Interplay between BDNF,TrkB signalling and GABAergic inhibition in the visual cortex of mice

Der visuelle Kortex ist eine der attraktivsten Modellsysteme zur Untersuchung der molekularen Mechanismen der synaptischen Plastizität im Gehirn. Es hat sich gezeigt, dass der Wachstumsfaktor brain-derived-neurotrophic-factor (BDNF) und die GABAerge Hemmung während der Entwicklung eine essentielle Funktion in der Regulierung der synaptischen Plastizität im visuellen Kortex besitzen. BDNF bindet u.a. an TrkB Rezeptoren, die das Signal intrazellular an unterschiedliche Effektormoleküle weiter vermitteln. Außer BDNF sind auch andere TrkB-Rezeptor Agonisten in der Literatur beschrieben. Einer davon ist das kürzlich identifizierte Flavonoid 7,8-Dihydroxyflavone (7,8-DHF), welchem eine neurotrophe Wirkung zugeschrieben wird. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Doktorarbeit wurde der Effekt dieses Agonisten auf die synaptische Übertragung und intrinsischen Zelleigenschaften im visuellen Kortex der Maus untersucht. Dies wurde mit Hilfe der whole-cell patch clamp Methode durchgeführt, wobei die synaptischen Eingänge der Pyramidalzellen der kortikalen Schicht 2/3 von besonderem Interesse waren.rnEine 30 minütige Inkubationszeit der kortikalen Schnitte mit 7,8 DHF (20µM) erzielte eine signifikante Reduktion der GABAergen Hemmung, während die glutamaterge synaptische Übertragung unverändert blieb. Des weiteren konnte in Gegenwart von 7,8 DHF eine Veränderung der intrinsischen neuronalen Zellmembraneigenschaften beobachtet werden. Dies wurde deutlich in der Erhöhung des Eingangwiderstandes und der Frequenz der induzierten Aktionspotentiale. Die chronische Applikation von 7,8 DHF in vivo bestätigte die selektive Wirkung von 7,8 DHF auf das GABAerge System. rnDie Rolle des BDNF-TrkB-Signalweges in der GABAergen Hemmung nach kortikalen Verletzungen ist bisher wenig verstanden. Eine häufig beschriebene elektrophysiologische Veränderung nach kortikaler Verletzung ist eine Reduktion in der GABAergen Hemmung. Im zweiten Abschnitt dieser Doktorarbeit wurde hierzu die Funktion des BDNF-TrkB-Signalweges auf die GABAerge Hemmung nach kortikaler Verletzung untersucht. Es wurde ein "ex-vivo/in-vitro“ Laser-Läsions Modell verwendet, wobei mittels eines Lasers im visuellen Kortex von WT und heterozygoten BDNF (+/−) Mäusen eine definierte, reproduzierbare Läsion induziert wurde. Nachfolgende elektrophysiologische Messungen ergaben, dass die Auswirkung einer Verletzung des visuellen Kortex auf die GABAerge Funktion signifikant von der basalen BDNF Konzentration im Kortex abhängt. Des weiteren konnte beobachtet werden, dass nach kortikaler Verletzung in WT Mäusen sowohl die Frequenz der basalen inhibitorischen, postsynaptischen Potentiale (mIPSCs) reduziert war, als auch ein erhöhtes Paired-Pulse Verhältnis vorlag. Diese Ergebnisse deuten auf Veränderungen der präsynaptischen Funktion inhibitorischer Synapsen auf Pyramidalneurone hin. Im Gegensatz dazu konnte in BDNF (+/−) mice Mäusen eine erhöhte und gleichzeitig verlängerte mIPSC-Amplitude beobachtet werden, induziert durch Reizung afferenter Nervenfasern. Hieraus lässt sich schließen, dass kortikale Verletzungen in BDNF (+/−) mice Mäusen Auswirkungen auf die Eigenschaften von postsynaptischen GABAA-Rezeptoren haben. Die nachfolgende Gabe eines TrkB-Rezeptor Antagonisten bestätigte diese Ergebnisse für das GABAerge System post-Läsion. Dies zeigt auch, dass die Änderungen der synaptischen Hemmung nicht auf eine Reduktion der BDNF-Konzentration zurückzuführen sind. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass der BDNF-TrkB Signalweg eine wichtige Rolle in der Reorganisation der GABAergen Hemmung nach kortikalen Verletzungen spielt. So könnte ein TrkB-Rezeptor Agonist, wie das kürzlich entdeckte 7,8-DHF, über eine Modulation der BDNF-TrB Signalkaskade pharmakologisch die funktionelle Reorganisation des Kortex nach einer fokalen Gehirnverletzung fördern. rnrn

