) involved with sensorimotor transformations and motor inhibitory control for executed and imagined actions. During the preparatory phases of our cued overt and covert Go/NoGo tasks, the different adopted strategies were tuned to the “how” of the motor performance, reflecting the intended overt and covert modality of the possible incoming action.

The Impact of Prefrontal Cortex "Warm Up" on Immediate Cognitive Reappraisal Ability in Older Adolescents with Elevated Symptoms of Depression

Cognitive Reappraisal (CR) is a central component of Cognitive Behavioral Therapy for adolescent depression. Yet, previous research indicates that a brain region highly associated with successful CR in adults, the Prefrontal Cortex (PFC), is not fully developed until early adulthood. Thus, there is growing concern that CBT interventions directed at building CR abilities in depressed teens might be constrained by PFC immaturity. However, CR is an effective strategy for regulating affect. The current study evaluated an intervention aimed at enhancing CR performance through PFC “warm up” with a working memory task. Additionally, the study examined moderators of intervention response, as well as cognitive correlates of self-reported CR use. Participants included 48 older adolescents (mean age=19.1, 89% female) with elevated symptoms of depression who were randomly assigned to a lab-based WM or control activity followed by a CR task. Overall, results failed to support the effectiveness of “warm up” to augment CR performance. However, current level of depression predicted negative bias and sadness ratings after CR instructions, and this effect was qualified by an interaction with condition. The moderator analysis showed that depressive symptoms interacted with condition such that in the control condition, participants with higher depressive symptoms had significantly lower negative bias scores than individuals with lower depressive symptoms, but this pattern was not found in the experimental condition. Contrary to hypotheses, history of depression did not moderate treatment response. Additional analyses explored alternative explanations for the lack of intervention effects. There was some evidence to suggest that the WM task was frustrating and cognitively taxing. However, irritation scores and overall WM task accuracy did not predict subsequent CR performance. Lastly, multiple cognitive variables emerged as correlates of self-reported CR use, with cognitive flexibility contributing unique variance to self-reported CR use. Results pointed to new directions for improving CR performance among youth with elevated symptoms of depression.

Psicoses em patologias não psiquiátricas

Trabalho Final do Curso de Mestrado Integrado em Medicina, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2014

Plasticité du cortex visuel: «homéodynamie» des connexions neuronales et modèle d’effets d’antidépresseurs

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie.

Plasticité du cortex visuel: «homéodynamie» des connexions neuronales et modèle d’effets d’antidépresseurs

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie.

Development of the cortex in Chara.

Reprint from the Torrey Botanical Club. Bulletin v. 9. 1882. p. [37]-47.

Brains of rats and men; a survey of the origin and biological significance of the cerebral cortex,

Bibliography: p. 366-378.

Experiments and observations on the cortex Salicis latifoliæ, or broadleaved willow bark; interspersed with general observations and remarks on the different species of the Cinchona, &c., general history and progressive introduction of the Salix latifolia, with a variety of experiments, etc.

Mode of access: Internet.

Cortex peruvianus in dissertatione medica propositus.

Mode of access: Internet.

Beiträge zur Kenntnis der neueren Droguen Cortex Comocladiae integrifoliae, Cortex Oroxyli indici und Euchresta Horsfieldii Benn /

Thesis (doctoral)--Friedrich-Alexander-Universität Erlangen, 1896.