Modular organization of the cortical connections linking visual areas V1, V2 and V4 in Macaque monkeys

The macaque cortical visual system is hierarchically organized into two streams, the ventral stream for recognizing objects and the dorsal stream for analyzing spatial relationships. The ventral stream extends from striate cortex or area V1 to inferior temporal cortex (IT) through extra-striate areas V2 and V4. Between V1 and V2, the ventral stream consists of two roughly parallel sub-streams, one extending from the cytochrome oxidase (CO) rich blobs in V1 to the CO rich thin stripes in V2, the other extending from the interblobs in V1 to interstripes, in V2. The blob-dominated sub-stream is thought to analyze the surface features such as color, whereas the interblob-dominated one is thought to analyze the contour features such as shape. ^ In the current study, the organization of cortical pathways linking V2 thin stripe and interstripe compartments with area V4 was investigated using a combination of physiological and anatomical techniques. Different compartments of V2 were first characterized, in vivo, using optical recording of intrinsic cortical signals. These functionally derived maps of V2 stripe compartments were then used to guide iontophoretic injections of multiple, distinguishable, anterograde tracers into specific V2 compartments. The distribution of labeled axons was analyzed either in horizontal sections through the prelunate gyrus, or in tangentially sectioned portions of physically unfolded cortex containing the lunate sulcus, prelunate gyrus and superior temporal sulcus. When a V2 thin stripe and adjacent interstripe were injected with distinguishable tracers, a large primary and several secondary foci were observed in V4. The primary focus from the thin stripe injection was spatially segregated from the primary focus from the V2 interstripe injection, suggesting a retention of the pattern of compartmentation. ^ We examined the distribution of retrogradely labeled cells in V1 following the injections of tracers into V2 different compartments, in order to quantitate just how parallel the two sub-streams are from V1 to V2. Our results suggest that both blobs and interblobs project to thin stripes in V2, whereas only interblobs project to interstripes. This asymmetrical segregation argues against the original proposal of strict parallelism. (Abstract shortened by UMI.) ^

The anatomical connections of the macaque monkey orbitofrontal cortex. A review

The orbitofrontal cortex (OfC) is a heterogeneous prefrontal sector selectively connected with a wide constellation of other prefrontal, limbic, sensory and premotor areas. Among the limbic cortical connections, the ones with the bippocampus and parabippocampal cortex are particularly salient. Sensory cortices connected with the OfC include areas involved in olfactory, gustatory, somatosensory, auditory and visual processing. Subcortical structures with prominent OfC connections include the amygdala, numerous thalamic nuclei, the striatum, hypothalamus, periaqueductal gray matter, and biochemically specific cell groups in the basal forebrain and brainstem. Architectonic and connectional evidence supports parcellation of the OfC. The rostrally placed isocortical sector is mainly connected with isocortical areas, including sensory areas of the auditory, somatic and visual modalities, whereas the caudal non-isocortical sector is principally connected with non-isocortical areas, and, in the sensory domain, with olfactory and gustatory areas. The connections of the isocortical and non- isocortical orbital sectors with the amygdala, thalamus, striatum, hypotbalamus and periaqueductal gray matter are also specific. The medial sector of the OfC is selectively connected with the bippocampus, posterior parabippocampal cortex, posterior cingulate and retrosplenial areas, and area prostriata, while the lateral orbitofrontal sector is the most heavily connected with sensory areas of the gustatory, somatic and visual modalities, with premotor regions, and with the amygdala.

Spatial integration and cortical dynamics.

Cells in adult primary visual cortex are capable of integrating information over much larger portions of the visual field than was originally thought. Moreover, their receptive field properties can be altered by the context within which local features are presented and by changes in visual experience. The substrate for both spatial integration and cortical plasticity is likely to be found in a plexus of long-range horizontal connections, formed by cortical pyramidal cells, which link cells within each cortical area over distances of 6-8 mm. The relationship between horizontal connections and cortical functional architecture suggests a role in visual segmentation and spatial integration. The distribution of lateral interactions within striate cortex was visualized with optical recording, and their functional consequences were explored by using comparable stimuli in human psychophysical experiments and in recordings from alert monkeys. They may represent the substrate for perceptual phenomena such as illusory contours, surface fill-in, and contour saliency. The dynamic nature of receptive field properties and cortical architecture has been seen over time scales ranging from seconds to months. One can induce a remapping of the topography of visual cortex by making focal binocular retinal lesions. Shorter-term plasticity of cortical receptive fields was observed following brief periods of visual stimulation. The mechanisms involved entailed, for the short-term changes, altering the effectiveness of existing cortical connections, and for the long-term changes, sprouting of axon collaterals and synaptogenesis. The mutability of cortical function implies a continual process of calibration and normalization of the perception of visual attributes that is dependent on sensory experience throughout adulthood and might further represent the mechanism of perceptual learning.

