The influence of visual inter-hemispheric connections on spiking, assembly and LFP activities, and their phase relationship during figure-ground stimulation

Desde os descobrimentos pioneiros de Hubel e Wiesel acumulou-se uma vasta literatura descrevendo as respostas neuronais do córtex visual primário (V1) a diferentes estímulos visuais. Estes estímulos consistem principalmente em barras em movimento, pontos ou grades, que são úteis para explorar as respostas dentro do campo receptivo clássico (CRF do inglês classical receptive field) a características básicas dos estímulos visuais como a orientação, direção de movimento, contraste, entre outras. Entretanto, nas últimas duas décadas, tornou-se cada vez mais evidente que a atividade de neurônios em V1 pode ser modulada por estímulos fora do CRF. Desta forma, áreas visuais primárias poderiam estar envolvidas em funções visuais mais complexas como, por exemplo, a separação de um objeto ou figura do seu fundo (segregação figura-fundo) e assume-se que as conexões intrínsecas de longo alcance em V1, assim como as conexões de áreas visuais superiores, estão ativamente envolvidas neste processo. Sua possível função foi inferida a partir da análise das variações das respostas induzidas por um estímulo localizado fora do CRF de neurônios individuais. Mesmo sendo muito provável que estas conexões tenham também um impacto tanto na atividade conjunta de neurônios envolvidos no processamento da figura quanto no potencial de campo, estas questões permanecem pouco estudadas. Visando examinar a modulação do contexto visual nessas atividades, coletamos potenciais de ação e potenciais de campo em paralelo de até 48 eletrodos implantados na área visual primária de gatos anestesiados. Estimulamos com grades compostas e cenas naturais, focando-nos na atividade de neurônios cujo CRF estava situado na figura. Da mesma forma, visando examinar a influência das conexões laterais, o sinal proveniente da área visual isotópica e contralateral foi removido através da desativação reversível por resfriamento. Fizemos isso devido a: i) as conexões laterais intrínsecas não podem ser facilmente manipuladas sem afetar diretamente os sinais que estão sendo medidos, ii) as conexões inter-hemisféricas compartilham as principais características anatômicas com a rede lateral intrínseca e podem ser vistas como uma continuação funcional das mesmas entre os dois hemisférios e iii) o resfriamento desativa as conexões de forma causal e reversível, silenciando temporariamente seu sinal, permitindo conclusões diretas a respeito da sua contribuição. Nossos resultados demonstram que o mecanismo de segmentação figurafundo se reflete nas taxas de disparo de neurônios individuais, assim como na potência do potencial de campo e na relação entre sua fase e os padrões de disparo produzidos pela população. Além disso, as conexões laterais inter-hemisféricas modulam estas variáveis dependendo da estimulação feita fora do CRF. Observamos também uma influência deste circuito lateral na coerência entre potenciais de campo entre eletrodos distantes. Em conclusão, nossos resultados dão suporte à ideia de um mecanismo complexo de segmentação figura-fundo atuando desde as áreas visuais primárias em diferentes escalas de frequência. Esse mecanismo parece envolver grupos de neurônios ativos sincronicamente e dependentes da fase do potencial de campo. Nossos resultados também são compatíveis com a hipótese que conexões laterais de longo alcance também fazem parte deste mecanismo

Parkinsonian tremor identification with multiple local field potential feature classification

This paper explores the development of multi-feature classification techniques used to identify tremor-related characteristics in the Parkinsonian patient. Local field potentials were recorded from the subthalamic nucleus and the globus pallidus internus of eight Parkinsonian patients through the implanted electrodes of a Deep brain stimulation (DBS) device prior to device internalization. A range of signal processing techniques were evaluated with respect to their tremor detection capability and used as inputs in a multi-feature neural network classifier to identify the activity of Parkinsonian tremor. The results of this study show that a trained multi-feature neural network is able, under certain conditions, to achieve excellent detection accuracy on patients unseen during training. Overall the tremor detection accuracy was mixed, although an accuracy of over 86% was achieved in four out of the eight patients.

Local Field Potentials in the Gustatory Cortex Carry Taste Information

It has been recently shownthat localfield potentials (LFPs)fromthe auditory and visual cortices carry information about sensory stimuli, but whether this is a universal property of sensory cortices remains to be determined. Moreover, little is known about the temporal dynamics of sensory information contained in LFPs following stimulus onset. Here we investigated the time course of the amount of stimulus information in LFPs and spikes from the gustatory cortex of awake rats subjected to tastants and water delivery on the tongue. We found that the phase and amplitude of multiple LFP frequencies carry information about stimuli, which have specific time courses after stimulus delivery. The information carried by LFP phase and amplitude was independent within frequency bands, since the joint information exhibited neither synergy nor redundancy. Tastant information in LFPs was also independent and had a different time course from the information carried by spikes. These findings support the hypothesis that the brain uses different frequency channels to dynamically code for multiple features of a stimulus.

