Cortical Dynamics of Feature Binding and Reset: Control of Visual Persistence

An analysis of the reset of visual cortical circuits responsible for the binding or segmentation of visual features into coherent visual forms yields a model that explains properties of visual persistence. The reset mechanisms prevent massive smearing or visual percepts in response to rapidly moving images. The model simulates relationships among psychophysical data showing inverse relations of persistence to flash luminance and duration, greaterr persistence of illusory contours than real contours, a U-shaped temporal function for persistence of illusory contours, a reduction of persistence: due to adaptation with a stimulus of like orientation, an increase or persistence due to adaptation with a stimulus of perpendicular orientation, and an increase of persistence with spatial separation of a masking stimulus. The model suggests that a combination of habituative, opponent, and endstopping mechanisms prevent smearing and limit persistence. Earlier work with the model has analyzed data about boundary formation, texture segregation, shape-from-shading, and figure-ground separation. Thus, several types of data support each model mechanism and new predictions are made.

Imagery and retrieval of auditory and visual information: neural correlates of successful and unsuccessful performance.

Remembering past events - or episodic retrieval - consists of several components. There is evidence that mental imagery plays an important role in retrieval and that the brain regions supporting imagery overlap with those supporting retrieval. An open issue is to what extent these regions support successful vs. unsuccessful imagery and retrieval processes. Previous studies that examined regional overlap between imagery and retrieval used uncontrolled memory conditions, such as autobiographical memory tasks, that cannot distinguish between successful and unsuccessful retrieval. A second issue is that fMRI studies that compared imagery and retrieval have used modality-aspecific cues that are likely to activate auditory and visual processing regions simultaneously. Thus, it is not clear to what extent identified brain regions support modality-specific or modality-independent imagery and retrieval processes. In the current fMRI study, we addressed this issue by comparing imagery to retrieval under controlled memory conditions in both auditory and visual modalities. We also obtained subjective measures of imagery quality allowing us to dissociate regions contributing to successful vs. unsuccessful imagery. Results indicated that auditory and visual regions contribute both to imagery and retrieval in a modality-specific fashion. In addition, we identified four sets of brain regions with distinct patterns of activity that contributed to imagery and retrieval in a modality-independent fashion. The first set of regions, including hippocampus, posterior cingulate cortex, medial prefrontal cortex and angular gyrus, showed a pattern common to imagery/retrieval and consistent with successful performance regardless of task. The second set of regions, including dorsal precuneus, anterior cingulate and dorsolateral prefrontal cortex, also showed a pattern common to imagery and retrieval, but consistent with unsuccessful performance during both tasks. Third, left ventrolateral prefrontal cortex showed an interaction between task and performance and was associated with successful imagery but unsuccessful retrieval. Finally, the fourth set of regions, including ventral precuneus, midcingulate cortex and supramarginal gyrus, showed the opposite interaction, supporting unsuccessful imagery, but successful retrieval performance. Results are discussed in relation to reconstructive, attentional, semantic memory, and working memory processes. This is the first study to separate the neural correlates of successful and unsuccessful performance for both imagery and retrieval and for both auditory and visual modalities.

Spatial and temporal scales of neuronal correlation in visual area V4.

The spiking activity of nearby cortical neurons is correlated on both short and long time scales. Understanding this shared variability in firing patterns is critical for appreciating the representation of sensory stimuli in ensembles of neurons, the coincident influences of neurons on common targets, and the functional implications of microcircuitry. Our knowledge about neuronal correlations, however, derives largely from experiments that used different recording methods, analysis techniques, and cortical regions. Here we studied the structure of neuronal correlation in area V4 of alert macaques using recording and analysis procedures designed to match those used previously in primary visual cortex (V1), the major input to V4. We found that the spatial and temporal properties of correlations in V4 were remarkably similar to those of V1, with two notable differences: correlated variability in V4 was approximately one-third the magnitude of that in V1 and synchrony in V4 was less temporally precise than in V1. In both areas, spontaneous activity (measured during fixation while viewing a blank screen) was approximately twice as correlated as visual-evoked activity. The results provide a foundation for understanding how the structure of neuronal correlation differs among brain regions and stages in cortical processing and suggest that it is likely governed by features of neuronal circuits that are shared across the visual cortex.

Division of labor in frontal eye field neurons during presaccadic remapping of visual receptive fields.

Our percept of visual stability across saccadic eye movements may be mediated by presaccadic remapping. Just before a saccade, neurons that remap become visually responsive at a future field (FF), which anticipates the saccade vector. Hence, the neurons use corollary discharge of saccades. Many of the neurons also decrease their response at the receptive field (RF). Presaccadic remapping occurs in several brain areas including the frontal eye field (FEF), which receives corollary discharge of saccades in its layer IV from a collicular-thalamic pathway. We studied, at two levels, the microcircuitry of remapping in the FEF. At the laminar level, we compared remapping between layers IV and V. At the cellular level, we compared remapping between different neuron types of layer IV. In the FEF in four monkeys (Macaca mulatta), we identified 27 layer IV neurons with orthodromic stimulation and 57 layer V neurons with antidromic stimulation from the superior colliculus. With the use of established criteria, we classified the layer IV neurons as putative excitatory (n = 11), putative inhibitory (n = 12), or ambiguous (n = 4). We found that just before a saccade, putative excitatory neurons increased their visual response at the RF, putative inhibitory neurons showed no change, and ambiguous neurons increased their visual response at the FF. None of the neurons showed presaccadic visual changes at both RF and FF. In contrast, neurons in layer V showed full remapping (at both the RF and FF). Our data suggest that elemental signals for remapping are distributed across neuron types in early cortical processing and combined in later stages of cortical microcircuitry.