Développement et radiosynthèse de ligands du récepteur tyrosine kinase neurotrophique type 2 (TrkB) marqués aux carbone-11 et fluor-18 pour l’imagerie cérébrale par tomographie d’émission de positons

Ce mémoire présente mes travaux ayant menés au développement d’une première génération de radioligands marqués au fluor-18 (t1/2 = 110 min) et au carbone-11 (t1/2 = 20.4 min) destinés à l’imagerie cérébrale in vivo du récepteur tyrosine kinase neurotrophique de type 2 (TrkB) en tomographie par émission de positons (TEP). Ces travaux reposent sur l’identification récente de ligands de TrkB non peptidiques à hautes affinités dérivés du 7,8-dihydroxyflavone. La synthèse d’une série de dérivés du 7,8-dihydroxyflavone non-radioactifs de même que des précuseurs à l’incorporation du fluro-18 et du carbone-11 a d’abord été effectuée. Partant des précurseurs adéquats synthétisés, la radiosynthèse de deux radioligands, l’un marqué au fluor-18 et l’autre au carbone-11, a été développée. Ces radiosynthèses reposent respectivement sur une 18F-radiofluorination nucléophile aromatique nouvelle et hautement efficace et sur une 11C-méthylation N-sélective. Les radiotraceurs de TrkB ainsi obtenus ont ensuite été évalués in vitro en autoradiographie et in vivo en tant que traceurs TEP dans des rats. L’évaluation des propriétés physico-chimique de même que de la stabilité in vitro des radiotraceurs sont présentées. Partant d’une série d’analogues cristallisés de ces flavones synthétiques, une étude de relation structure-activité a été menée. La combinaison de cette étude, de pair avec l’évaluation in vivo de la première génération de radiotraceurs de TrkB a aussi permis d’investiguer les pharmacophores nécessaires à l’affinité de ces ligands de même que d’identifier des fragments structurels associés au métabolisme des radiotraceurs. La radiosynthèse d’un troisième radioligand de TrkB et son évaluation TEP in vivo de même que la mise en lumière des modifications structurelles utiles au développement d’une seconde génération de radioligands de TrkB avec des propriétés optimisées pour fin d’imagerie TEP sont aussi détaillés.

Study the function of the newly discovered TrkB receptor fragment (TrkB-ICD) formed by calpain cleavage

Tese de mestrado, Neurociências, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2016

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.

Bidirectional, experience-dependent regulation of N-methyl-d-aspartate receptor subunit composition in the rat visual cortex during postnatal development

In the visual cortex, as elsewhere, N-methyl-d-aspartate receptors (NMDARs) play a critical role in triggering long-term, experience-dependent synaptic plasticity. Modifications of NMDAR subunit composition alter receptor function, and could have a large impact on the properties of synaptic plasticity. We have used immunoblot analysis to investigate the effects of age and visual experience on the expression of different NMDAR subunits in synaptoneurosomes prepared from rat visual cortices. NMDARs at birth are comprised of NR2B and NR1 subunits, and, over the first 5 postnatal weeks, there is a progressive inclusion of the NR2A subunit. Dark rearing from birth attenuates the developmental increase in NR2A. Levels of NR2A increase rapidly (in <2 hr) when dark-reared animals are exposed to light, and decrease gradually over the course of 3 to 4 days when animals are deprived of light. These data reveal that NMDAR subunit composition in the visual cortex is remarkably dynamic and bidirectionally regulated by sensory experience. We propose that NMDAR subunit regulation is a mechanism for experience-dependent modulation of synaptic plasticity in the visual cortex, and serves to maintain synaptic strength within an optimal dynamic range.

Expression of a dominant negative TrkB receptor, T1, reveals a requirement for presynaptic signaling in BDNF-induced synaptic potentiation in cultured hippocampal neurons

We have developed a method to analyze the relative contributions of pre- and postsynaptic actions of a particular gene product in neurons in culture and potentially in slices using adenovirus-mediated gene transfer. A recombinant virus directed the expression of both a GFP reporter protein and TrkB.T1, a C-terminal truncated dominant negative TrkB neurotrophin receptor. When expressed in the presynaptic cell at synapses between embryonic hippocampal neurons in culture, the dominant negative TrkB.T1 inhibited two forms of synaptic potentiation induced by the neurotrophin brain-derived neurotrophic factor (BDNF): (i) greater evoked synaptic transmission and (ii) higher frequency of spontaneous miniature synaptic currents. These inhibition effects are not seen if the transgene is expressed only in the postsynaptic cell. We conclude that BDNF-TrkB signal transduction in the presynaptic terminal leads to both types of potentiation and is therefore the primary cause of synaptic enhancement by BDNF in these neurons.

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

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

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.

Why is “blindsight” blind? A new perspective on primary visual cortex, recurrent activity and visual awareness

The neuropsychological phenomenon of blindsight has been taken to suggest that the primary visual cortex (V1) plays a unique role in visual awareness, and that extrastriate activation needs to be fed back to V1 in order for the content of that activation to be consciously perceived. The aim of this review is to evaluate this theoretical framework and to revisit its key tenets. Firstly, is blindsight truly a dissociation of awareness and visual detection? Secondly, is there sufficient evidence to rule out the possibility that the loss of awareness resulting from a V1 lesion simply reflects reduced extrastriate responsiveness, rather than a unique role of V1 in conscious experience? Evaluation of these arguments and the empirical evidence leads to the conclusion that the loss of phenomenal awareness in blindsight may not be due to feedback activity in V1 being the hallmark awareness. On the basis of existing literature, an alternative explanation of blindsight is proposed. In this view, visual awareness is a “global” cognitive function as its hallmark is the availability of information to a large number of perceptual and cognitive systems; this requires inter-areal long-range synchronous oscillatory activity. For these oscillations to arise, a specific temporal profile of neuronal activity is required, which is established through recurrent feedback activity involving V1 and the extrastriate cortex. When V1 is lesioned, the loss of recurrent activity prevents inter-areal networks on the basis of oscillatory activity. However, as limited amount of input can reach extrastriate cortex and some extrastriate neuronal selectivity is preserved, computations involving comparison of neural firing rates within a cortical area remain possible. This enables “local” read-out from specific brain regions, allowing for the detection and discrimination of basic visual attributes. Thus blindsight is blind due to lack of “global” long-range synchrony, and it functions via “local” neural readout from extrastriate areas.

Retinal Laser Lesion Visibility in Simultaneous Ultra-High Axial Resolution Optical Coherence Tomography

Ex vivo porcine retina laser lesions applied with varying laser power (20 mW–2 W, 10 ms pulse, 196 lesions) are manually evaluated by microscopic and optical coherence tomography (OCT) visibility, as well as in histological sections immediately after the deposition of the laser energy. An optical coherence tomography system with 1.78 um axial resolution specifically developed to image thin retinal layers simultaneously to laser therapy is presented, and visibility thresholds of the laser lesions in OCT data and fundus imaging are compared. Optical coherence tomography scans are compared with histological sections to estimate the resolving power for small optical changes in the retinal layers, and real-time time-lapse scans during laser application are shown and analyzed quantitatively. Ultrahigh-resolution OCT inspection features a lesion visibility threshold 40–50 mW (17 reduction) lower than for visual inspection. With the new measurement system, 42 of the lesions that were invisible using state-of-the-art ophthalmoscopic methods could be detected.

BDNF-TrkB Signaling in Single-Spine Structural Plasticity

Multiple lines of evidence reveal that activation of the tropomyosin related kinase B (TrkB) receptor is a critical molecular mechanism underlying status epilepticus (SE) induced epilepsy development. However, the cellular consequences of such signaling remain unknown. To this point, localization of SE-induced TrkB activation to CA1 apical dendritic spines provides an anatomic clue pointing to Schaffer collateral-CA1 synaptic plasticity as one potential cellular consequence of TrkB activation. Here, we combine two-photon glutamate uncaging with two photon fluorescence lifetime imaging microscopy (2pFLIM) of fluorescence resonance energy transfer (FRET)-based sensors to specifically investigate the roles of TrkB and its canonical ligand brain derived neurotrophic factor (BDNF) in dendritic spine structural plasticity (sLTP) of CA1 pyramidal neurons in cultured hippocampal slices of rodents. To begin, we demonstrate a critical role for post-synaptic TrkB and post-synaptic BDNF in sLTP. Building on these findings, we develop a novel FRET-based sensor for TrkB activation that can report both BDNF and non-BDNF activation in a specific and reversible manner. Using this sensor, we monitor the spatiotemporal dynamics of TrkB activity during single-spine sLTP. In response to glutamate uncaging, we report a rapid (onset less than 1 minute) and sustained (lasting at least 20 minutes) activation of TrkB in the stimulated spine that depends on N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR)-Ca2+/Calmodulin dependent kinase II (CaMKII) signaling as well as post-synaptically synthesized BDNF. Consistent with these findings, we also demonstrate rapid, glutamate uncaging-evoked, time-locked release of BDNF from single dendritic spines using BDNF fused to superecliptic pHluorin (SEP). Finally, to elucidate the molecular mechanisms by which TrkB activation leads to sLTP, we examined the dependence of Rho GTPase activity - known mediators of sLTP - on BDNF-TrkB signaling. Through the use of previously described FRET-based sensors, we find that the activities of ras-related C3 botulinum toxin substrate 1 (Rac1) and cell division control protein 42 (Cdc42) require BDNF-TrkB signaling. Taken together, these findings reveal a spine-autonomous, autocrine signaling mechanism involving NMDAR-CaMKII dependent BDNF release from stimulated dendritic spines leading to TrkB activation and subsequent activation of the downstream molecules Rac1 and Cdc42 in these same spines that proves critical for sLTP. In conclusion, these results highlight structural plasticity as one cellular consequence of CA1 dendritic spine TrkB activation that may potentially contribute to larger, circuit-level changes underlying SE-induced epilepsy.