Local Field Potentials in the Gustatory Cortex Carry Taste Information

It has been recently shownthat localfield potentials (LFPs)fromthe auditory and visual cortices carry information about sensory stimuli, but whether this is a universal property of sensory cortices remains to be determined. Moreover, little is known about the temporal dynamics of sensory information contained in LFPs following stimulus onset. Here we investigated the time course of the amount of stimulus information in LFPs and spikes from the gustatory cortex of awake rats subjected to tastants and water delivery on the tongue. We found that the phase and amplitude of multiple LFP frequencies carry information about stimuli, which have specific time courses after stimulus delivery. The information carried by LFP phase and amplitude was independent within frequency bands, since the joint information exhibited neither synergy nor redundancy. Tastant information in LFPs was also independent and had a different time course from the information carried by spikes. These findings support the hypothesis that the brain uses different frequency channels to dynamically code for multiple features of a stimulus.

Local Field Potentials in the Gustatory Cortex Carry Taste Information

It has been recently shownthat localfield potentials (LFPs)fromthe auditory and visual cortices carry information about sensory stimuli, but whether this is a universal property of sensory cortices remains to be determined. Moreover, little is known about the temporal dynamics of sensory information contained in LFPs following stimulus onset. Here we investigated the time course of the amount of stimulus information in LFPs and spikes from the gustatory cortex of awake rats subjected to tastants and water delivery on the tongue. We found that the phase and amplitude of multiple LFP frequencies carry information about stimuli, which have specific time courses after stimulus delivery. The information carried by LFP phase and amplitude was independent within frequency bands, since the joint information exhibited neither synergy nor redundancy. Tastant information in LFPs was also independent and had a different time course from the information carried by spikes. These findings support the hypothesis that the brain uses different frequency channels to dynamically code for multiple features of a stimulus.

Balanced excitation and inhibition: Model based analysis of local field potentials

We have developed a model of the local field potential (LFP) based on the conservation of charge, the independence principle of ionic flows and the classical Hodgkin–Huxley (HH) type intracellular model of synaptic activity. Insights were gained through the simulation of the HH intracellular model on the nonlinear relationship between the balance of synaptic conductances and that of post-synaptic currents. The latter is dependent not only on the former, but also on the temporal lag between the excitatory and inhibitory conductances, as well as the strength of the afferent signal. The proposed LFP model provides a method for decomposing the LFP recordings near the soma of layer IV pyramidal neurons in the barrel cortex of anaesthetised rats into two highly correlated components with opposite polarity. The temporal dynamics and the proportional balance of the two components are comparable to the excitatory and inhibitory post-synaptic currents computed from the HH model. This suggests that the two components of the LFP reflect the underlying excitatory and inhibitory post-synaptic currents of the local neural population. We further used the model to decompose a sequence of evoked LFP responses under repetitive electrical stimulation (5 Hz) of the whisker pad. We found that as neural responses adapted, the excitatory and inhibitory components also adapted proportionately, while the temporal lag between the onsets of the two components increased during frequency adaptation. Our results demonstrated that the balance between neural excitation and inhibition can be investigated using extracellular recordings. Extension of the model to incorporate multiple compartments should allow more quantitative interpretations of surface Electroencephalography (EEG) recordings into components reflecting the excitatory, inhibitory and passive ionic current flows generated by local neural populations.

Excitatory–inhibitory network in the visual cortex: Psychophysical evidence

At early stages in visual processing cells respond to local stimuli with specific features such as orientation and spatial frequency. Although the receptive fields of these cells have been thought to be local and independent, recent physiological and psychophysical evidence has accumulated, indicating that the cells participate in a rich network of local connections. Thus, these local processing units can integrate information over much larger parts of the visual field; the pattern of their response to a stimulus apparently depends on the context presented. To explore the pattern of lateral interactions in human visual cortex under different context conditions we used a novel chain lateral masking detection paradigm, in which human observers performed a detection task in the presence of different length chains of high-contrast-flanked Gabor signals. The results indicated a nonmonotonic relation of the detection threshold with the number of flankers. Remote flankers had a stronger effect on target detection when the space between them was filled with other flankers, indicating that the detection threshold is caused by dynamics of large neuronal populations in the neocortex, with a major interplay between excitation and inhibition. We considered a model of the primary visual cortex as a network consisting of excitatory and inhibitory cell populations, with both short- and long-range interactions. The model exhibited a behavior similar to the experimental results throughout a range of parameters. Experimental and modeling results indicated that long-range connections play an important role in visual perception, possibly mediating the effects of context.

Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

Vector-Based Integration of Local and Long-Range Information in Visual Cortex

Integration of inputs by cortical neurons provides the basis for the complex information processing performed in the cerebral cortex. Here, we propose a new analytic framework for understanding integration within cortical neuronal receptive fields. Based on the synaptic organization of cortex, we argue that neuronal integration is a systems--level process better studied in terms of local cortical circuitry than at the level of single neurons, and we present a method for constructing self-contained modules which capture (nonlinear) local circuit interactions. In this framework, receptive field elements naturally have dual (rather than the traditional unitary influence since they drive both excitatory and inhibitory cortical neurons. This vector-based analysis, in contrast to scalarsapproaches, greatly simplifies integration by permitting linear summation of inputs from both "classical" and "extraclassical" receptive field regions. We illustrate this by explaining two complex visual cortical phenomena, which are incompatible with scalar notions of neuronal integration.

Topographic plasticity in primary visual cortex is mediated by local corticocortical connections

The placement of monocular laser lesions in the adult cat retina produces a lesion projection zone (LPZ) in primary visual cortex (V1) in which the majority of neurons have a normally located receptive field (RF) for stimulation of the intact eye and an ectopically located RF ( displaced to intact retina at the edge of the lesion) for stimulation of the lesioned eye. Animals that had such lesions for 14 - 85 d were studied under halothane and nitrous oxide anesthesia with conventional neurophysiological recording techniques and stimulation of moving light bars. Previous work suggested that a candidate source of input, which could account for the development of the ectopic RFs, was long-range horizontal connections within V1. The critical contribution of such input was examined by placing a pipette containing the neurotoxin kainic acid at a site in the normal V1 visual representation that overlapped with the ectopic RF recorded at a site within the LPZ. Continuation of well defined responses to stimulation of the intact eye served as a control against direct effects of the kainic acid at the LPZ recording site. In six of seven cases examined, kainic acid deactivation of neurons at the injection site blocked responsiveness to lesioned-eye stimulation at the ectopic RF for the LPZ recording site. We therefore conclude that long-range horizontal projections contribute to the dominant input underlying the capacity for retinal lesion-induced plasticity in V1.

Cholinergic enhancement of perceptual learning : behavioral, physiological, and neuro-pharmacological study in the rat primary visual cortex

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive.

Pre-Attentive Segmentation in the Primary Visual Cortex

Stimuli outside classical receptive fields have been shown to exert significant influence over the activities of neurons in primary visual cortexWe propose that contextual influences are used for pre-attentive visual segmentation, in a new framework called segmentation without classification. This means that segmentation of an image into regions occurs without classification of features within a region or comparison of features between regions. This segmentation framework is simpler than previous computational approaches, making it implementable by V1 mechanisms, though higher leve l visual mechanisms are needed to refine its output. However, it easily handles a class of segmentation problems that are tricky in conventional methods. The cortex computes global region boundaries by detecting the breakdown of homogeneity or translation invariance in the input, using local intra-cortical interactions mediated by the horizontal connections. The difference between contextual influences near and far from region boundaries makes neural activities near region boundaries higher than elsewhere, making boundaries more salient for perceptual pop-out. This proposal is implemented in a biologically based model of V1, and demonstrated using examples of texture segmentation and figure-ground segregation. The model performs segmentation in exactly the same neural circuit that solves the dual problem of the enhancement of contours, as is suggested by experimental observations. Its behavior is compared with psychophysical and physiological data on segmentation, contour enhancement, and contextual influences. We discuss the implications of segmentation without classification and the predictions of our V1 model, and relate it to other phenomena such as asymmetry in visual search.

Visual Segmentation without Classification in a Model of the Primary Visual Cortex

Stimuli outside classical receptive fields significantly influence the neurons' activities in primary visual cortex. We propose that such contextual influences are used to segment regions by detecting the breakdown of homogeneity or translation invariance in the input, thus computing global region boundaries using local interactions. This is implemented in a biologically based model of V1, and demonstrated in examples of texture segmentation and figure-ground segregation. By contrast with traditional approaches, segmentation occurs without classification or comparison of features within or between regions and is performed by exactly the same neural circuit responsible for the dual problem of the grouping and enhancement of contours.

Direct evidence for attention-dependent influences of the frontal eye-fields on feature-responsive visual cortex

Voluntary selective attention can prioritize different features in a visual scene. The frontal eye-fields (FEF) are one potential source of such feature-specific top-down signals, but causal evidence for influences on visual cortex (as was shown for "spatial" attention) has remained elusive. Here, we show that transcranial magnetic stimulation (TMS) applied to right FEF increased the blood oxygen level-dependent (BOLD) signals in visual areas processing "target feature" but not in "distracter feature"-processing regions. TMS-induced BOLD signals increase in motion-responsive visual cortex (MT+) when motion was attended in a display with moving dots superimposed on face stimuli, but in face-responsive fusiform area (FFA) when faces were attended to. These TMS effects on BOLD signal in both regions were negatively related to performance (on the motion task), supporting the behavioral relevance of this pathway. Our findings provide new causal evidence for the human FEF in the control of nonspatial "feature"-based attention, mediated by dynamic influences on feature-specific visual cortex that vary with the currently attended property.