Distribution of AMPA-type glutamate receptor subunits in the chick visual system

Several glutamate receptor (GluR) subunits have been characterized during the past few years. In the present study, subunit-specific antisera were used to determine the distribution of the AMPA-type glutamate receptor subunits GluR1-4 in retinorecipient areas of the chick brain. Six white leghorn chicks (Gallus gallus, 7-15 days old, unknown sex) were deeply anesthetized and perfused with 4% buffered paraformaldehyde and brain sections were stained using immunoperoxidase techniques. The AMPA-type glutamate receptor subunits GluR1, GluR2/3 and GluR4 were present in several retinorecipient areas, with varying degrees of colocalization. For example, perikarya in layers 2, 3, and 5 of the optic tectum contained GluR1, whereas GluR2/3 subunits appeared mainly in neurons of layer 13. The GluR4 subunit was only detected in a few cells of the tectal layer 13. GluR1 and GluR2/3 were observed in neurons of the nucleus geniculatus lateralis ventralis, whereas GluR4 was only present in its neuropil. Somata in the accessory optic nucleus appeared to contain GluR2/3 and GluR4, whereas GluR1 was the dominant subunit in the neuropil of this nucleus. These results suggest that different subpopulations of visual neurons might express different combinations of AMPA-type GluR subunits, which in turn might generate different synaptic responses to glutamate derived from retinal ganglion cell axons

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.

Neural mechanisms for visual memory and their role in attention

Recent studies show that neuronal mechanisms for learning and memory both dynamically modulate and permanently alter the representations of visual stimuli in the adult monkey cortex. Three commonly observed neuronal effects in memory-demanding tasks are repetition suppression, enhancement, and delay activity. In repetition suppression, repeated experience with the same visual stimulus leads to both short- and long-term suppression of neuronal responses in subpopulations of visual neurons. Enhancement works in an opposite fashion, in that neuronal responses are enhanced for objects with learned behavioral relevance. Delay activity is found in tasks in which animals are required to actively hold specific information “on-line” for short periods. Repetition suppression appears to be an intrinsic property of visual cortical areas such as inferior temporal cortex and is thought to be important for perceptual learning and priming. By contrast, enhancement and delay activity may depend on feedback to temporal cortex from prefrontal cortex and are thought to be important for working memory. All of these mnemonic effects on neuronal responses bias the competitive interactions that take place between stimulus representations in the cortex when there is more than one stimulus in the visual field. As a result, memory will often determine the winner of these competitions and, thus, will determine which stimulus is attended.

Neuroarchitecture of the color and polarization vision system of the stomatopod haptosquilla

The apposition compound eyes of stomatopod crustaceans contain a morphologically distinct eye region specialized for color and polarization vision, called the mid-band. In two stomatopod superfamilies, the mid-band is constructed from six rows of enlarged ommatidia containing multiple photoreceptor classes for spectral and polarization vision. The aim of this study was to begin to analyze the underlying neuroarchitecture, the design of which might reveal clues how the visual system interprets and communicates to deeper levels of the brain the multiple channels of information supplied by the retina. Reduced silver methods were used to investigate the axon pathways from different retinal regions to the lamina ganglionaris and from there to the medulla externa, the medulla interna, and the medulla terminalis. A swollen band of neuropil-here termed the accessory lobe-projects across the equator of. the lamina ganglionaris, the medulla externa, and the medulla interna and represents, structurally, the retina's mid-band. Serial semithin and ultrathin resin sections were used to reconstruct the projection of photoreceptor axons from the retina to the lamina ganglionaris. The eight axons originating from one ommatidium project to the same lamina cartridge. Seven short visual fibers end at two distinct levels in each lamina cartridge, thus geometrically separating the two channels of polarization and spectral information. The eighth visual fiber runs axially through the cartridge and terminates in the medulla externa. We conclude that spatial, color, and polarization information is divided into three parallel data streams from the retina to the central nervous system. (C) 2003 Wiley-Liss, Inc.

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.

Distributed, layered and reliable computing nets to represent neuronal receptive fields

Abstract. Receptive fields of retinal and other sensory neurons show a large variety of spatiotemporal linear and non linear types of responses to local stimuli. In visual neurons, these responses present either asymmetric sensitive zones or center-surround organization. In most cases, the nature of the responses suggests the existence of a kind of distributed computation prior to the integration by the final cell which is evidently supported by the anatomy. We describe a new kind of discrete and continuous filters to model the kind of computations taking place in the receptive fields of retinal cells. To show their performance in the analysis of diferent non-trivial neuron-like structures, we use a computer tool specifically programmed by the authors to that efect. This tool is also extended to study the efect of lesions on the whole performance of our model nets.

How photons start vision.

Recent studies have elucidated how the absorption of a photon in a rod or cone cell leads to the generation of the amplified neural signal that is transmitted to higher-order visual neurons. Photoexcited visual pigment activates the GTP-binding protein transducin, which in turn stimulates cGMP phosphodiesterase. This enzyme hydrolyzes cGMP, allowing cGMP-gated cationic channels in the surface membrane to close, hyperpolarize the cell, and modulate transmitter release at the synaptic terminal. The kinetics of reactions in the cGMP cascade limit the temporal resolution of the visual system as a whole, while statistical fluctuations in the reactions limit the reliability of detection of dim light. Much interest now focuses on the processes that terminate the light response and dynamically regulate amplification in the cascade, causing the single photon response to be reproducible and allowing the cell to adapt in background light. A light-induced fall in the internal free Ca2+ concentration coordinates negative feedback control of amplification. The fall in Ca2+ stimulates resynthesis of cGMP, antagonizes rhodopsin's catalytic activity, and increases the affinity of the light-regulated cationic channel for cGMP. We are using physiological methods to study the molecular mechanisms that terminate the flash response and mediate adaptation. One approach is to observe transduction in truncated, dialyzed photoreceptor cells whose internal Ca2+ and nucleotide concentrations are under experimental control and to which exogenous proteins can be added. Another approach is to observe transduction in transgenic mouse rods in which specific proteins within the cascade are altered or deleted.

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

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

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

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

Quantitative distribution of parvalbumin, calretinin, and calbindin D-28k immunoreactive neurons in the visual cortex of normal and Alzheimer cases.

The distribution of parvalbumin (PV), calretinin (CR), and calbindin (CB) immunoreactive neurons was studied with the help of an image analysis system (Vidas/Zeiss) in the primary visual area 17 and associative area 18 (Brodmann) of Alzheimer and control brains. In neither of these areas was there a significant difference between Alzheimer and control groups in the mean number of PV, CR, or CB immunoreactive neuronal profiles, counted in a cortical column going from pia to white matter. Significant differences in the mean densities (numbers per square millimeter of cortex) of PV, CR, and CB immunoreactive neuronal profiles were not observed either between groups or areas, but only between superficial, middle, and deep layers within areas 17 and 18. The optical density of the immunoreactive neuropil was also similar in Alzheimer and controls, correlating with the numerical density of immunoreactive profiles in superficial, middle, and deep layers. The frequency distribution of neuronal areas indicated significant differences between PV, CR, and CB immunoreactive neuronal profiles in both areas 17 and 18, with more large PV than CR and CB positive profiles. There were also significantly more small and less large PV and CR immunoreactive neuronal profiles in Alzheimer than in controls. Our data show that, although the brain pathology is moderate to severe, there is no prominent decrease of PV, CR and CB positive neurons in the visual cortex of Alzheimer brains, but only selective changes in neuronal perikarya.

Auditory Neurons with Transitory Axons to Visual Areas Form Short Permanent Projections.

The kitten's auditory cortex (including the first and second auditory fields AI and AII) is known to send transient axons to either ipsi- or contralateral visual areas 17 and 18. By the end of the first postnatal month the transitory axons, but not their neurons of origin, are eliminated. Here we investigated where these neurons project after the elimination of the transitory axon. Eighteen kittens received early (postnatal day (pd) 2 - 5) injections of long lasting retrograde fluorescent traces in visual areas 17 and 18 and late (pd 35 - 64) injections of other retrograde fluorescent tracers in either hemisphere, mostly in areas known to receive projections from AI and AII in the adult cat. The middle ectosylvian gyrus was analysed for double-labelled neurons in the region corresponding approximately to AI and AII. Late injections in the contralateral (to the analysed AI, AII) hemisphere including all of the known auditory areas, as well as some visual and 'association' areas, did not relabel neurons which had had transient projections to either ipsi- or contralateral visual areas 17 - 18. Thus, AI and AII neurons after eliminating their transient juvenile projections to visual areas 17 and 18 do not project to the other hemisphere. In contrast, relabelling was obtained with late injections in several locations in the ipsilateral hemisphere; it was expressed as per cent of the population labelled by the early injections. Few neurons (0 - 2.5%) were relabelled by large injections in the caudal part of the posterior ectosylvian gyrus and the adjacent posterior suprasylvian sulcus (areas DP, P, VP). Multiple injections in the middle ectosylvian gyrus relabelled a considerably larger percentage of neurons (13%). Single small injections in the middle ectosylvian gyrus (areas AI, AII), the caudal part of the anterior ectosylvian gyrus and the rostral part of the posterior ectosylvian gyrus relabelled 3.1 - 7.0% of neurons. These neurons were generally near (<2.0 mm) the outer border of the late injection sites. Neurons with transient projections to ipsi- or contralateral visual areas 17 and 18 were relabelled in similar proportions by late injections at any given location. Thus, AI or AII neurons which send a transitory axon to ipsi- or contralateral visual areas 17 and 18 are most likely to form short permanent cortical connections. In that respect, they are similar to medial area 17 neurons that form transitory callosal axons and short permanent axons to ipsilateral visual areas 17 and 18.

Changes in volume, surface estimate, three-dimensional shape and total number of neurons of the human primary visual cortex from midgestation until old age.

Macroscopic features such as volume, surface estimate, thickness and caudorostral length of the human primary visual cortex (Brodman's area 17) of 46 human brains between midgestation and 93 years were studied by means of camera lucida drawings from serial frontal sections. Individual values were best fitted by a logistic function from midgestation to adulthood and by a regression line between adulthood and old age. Allometric functions were calculated to study developmental relationships between all the features. The three-dimensional shape of area 17 was also reconstructed from the serial sections in 15 cases and correlated with the sequence of morphological events. The sulcal pattern of area 17 begins to develop around 21 weeks of gestation but remains rather simple until birth, while it becomes more convoluted, particularly in the caudal part, during the postnatal period. Until birth, a large increase in cortical thickness (about 83% of its mean adult value) and caudorostral length (69%) produces a moderate increase in cortical volume (31%) and surface estimate (40%) of area 17. After birth, the cortical volume and surface undergo their maximum growth rate, in spite of a rather small increase in cortical thickness and caudorostral length. This is due to the development of the pattern of gyrification within and around the calcarine fissure. All macroscopic features have reached the mean adult value by the end of the first postnatal year. With aging, the only features to undergo significant regression are the cortical surface estimate and the caudorostral length. The total number of neurons in area 17 shows great interindividual variability at all ages. No decrease in the postnatal period or in aging could be demonstrated.