Genetics of path lengths in brain connectivity networks: HARDI-based maps in 457 adults

Brain connectivity analyses are increasingly popular for investigating organization. Many connectivity measures including path lengths are generally defined as the number of nodes traversed to connect a node in a graph to the others. Despite its name, path length is purely topological, and does not take into account the physical length of the connections. The distance of the trajectory may also be highly relevant, but is typically overlooked in connectivity analyses. Here we combined genotyping, anatomical MRI and HARDI to understand how our genes influence the cortical connections, using whole-brain tractography. We defined a new measure, based on Dijkstra's algorithm, to compute path lengths for tracts connecting pairs of cortical regions. We compiled these measures into matrices where elements represent the physical distance traveled along tracts. We then analyzed a large cohort of healthy twins and show that our path length measure is reliable, heritable, and influenced even in young adults by the Alzheimer's risk gene, CLU.

Neural routing circuits for forming invariant representations of visual objects

This thesis presents a biologically plausible model of an attentional mechanism for forming position- and scale-invariant representations of objects in the visual world. The model relies on a set of control neurons to dynamically modify the synaptic strengths of intra-cortical connections so that information from a windowed region of primary visual cortex (Vl) is selectively routed to higher cortical areas. Local spatial relationships (i.e., topography) within the attentional window are preserved as information is routed through the cortex, thus enabling attended objects to be represented in higher cortical areas within an object-centered reference frame that is position and scale invariant. The representation in V1 is modeled as a multiscale stack of sample nodes with progressively lower resolution at higher eccentricities. Large changes in the size of the attentional window are accomplished by switching between different levels of the multiscale stack, while positional shifts and small changes in scale are accomplished by translating and rescaling the window within a single level of the stack. The control signals for setting the position and size of the attentional window are hypothesized to originate from neurons in the pulvinar and in the deep layers of visual cortex. The dynamics of these control neurons are governed by simple differential equations that can be realized by neurobiologically plausible circuits. In pre-attentive mode, the control neurons receive their input from a low-level "saliency map" representing potentially interesting regions of a scene. During the pattern recognition phase, control neurons are driven by the interaction between top-down (memory) and bottom-up (retinal input) sources. The model respects key neurophysiological, neuroanatomical, and psychophysical data relating to attention, and it makes a variety of experimentally testable predictions.

Rôle du cortex pariétal postérieur dans le processus d'intégration visuomotrice - connexions anatomiques avec le cortex moteur et activité cellulaire lors de la locomotion chez le chat

La progression d’un individu au travers d’un environnement diversifié dépend des informations visuelles qui lui permettent d’évaluer la taille, la forme ou même la distance et le temps de contact avec les obstacles dans son chemin. Il peut ainsi planifier en avance les modifications nécessaires de son patron locomoteur afin d’éviter ou enjamber ces entraves. Ce concept est aussi applicable lorsque le sujet doit atteindre une cible, comme un prédateur tentant d’attraper sa proie en pleine course. Les structures neurales impliquées dans la genèse des modifications volontaires de mouvements locomoteurs ont été largement étudiées, mais relativement peu d’information est présentement disponible sur les processus intégrant l’information visuelle afin de planifier ces mouvements. De nombreux travaux chez le primate suggèrent que le cortex pariétal postérieur (CPP) semble jouer un rôle important dans la préparation et l’exécution de mouvements d’atteinte visuellement guidés. Dans cette thèse, nous avons investigué la proposition que le CPP participe similairement dans la planification et le contrôle de la locomotion sous guidage visuel chez le chat. Dans notre première étude, nous avons examiné l’étendue des connexions cortico-corticales entre le CPP et les aires motrices plus frontales, particulièrement le cortex moteur, à l’aide d’injections de traceurs fluorescents rétrogrades. Nous avons cartographié la surface du cortex moteur de chats anesthésiés afin d’identifier les représentations somatotopiques distales et proximales du membre antérieur dans la partie rostrale du cortex moteur, la représentation du membre antérieur située dans la partie caudale de l’aire motrice, et enfin la représentation du membre postérieur. L’injection de différents traceurs rétrogrades dans deux régions motrices sélectionnées par chat nous a permis de visualiser la densité des projections divergentes et convergentes pariétales, dirigées vers ces sites moteurs. Notre analyse a révélé une organisation topographique distincte de connexions du CPP avec toutes les régions motrices identifiées. En particulier, nous avons noté que la représentation caudale du membre antérieur reçoit majoritairement des projections du côté rostral du sillon pariétal, tandis que la partie caudale du CPP projette fortement vers la représentation rostrale du membre antérieur. Cette dernière observation est particulièrement intéressante, parce que le côté caudal du sillon pariétal reçoit de nombreux inputs visuels et sa cible principale, la région motrice rostrale, est bien connue pour être impliquée dans les fonctions motrices volontaires. Ainsi, cette étude anatomique suggère que le CPP, au travers de connexions étendues avec les différentes régions somatotopiques du cortex moteur, pourrait participer à l’élaboration d’un substrat neural idéal pour des processus tels que la coordination inter-membre, intra-membre et aussi la modulation de mouvements volontaires sous guidage visuel. Notre deuxième étude a testé l’hypothèse que le CPP participe dans la modulation et la planification de la locomotion visuellement guidée chez le chat. En nous référant à la cartographie corticale obtenue dans nos travaux anatomiques, nous avons enregistré l’activité de neurones pariétaux, situés dans les portions des aires 5a et 5b qui ont de fortes connexions avec les régions motrices impliquées dans les mouvements de la patte antérieure. Ces enregistrements ont été effectués pendant une tâche de locomotion qui requiert l’enjambement d’obstacles de différentes tailles. En dissociant la vitesse des obstacles de celle du tapis sur lequel le chat marche, notre protocole expérimental nous a aussi permit de mettre plus d’emphase sur l’importance de l’information visuelle et de la séparer de l’influx proprioceptif généré pendant la locomotion. Nos enregistrements ont révélé deux groupes de cellules pariétales activées en relation avec l’enjambement de l’obstacle: une population, principalement située dans l’aire 5a, qui décharge seulement pendant le passage du membre au dessus del’entrave (cellules spécifiques au mouvement) et une autre, surtout localisée dans l’aire 5b, qui est activée au moins un cycle de marche avant l’enjambement (cellules anticipatrices). De plus, nous avons observé que l’activité de ces groupes neuronaux, particulièrement les cellules anticipatrices, était amplifiée lorsque la vitesse des obstacles était dissociée de celle du tapis roulant, démontrant l’importance grandissante de la vision lorsque la tâche devient plus difficile. Enfin, un grand nombre des cellules activées spécifiquement pendant l’enjambement démontraient une corrélation soutenue de leur activité avec le membre controlatéral, même s’il ne menait pas dans le mouvement (cellules unilatérales). Inversement, nous avons noté que la majorité des cellules anticipatrices avaient plutôt tendance à maintenir leur décharge en phase avec l’activité musculaire du premier membre à enjamber l’obstacle, indépendamment de sa position par rapport au site d’enregistrement (cellules bilatérales). Nous suggérons que cette disparité additionnelle démontre une fonction diversifiée de l’activité du CPP. Par exemple, les cellules unilatérales pourraient moduler le mouvement du membre controlatéral au-dessus de l’obstacle, qu’il mène ou suive dans l’ordre d’enjambement, tandis que les neurones bilatéraux sembleraient plutôt spécifier le type de mouvement volontaire requis pour éviter l’entrave. Ensembles, nos observations indiquent que le CPP a le potentiel de moduler l’activité des centres moteurs au travers de réseaux corticaux étendus et contribue à différents aspects de la locomotion sous guidage visuel, notamment l’initiation et l’ajustement de mouvements volontaires des membres antérieurs, mais aussi la planification de ces actions afin d’adapter la progression de l’individu au travers d’un environnement complexe.

Réponse auditive oscillatoire chez le non-voyant : investigation par magnétoencéphalographie

Les personnes non-voyantes montrent dans les différents aspects de leurs vies qu’elles sont capables de s’adapter à la privation visuelle en utilisant les capacités intactes comme l’ouï ou le toucher. Elles montrent qu’elles peuvent bien évoluer dans leur environnement en absence de vision et démontrent même des fois des habiletés supérieures à celles des personnes voyantes. La recherche de ces dernières décennies s’est beaucoup intéressée aux capacités adaptatives des non-voyants surtout avec l’avènement des nouvelles techniques d’imagerie qui ont permis d’investiguer des domaines qui ne l’étaient pas ou l’étaient difficilement avant. Les capacités supérieures des non voyants dans l’utilisation plus efficace des informations auditives et tactiles semblent avoir leur base neuronale dans le dans le cortex visuel désafférenté, qui continu à être fonctionnel après la privation sensorielle et s’en trouve recruté pour le traitement de stimulations dites intermodales : auditives, tactiles et même montre une implication dans des processus de plus haut niveau, comme la mémoire ou le langage. Cette implication fonctionnelle intermodale résulte de la plasticité du cortex visuel c'est-à-dire sa capacité à changer sa structure, sa fonction et d’adapter ses interactions avec les autres systèmes en l’absence de vision. La plasticité corticale n’est pas exclusive au cortex visuel mais est un état permanent de tout le cerveau. Pour mesurer l’activité du cortex visuel des non voyants, une mesure d’excitabilité de ses neurones consiste à mesurer le temps de recouvrement de l’onde N1 en potentiels évoqués, qui est plus rapide chez les non voyants dans la modalité auditive. En effet, les réponses en potentiels et champs évoqués ont été utilisés en EEG/MEG pour mettre en évidence des changements plastiques dans le cortex visuel des non-voyants pour le traitement de stimuli dans les modalités auditives et tactiles. Ces réponses étaient localisées dans les régions postérieures chez les non voyants contrairement aux contrôles voyants. Un autre type de réponse auditive a reçu moins d’intérêt dans la recherche concernant la réorganisation fonctionnelle en relation avec la privation sensorielle, il s’agit de la réponse auditive oscillatoire (Auditory Steady-State Response ASSR). C’est une réponse qui a l’avantage d’osciller au rythme de stimulation et d’être caractérisé par une réponse des aires auditives étiquetée à la fréquence de stimulation. Cette étiquette se présente sous la forme qu’un pic d’énergie spectrale important qui culmine aux fréquences présentes dans la stimulation. Elle a également l’avantage d’être localisée dans les régions auditives primaires, de là tout changement de localisation de cette réponse chez des non voyants en faveur des régions visuelles pourrait être considéré comme une évidence de la réorganisation fonctionnelle qui s’opère après une privation sensorielle précoce. Le but de cette thèse est donc d’utiliser la réponse oscillatoire à l’écoute des sons modulés en amplitude (MA) pour mettre en évidence les corrélats de la réorganisation fonctionnelle dans le cortex visuel des non-voyants précoces. La modulation de la réponse auditive dans les régions visuelles nous permettra de montrer qu’une réorganisation est possible chez les non-voyants pour ce traitement intermodal. La première étude est une validation du paradigme expérimental «frequency tagged sounds». Il s’agit de montrer qu’une tâche de détection de changement dans la stimulation, permet de moduler la réponse ASSR aux sons modulés en amplitude en vue de l’utiliser dans les études chez les non voyants et dans les conditions d’une privation visuelle transitoire (avec les yeux bandés). Un groupe de sujets voyants ont réalisé une tâche de détection de changement dans la stimulation les yeux ouverts dans deux conditions : écoute active qui consiste à détecter un changement dans la fréquence porteuse de la modulation en appuyant avec l’index droit sur un bouton de réponse et une condition d’écoute passive. Les sons étaient présentés en écoute monaurale et dichotique. Les résultats ont montré une différence significative à l’occurrence du changement dans la stimulation en écoute dichotique seulement. Les schémas de plus grande réponse controlatérale et de suppression binaurale décrit dans la littérature ont été confirmés. La deuxième étude avait pour but de mettre en évidence une réorganisation rapide de la réponse ASSR chez un groupe de sujets voyants dans les conditions de privation visuelle transitoire de courte durée, par bandage des yeux pendant six heures. Le même protocole expérimental que la première étude a été utilisé en écoute active seulement. Les résultats montrent que dans ces conditions une modulation de la réponse corticale en écoute dichotique dans les régions visuelles est possible. Ces sources d’activité occipitale adoptent une propriété du cortex auditif qui est le battement binaural, c'est-à-dire l’oscillation de la réponse ASSR à la différence des fréquences présentées dans chaque oreille. Cet effet est présent chez la moitié des sujets testés. La représentation corticale des sources occipitales évolue durant la période de privation et montre un déplacement des sources d’activité dans la direction antéropostérieure à la fin de la période de privation. La troisième étude a permis de comparer le traitement de la réponse ASSR dans un groupe de non-voyants congénitaux à un groupe de voyants contrôles, pour investiguer les corrélats de la réorganisation fonctionnelle de cette réponse après une privation sensorielle de longue durée c'est-à-dire chez des non voyants congénitaux. Les résultats montrent des différences significatives dans la représentation spectrale de la réponse entre les deux groupes avec néanmoins des activations temporales importantes aussi bien chez les non voyants que chez les contrôles voyants. Des sources distribuées ont été localisées dans les régions associatives auditives dans les deux groupes à la différence des non voyants où il y avait en plus l’implication des régions temporales inférieures, connues comme étant activées par la vision des objets chez les voyants et font partie de la voie visuelle du quoi. Les résultats présentés dans le cadre de cette thèse vont dans le sens d’une réorganisation rapide de la réponse auditive oscillatoire après une privation visuelle transitoire de courte durée par l’implication des régions visuelles dans le traitement de la réponse ASSR par l’intermédiaire du démasquage de connections existantes entre le cortex visuel et le cortex auditif. La privation visuelle de longue durée, elle conduit à des changements plastiques, d’une part intra modaux par l’extension de l’activité aux régions temporales supérieures et médianes. D’autre part, elle induit des changements inter modaux par l’implication fonctionnelle des régions temporales inférieures visuelles dans le traitement des sons modulés en amplitude comme objets auditifs alors qu’elles sont normalement dédiées au traitement des objets visuels. Cette réorganisation passe probablement par les connections cortico-corticales.

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.

Regional specialization in pyramidal cell structure in the visual cortex of the galago: An intracellular injection study of striate and extrastriate areas with comparative notes on New World and Old World monkeys

Recent studies have revealed marked differences in the basal dendritic structure of layer III pyramidal cells in the cerebral cortex of adult simian primates. In particular, there is a consistent trend for pyramidal cells of increasing complexity with anterior progression through occipitotemporal cortical visual areas. These differences in pyramidal cell structure, and their systematic nature, are believed to be important for specialized aspects of visual processing within, and between, cortical areas. However, it remains unknown whether this regional specialization in the pyramidal cell phenotype is unique to simians, is unique to primates in general or is widespread amongst mammalian species. In the present study we investigated pyramidal cell structure in the prosimian galago (Otolemur garnetti). We found, as in simians, that the basal dendritic arbors of pyramidal cells differed between cortical areas. More specifically, pyramidal cells became progressively more spinous through the primary (V1), second (V2), dorsolateral (DL) and inferotemporal ( IT) visual areas. Moreover, pyramidal neurons in V1 of the galago are remarkably similar to those in other primate species, in spite of large differences in the sizes of this area. In contrast, pyramidal cells in inferotemporal cortex are quite variable among primate species. These data suggest that regional specialization in pyramidal cell phenotype was a likely feature of cortex in a common ancestor of simian and prosimian primates, but the degree of specialization varies between species. Copyright (C) 2005 S. Karger AG, Basel.

Resolving the organization of the New World monkey third visual complex: The dorsal extrastriate cortex of the marmoset (Callithrix jacchus)

We tested current hypotheses on the functional organization of the third visual complex, a particularly controversial region of the primate extrastriate cortex. In anatomical experiments, injections of retrograde tracers were placed in the dorsal cortex immediately rostral to the second visual area (V2) of New World monkeys (Callithrix jacchus), revealing the topography of interconnections between the third tier cortex and the primary visual area (V1). The data indicate the presence of a dorsomedial area (DM), which represents the entire upper and lower quadrants of the visual field, and which receives strong, topographically organized projections from the superficial layers of V1. The visuotopic organization and boundaries of DM were confirmed by electrophysiological recordings in the same animals and by architectural characteristics which were distinct from those found in ventral extrastriate cortex rostral to V2. There was no electrophysiological or histological evidence for a transitional area between V2 and DM. In particular, the central representation of the upper quadrant in DM was directly adjacent to the representation of the horizontal meridian that marks the rostral border of V2. The present results argue in favor of the hypothesis that the third visual complex in New World monkeys contains different areas in its dorsal and ventral components: area DM, near the dorsal midline, and a homolog of area 19 of other mammals, located more lateral and ventrally. The characteristics of DM suggest that it may correspond to visual area 6 (V6) of Old World monkeys. (C) 2005 Wiley-Liss, Inc.

Specialization of pyramidal cell structure in the visual areas V1, V2 and V3 of the South American rodent, Dasyprocta primnolopha

Marked phenotypic variation has been reported in pyramidal cells in the primate cerebral cortex. These extent and systematic nature of these specializations suggest that they are important for specialized aspects of cortical processing. However, it remains unknown as to whether regional variations in the pyramidal cell phenotype are unique to primates or if they are widespread amongst mammalian species. In the present study we determined the receptive fields of neurons in striate and extrastriate visual cortex, and quantified pyramidal cell structure in these cortical regions, in the diurnal, large-brained, South American rodent Dasyprocta primnolopha. We found evidence for a first, second and third visual area (V1, V2 and V3, respectively) forming a lateral progression from the occipital pole to the temporal pole. Pyramidal cell structure became increasingly more complex through these areas, suggesting that regional specialization in pyramidal cell phenotype is not restricted to primates. However, cells in V1, V2 and V3 of the agouti were considerably more spinous than their counterparts in primates, suggesting different evolutionary and developmental influences may act on cortical microcircuitry in rodents and primates. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Neuropathological changes in striate and extrastriate visual cortex in variant Creutzfeldt-Jakob disease (vCJD)

Pathological changes in striate (B17, V1) and extrastriate (B18, V2) visual cortex were studied in variant Creutzfeldt-Jakob disease (vCJD). No differences in densities of vacuoles or surviving neurons were observed in B17 and B18 but densities of glial cell nuclei and deposits of prion protein (PrP) were greater in B18. PrP deposit densities in B17 and B18 were positively correlated. Diffuse deposit density in B17 was negatively correlated with the density of surviving neurons in B18. The vacuoles either exhibited a density peak in laminae II/III and V/VI or were more uniformly distributed across the laminae. Diffuse deposits were most frequent in laminae II/III and florid deposits more generally distributed. In B18, the surviving neurons were more consistently bimodally distributed and the glial cell nuclei most abundant in laminae V/VI than in B17. Hence, both striate and extrastriate visual cortex is affected by the pathology of vCJD, the pathological changes being most severe in B18. Neuronal degeneration in B18 appears to be associated with diffuse PrP deposit formation in B17. These data suggest that the short cortico-cortical connections between B17 and B18 and the pathways to subcortical visual areas are compromised in vCJD.

The neuropathology of the occipital cortex and its significance in the visual problems of patients with variant Creutzfeldt-Jakob disease (vCJD)

The occipital lobe is one of the cortical areas most affected by the pathology of variant Creutzfeldt-Jakob disease (vCJD). To understand the visual problems of vCJD patients, neuropathological changes were studied in striate (B17, V1) and extrastriate (B18, V2) regions of the occipital cortex in eleven cases of vCJD. No differences in the density of vacuoles or surviving neurons were observed in B17 and B18 but densities of glial cell nuclei and deposits of the protease resistant form of prion protein (PrPsc) were greater in B18. The density of PrPsc deposits in B17 was positively correlated with their density in B18. The density of the diffuse PrPsc deposits in B17 was negatively correlated with the density of the surviving neurons in B18. In B17 and B18, the vacuoles either exhibited density peaks in laminae II/III and V/VI or were more uniformly distributed across the laminae. Diffuse PrPsc deposits were most frequent in laminae II/III and florid PrPsc deposits more generally distributed. In B18, the surviving neurons were more consistently bimodally distributed and the glial cell nuclei most abundant in laminae V/VI compared with B17. Hence, both striate and extrastriate areas of the occipital cortex are affected by the pathology of vCJD, the pathological changes being most severe in B18. Neuronal degeneration in B18 may be associated with the development of diffuse PrPsc deposits in B17. These data suggest that the short cortico-cortical connections between B17 and B18 and the pathways to subcortical visual areas are compromised in vCJD. Pathological changes in striate and extrastriate regions of the occipital cortex may contribute to several of the visual problems identified in patients with vCJD including oculomotor and visuo-spatial function.

The visual cortex in Alzheimer disease:laminar distribution of the pathological changes in visual areas V1 and V2

Alzheimer’s disease (AD) is an important neurodegenerative disorder causing visual problems in the elderly population. The pathology of AD includes the deposition in the brain of abnormal aggregates of ?-amyloid (A?) in the form of senile plaques (SP) and abnormally phosphorylated tau in the form of neurofibrillary tangles (NFT). A variety of visual problems have been reported in patients with AD including loss of visual acuity (VA), colour vision and visual fields; changes in pupillary responses to mydriatics, defects in fixation and in smooth and saccadic eye movements; changes in contrast sensitivity and in visual evoked potentials (VEP); and disturbances in complex visual tasks such as reading, visuospatial function, and in the naming and identification of objects. In addition, pathological changes have been observed to affect the eye, visual pathway, and visual cortex in AD. To better understand degeneration of the visual cortex in AD, the laminar distribution of the SP and NFT was studied in visual areas V1 and V2 in 18 cases of AD which varied in disease onset and duration. In area V1, the mean density of SP and NFT reached a maximum in lamina III and in laminae II and III respectively. In V2, mean SP density was maximal in laminae III and IV and NFT density in laminae II and III. The densities of SP in laminae I of V1 and NFT in lamina IV of V2 were negatively correlated with patient age. No significant correlations were observed in any cortical lamina between the density of NFT and disease onset or duration. However, in area V2, the densities of SP in lamina II and lamina V were negatively correlated with disease duration and disease onset respectively. In addition, there were several positive correlations between the densities of SP and NFT in V1 with those in area V2. The data suggest: (1) NFT pathology is greater in area V2 than V1, (2) laminae II/III of V1 and V2 are most affected by the pathology, (3) the formation of SP and NFT in V1 and V2 are interconnected, and (4) the pathology may spread between visual areas via the feed-forward short cortico-cortical connections.

The neuropathology of the occipital cortex and its significance in the visual problems of patients with variant Creutzfeldt-Jakob Disease (vCJD)

The occipital lobe is one of the cortical areas most affected by the pathology of variant Creutzfeldt-Jakob disease (vCJD). To understand the visual problems of vCJD patients, neuropathological changes were studied in striate (B17, V1) and extrastriate (B18, V2) regions of the occipital cortex in eleven cases of vCJD. No differences in the density of vacuoles or surviving neurons were observed in B17 and B18 but densities of glial cell nuclei and deposits of the protease resistant form of prion protein (PrPsc) were greater in B18. The density of PrPsc deposits in B17 was positively correlated with their density in B18. The density of the diffuse PrPsc deposits in B17 was negatively correlated with the density of the surviving neurons in B18. In B17 and B18, the vacuoles either exhibited density peaks in laminae II/III and V/VI or were more uniformly distributed across the laminae. Diffuse PrPsc deposits were most frequent in laminae II/III and florid PrPsc deposits more generally distributed. In B18, the surviving neurons were more consistently bimodally distributed and the glial cell nuclei most abundant in laminae V/VI compared with B17. Hence, both striate and extrastriate areas of the occipital cortex are affected by the pathology of vCJD, the pathological changes being most severe in B18. Neuronal degeneration in B18 may be associated with the development of diffuse PrPsc deposits in B17. These data suggest that the short cortico-cortical connections between B17 and B18 and the pathways to subcortical visual areas are compromised in vCJD. Pathological changes in striate and extrastriate regions of the occipital cortex may contribute to several of the visual problems identified in patients with vCJD including oculomotor and visuo-spatial function. © 2012 Nova Science Publishers, Inc. All rights reserved.