Using time-to-contact information to assess potential collision modulates both visual and temporal prediction networks

Accurate estimates of the time-to-contact (TTC) of approaching objects are crucial for survival. We used an ecologically valid driving simulation to compare and contrast the neural substrates of egocentric (head-on approach) and allocentric (lateral approach) TTC tasks in a fully factorial, event-related fMRI design. Compared to colour control tasks, both egocentric and allocentric TTC tasks activated left ventral premotor cortex/frontal operculum and inferior parietal cortex, the same areas that have previously been implicated in temporal attentional orienting. Despite differences in visual and cognitive demands, both TTC and temporal orienting paradigms encourage the use of temporally predictive information to guide behaviour, suggesting these areas may form a core network for temporal prediction. We also demonstrated that the temporal derivative of the perceptual index tau (tau-dot) held predictive value for making collision judgements and varied inversely with activity in primary visual cortex (V1). Specifically, V1 activity increased with the increasing likelihood of reporting a collision, suggesting top-down attentional modulation of early visual processing areas as a function of subjective collision. Finally, egocentric viewpoints provoked a response bias for reporting collisions, rather than no-collisions, reflecting increased caution for head-on approaches. Associated increases in SMA activity suggest motor preparation mechanisms were engaged, despite the perceptual nature of the task.

Long-range synchronization and local desynchronization of alpha oscillations during visual short-term memory retention in children

Local alpha-band synchronization has been associated with both cortical idling and active inhibition. Recent evidence, however, suggests that long-range alpha synchronization increases functional coupling between cortical regions. We demonstrate increased long-range alpha and beta band phase synchronization during short-term memory retention in children 6-10 years of age. Furthermore, whereas alpha-band synchronization between posterior cortex and other regions is increased during retention, local alpha-band synchronization over posterior cortex is reduced. This constitutes a functional dissociation for alpha synchronization across local and long-range cortical scales. We interpret long-range synchronization as reflecting functional integration within a network of frontal and visual cortical regions. Local desynchronization of alpha rhythms over posterior cortex, conversely, likely arises because of increased engagement of visual cortex during retention.

Deep Salience: Visual Salience Modeling via Deep Belief Propagation

Visual salience is an intriguing phenomenon observed in biological neural systems. Numerous attempts have been made to model visual salience mathematically using various feature contrasts, either locally or globally. However, these algorithmic models tend to ignore the problem’s biological solutions, in which visual salience appears to arise during the propagation of visual stimuli along the visual cortex. In this paper, inspired by the conjecture that salience arises from deep propagation along the visual cortex, we present a Deep Salience model where a multi-layer model based on successive Markov random fields (sMRF) is proposed to analyze the input image successively through its deep belief propagation. As a result, the foreground object can be automatically separated from the background in a fully unsupervised way. Experimental evaluation on the benchmark dataset validated that our Deep Salience model can consistently outperform eleven state-of-the-art salience models, yielding the higher rates in the precision-recall tests and attaining the best F-measure and mean-square error in the experiments.

Improved line/edge detection and visual reconstruction

Lines and edges provide important information for object categorization and recognition. In addition, one brightness model is based on a symbolic interpretation of the cortical multi-scale line/edge representation. In this paper we present an improved scheme for line/edge extraction from simple and complex cells and we illustrate the multi-scale representation. This representation can be used for visual reconstruction, but also for nonphotorealistic rendering. Together with keypoints and a new model of disparity estimation, a 3D wireframe representation of e.g. faces can be obtained in the future.

Looking through the eyes of the painter: from visual perception to non-photorealistic rendering

In this paper we present a brief overview of the processing in the primary visual cortex, the multi-scale line/edge and keypoint representations, and a model of brightness perception. This model, which is being extended from 1D to 2D, is based on a symbolic line and edge interpretation: lines are represented by scaled Gaussians and edges by scaled, Gaussian-windowed error functions. We show that this model, in combination with standard techniques from graphics, provides a very fertile basis for non-photorealistic image rendering.

Integrated multi-scale architecture of the cortex with application to computer vision

Tese de dout., Engenharia Electrónica e de Computadores, Faculdade de Ciência e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2007

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

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

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

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

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

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

Analyse des réponses neuronales du cortex visuel primaire du chat à la fréquence spatiale suite à des adaptations répétées

Les neurones du cortex visuel primaire (aire 17) du chat adulte répondent de manière sélective à différentes propriétés d’une image comme l’orientation, le contraste ou la fréquence spatiale. Cette sélectivité se manifeste par une réponse sous forme de potentiels d’action dans les neurones visuels lors de la présentation d’une barre lumineuse de forme allongée dans les champs récepteurs de ces neurones. La fréquence spatiale (FS) se mesure en cycles par degré (cyc./deg.) et se définit par la quantité de barres lumineuses claires et sombres présentées à une distance précise des yeux. Par ailleurs, jusqu’à récemment, l’organisation corticale chez l’adulte était considérée immuable suite à la période critique post-natale. Or, lors de l'imposition d'un stimulus non préféré, nous avons observé un phénomène d'entrainement sous forme d'un déplacement de la courbe de sélectivité à la suite de l'imposition d'une FS non-préférée différente de la fréquence spatiale optimale du neurone. Une deuxième adaptation à la même FS non-préférée induit une réponse neuronale différente par rapport à la première imposition. Ce phénomène de "gain cortical" avait déjà été observé dans le cortex visuel primaire pour ce qui est de la sélectivité à l'orientation des barres lumineuses, mais non pour la fréquence spatiale. Une telle plasticité à court terme pourrait être le corrélat neuronal d'une modulation de la pondération relative du poids des afférences synaptiques.

Modulation cholinergique à long terme des potentiels évoqués visuels dans le cortex visuel chez le rat

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal