Requirement of the nicotinic acetylcholine receptor β2 subunit for the anatomical and functional development of the visual system

In the mammalian visual system the formation of eye-specific layers at the thalamic level depends on retinal waves of spontaneous activity, which rely on nicotinic acetylcholine receptor activation. We found that in mutant mice lacking the β2 subunit of the neuronal nicotinic receptor, but not in mice lacking the α4 subunit, retinofugal projections do not segregate into eye-specific areas, both in the dorso-lateral geniculate nucleus and in the superior colliculus. Moreover, β2−/− mice show an expansion of the binocular subfield of the primary visual cortex and a decrease in visual acuity at the cortical level but not in the retina. We conclude that the β2 subunit of the nicotinic acetylcholine receptor is necessary for the anatomical and functional development of the visual system.

Pain perception: Is there a role for primary somatosensory cortex?

Anatomical, physiological, and lesion data implicate multiple cortical regions in the complex experience of pain. These regions include primary and secondary somatosensory cortices, anterior cingulate cortex, insular cortex, and regions of the frontal cortex. Nevertheless, the role of different cortical areas in pain processing is controversial, particularly that of primary somatosensory cortex (S1). Human brain-imaging studies do not consistently reveal pain-related activation of S1, and older studies of cortical lesions and cortical stimulation in humans did not uncover a clear role of S1 in the pain experience. Whereas studies from a number of laboratories show that S1 is activated during the presentation of noxious stimuli as well as in association with some pathological pain states, others do not report such activation. Several factors may contribute to the different results among studies. First, we have evidence demonstrating that S1 activation is highly modulated by cognitive factors that alter pain perception, including attention and previous experience. Second, the precise somatotopic organization of S1 may lead to small focal activations, which are degraded by sulcal anatomical variability when averaging data across subjects. Third, the probable mixed excitatory and inhibitory effects of nociceptive input to S1 could be disparately represented in different experimental paradigms. Finally, statistical considerations are important in interpreting negative findings in S1. We conclude that, when these factors are taken into account, the bulk of the evidence now strongly supports a prominent and highly modulated role for S1 cortex in the sensory aspects of pain, including localization and discrimination of pain intensity.

The acquisition of skilled motor performance: Fast and slow experience-driven changes in primary motor cortex

Behavioral and neurophysiological studies suggest that skill learning can be mediated by discrete, experience-driven changes within specific neural representations subserving the performance of the trained task. We have shown that a few minutes of daily practice on a sequential finger opposition task induced large, incremental performance gains over a few weeks of training. These gains did not generalize to the contralateral hand nor to a matched sequence of identical component movements, suggesting that a lateralized representation of the learned sequence of movements evolved through practice. This interpretation was supported by functional MRI data showing that a more extensive representation of the trained sequence emerged in primary motor cortex after 3 weeks of training. The imaging data, however, also indicated important changes occurring in primary motor cortex during the initial scanning sessions, which we proposed may reflect the setting up of a task-specific motor processing routine. Here we provide behavioral and functional MRI data on experience-dependent changes induced by a limited amount of repetitions within the first imaging session. We show that this limited training experience can be sufficient to trigger performance gains that require time to become evident. We propose that skilled motor performance is acquired in several stages: “fast” learning, an initial, within-session improvement phase, followed by a period of consolidation of several hours duration, and then “slow” learning, consisting of delayed, incremental gains in performance emerging after continued practice. This time course may reflect basic mechanisms of neuronal plasticity in the adult brain that subserve the acquisition and retention of many different skills.

Modular organization of intrinsic connections associated with spectral tuning in cat auditory cortex

Many response properties in primary auditory cortex (AI) are segregated spatially and organized topographically as those in primary visual cortex. Intensive study has not revealed an intrinsic, anatomical organizing principle related to an AI functional topography. We used retrograde anatomic tracing and topographic physiologic mapping of acoustic response properties to reveal long-range (≥1.5 mm) convergent intrinsic horizontal connections between AI subregions with similar bandwidth and characteristic frequency selectivity. This suggests a modular organization for processing spectral bandwidth in AI.

Selective expression of m2 muscarinic receptor in the parvocellular channel of the primate visual cortex.

Visual information in primates is relayed from the dorsal lateral geniculate nucleus to the cerebral cortex by three parallel neuronal channels designated the parvocellular, magnocellular, and interlaminar pathways. Here we report that m2 muscarinic acetylcholine receptor in the macaque monkey visual cortex is selectively associated with synaptic circuits subserving the function of only one of these channels. The m2 receptor protein is enriched both in layer IV axons originating from parvocellular layers of the dorsal lateral geniculate nucleus and in cytochrome oxidase poor interblob compartments in layers II and III, which are linked with the parvocellular pathway. In these compartments, m2 receptors appear to be heteroreceptors, i.e., they are associated predominantly with asymmetric, noncholinergic synapses, suggesting a selective role in the modulation of excitatory neurotransmission through the parvocellular visual channel.

Inhibition of sustained gamma oscillations (35-80 Hz) by fast transient responses in cat visual cortex.

Interactions between stimulus-induced oscillations (35-80 Hz) and stimulus-locked nonoscillatory responses were investigated in the visual cortex areas 17 and 18 of anaesthetized cats. A single square-wave luminance grating was used as a visual stimulus during simultaneous recordings from up to seven electrodes. The stimulus movement consisted of a superposition of a smooth movement with a sequence of dynamically changing accelerations. Responses of local groups of neurons at each electrode were studied on the basis of multiple unit activity and local slow field potentials (13-120 Hz). Oscillatory and stimulus-locked components were extracted from multiple unit activity and local slow field potentials and quantified by a combination of temporal and spectral correlation methods. We found fast stimulus-locked components primarily evoked by sudden stimulus accelerations, whereas oscillatory components (35-80 Hz) were induced during slow smooth movements. Oscillations were gradually reduced in amplitude and finally fully suppressed with increasing amplitudes of fast stimulus-locked components. It is argued that suppression of oscillations is necessary to prevent confusion during sequential processing of stationary and fast changing retinal images.

Computational models of cortical visual processing.

The visual responses of neurons in the cerebral cortex were first adequately characterized in the 1960s by D. H. Hubel and T. N. Wiesel [(1962) J. Physiol. (London) 160, 106-154; (1968) J. Physiol. (London) 195, 215-243] using qualitative analyses based on simple geometric visual targets. Over the past 30 years, it has become common to consider the properties of these neurons by attempting to make formal descriptions of these transformations they execute on the visual image. Most such models have their roots in linear-systems approaches pioneered in the retina by C. Enroth-Cugell and J. R. Robson [(1966) J. Physiol. (London) 187, 517-552], but it is clear that purely linear models of cortical neurons are inadequate. We present two related models: one designed to account for the responses of simple cells in primary visual cortex (V1) and one designed to account for the responses of pattern direction selective cells in MT (or V5), an extrastriate visual area thought to be involved in the analysis of visual motion. These models share a common structure that operates in the same way on different kinds of input, and instantiate the widely held view that computational strategies are similar throughout the cerebral cortex. Implementations of these models for Macintosh microcomputers are available and can be used to explore the models' properties.

Illusory contours activate specific regions in human visual cortex: evidence from functional magnetic resonance imaging.

The neural basis for perceptual grouping operations in the human visual system, including the processes which generate illusory contours, is fundamental to understanding human vision. We have employed functional magnetic resonance imaging to investigate these processes noninvasively. Images were acquired on a GE Signa 1.5T scanner equipped for echo planar imaging with an in-plane resolution of 1.5 x 1.5 mm and slice thicknesses of 3.0 or 5.0 mm. Visual stimuli included nonaligned inducers (pacmen) that created no perceptual contours, similar inducers at the corners of a Kanizsa square that created illusory contours, and a real square formed by continuous contours. Multiple contiguous axial slices were acquired during baseline, visual stimulation, and poststimulation periods. Activated regions were identified by a multistage statistical analysis of the activation for each volume element sampled and were compared across conditions. Specific brain regions were activated in extrastriate cortex when the illusory contours were perceived but not during conditions when the illusory contours were absent. These unique regions were found primarily in the right hemisphere for all four subjects and demonstrate that specific brain regions are activated during the kind of perceptual grouping operations involved in illusory contour perception.

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.

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.

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.

Spreading and synchronization of intrinsic signals in visual cortex of macaque monkey evoked by a localized visual stimulus

Spatio-temporal maps of the occipital cortex of macaque monkeys were analyzed using optical imaging of intrinsic signals. The images obtained during localized visual stimulation (IS) were compared with the images obtained on presentation of a blank screen (IB). We first investigated spontaneous variations of the intrinsic signals by analyzing the 100 IBs for each of the three cortical areas. Slow periodical activation was observed in alternation over the cortical areas. Cross-correlation analysis indicated that synchronization of spontaneous activation only took place within each cortical area, but not between them. When a small, drifting grating (2degreesX2degrees) was presented on the fovea. a dark spot appeared in the optical image at the cortical representation of this retinal location. It spread bilaterally along the border between V1 and V2, continuing as a number of parallel dark bands covering a large area of the lateral surface of V1. Cross-correlation analysis showed that during visual stimulation the intrinsic signals over all of the three cortical areas were synchronized, with in-phase activation of V1 and V2 and anti-phase activation of V4 and V1/V2. The significance of these extensive synergistic and antagonistic interactions between different cortical areas is discussed. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

First- and second-order stimulus length selectivity in New World monkey striate cortex

Motion is a powerful cue for figure-ground segregation, allowing the recognition of shapes even if the luminance and texture characteristics of the stimulus and background are matched. In order to investigate the neural processes underlying early stages of the cue-invariant processing of form, we compared the responses of neurons in the striate cortex (V1) of anaesthetized marmosets to two types of moving stimuli: bars defined by differences in luminance, and bars defined solely by the coherent motion of random patterns that matched the texture and temporal modulation of the background. A population of form-cue-invariant (FCI) neurons was identified, which demonstrated similar tuning to the length of contours defined by first- and second-order cues. FCI neurons were relatively common in the supragranular layers (where they corresponded to 28% of the recorded units), but were absent from layer 4. Most had complex receptive fields, which were significantly larger than those of other V1 neurons. The majority of FCI neurons demonstrated end-inhibition in response to long first- and second-order bars, and were strongly direction selective, Thus, even at the level of V1 there are cells whose variations in response level appear to be determined by the shape and motion of the entire second-order object, rather than by its parts (i.e. the individual textural components). These results are compatible with the existence of an output channel from V1 to the ventral stream of extrastriate areas, which already encodes the basic building blocks of the image in an invariant manner.

Specialization in pyramidal cell structure in the sensory-motor cortex of the chacma baboon (Papio ursinus) with comparative notes on macaque and vervet monkeys

The systematic study of pyramidal cell structure has revealed new insights into specialization of the phenotype in the primate cerebral cortex. Regional specialization in the neuronal phenotype may influence patterns of connectivity and the computational abilities of the circuits they compose. The comparative study of pyramidal cells in homologous cortical areas is beginning to yield data on the evolution and development of such specialized circuitry in the primate cerebral cortex. Recently, we have focused our efforts on sensory-motor cortex. Based on our intracellular injection methodology, we have demonstrated a progressive increase in the size of, the branching structure in, and the spine density of the basal dendritic trees of pyramidal cells through somatosensory areas 3b, 1, 2, 5, and 7 in the macaque and vervet monkeys. In addition, we have shown that pyramidal cells in premotor area 6 are larger, more branched, and more spinous than those in the primary motor cortex (MI or area 4) in the macaque monkey, vervet monkey, and baboon. Here we expand the basis for comparison by studying the basal dendritic trees of layer III pyramidal cells in these same sensory-motor areas in the chacma baboon. The baboon was selected because it has a larger cerebral cortex than either the macaque or vervet monkeys; motor cortex has expanded disproportionately in these three species; and motor cortex in the baboon reportedly has differentiated to include a new cortical area not present in either the macaque or vervet monkeys. We found, as in monkeys, a progressive increase in the morphological complexity of pyramidal cells through areas 3b, 5, and 7, as well as from area 4 to area 6, suggesting that areal specialization in microcircuitry was likely to be present in a common ancestor of primates. In addition, we found subtle differences in the extent of the interareal differences in pyramidal cell structure between homologous cortical areas in the three species. (c) 2005 Wiley-Liss, Inc.