Selectivity of human retinotopic visual cortex to S-cone-opponent, L/M-cone-opponent and achromatic stimulation

Our aim was to make a quantitative comparison of the response of the different visual cortical areas to selective stimulation of the two different cone-opponent pathways [long- and medium-wavelength (L/M)- and short-wavelength (S)-cone-opponent] and the achromatic pathway under equivalent conditions. The appropriate stimulus-contrast metric for the comparison of colour and achromatic sensitivity is unknown, however, and so a secondary aim was to investigate whether equivalent fMRI responses of each cortical area are predicted by stimulus contrast matched in multiples of detection threshold that approximately equates for visibility, or direct (cone) contrast matches in which psychophysical sensitivity is uncorrected. We found that the fMRI response across the two colour and achromatic pathways is not well predicted by threshold-scaled stimuli (perceptual visibility) but is better predicted by cone contrast, particularly for area V1. Our results show that the early visual areas (V1, V2, V3, VP and hV4) all have robust responses to colour. No area showed an overall colour preference, however, until anterior to V4 where we found a ventral occipital region that has a significant preference for chromatic stimuli, indicating a functional distinction from earlier areas. We found that all of these areas have a surprisingly strong response to S-cone stimuli, at least as great as the L/M response, suggesting a relative enhancement of the S-cone cortical signal. We also identified two areas (V3A and hMT+) with a significant preference for achromatic over chromatic stimuli, indicating a functional grouping into a dorsal pathway with a strong magnocellular input.

Dynamics of contour, object and face processing in the human visual cortex

The neural basis of visual perception can be understood only when the sequence of cortical activity underlying successful recognition is known. The early steps in this processing chain, from retina to the primary visual cortex, are highly local, and the perception of more complex shapes requires integration of the local information. In Study I of this thesis, the progression from local to global visual analysis was assessed by recording cortical magnetoencephalographic (MEG) responses to arrays of elements that either did or did not form global contours. The results demonstrated two spatially and temporally distinct stages of processing: The first, emerging 70 ms after stimulus onset around the calcarine sulcus, was sensitive to local features only, whereas the second, starting at 130 ms across the occipital and posterior parietal cortices, reflected the global configuration. To explore the links between cortical activity and visual recognition, Studies II III presented subjects with recognition tasks of varying levels of difficulty. The occipito-temporal responses from 150 ms onwards were closely linked to recognition performance, in contrast to the 100-ms mid-occipital responses. The averaged responses increased gradually as a function of recognition performance, and further analysis (Study III) showed the single response strengths to be graded as well. Study IV addressed the attention dependence of the different processing stages: Occipito-temporal responses peaking around 150 ms depended on the content of the visual field (faces vs. houses), whereas the later and more sustained activity was strongly modulated by the observers attention. Hemodynamic responses paralleled the pattern of the more sustained electrophysiological responses. Study V assessed the temporal processing capacity of the human object recognition system. Above sufficient luminance, contrast and size of the object, the processing speed was not limited by such low-level factors. Taken together, these studies demonstrate several distinct stages in the cortical activation sequence underlying the object recognition chain, reflecting the level of feature integration, difficulty of recognition, and direction of attention.

A Probabilistic Approach to the Primary Visual Cortex

What can the statistical structure of natural images teach us about the human brain? Even though the visual cortex is one of the most studied parts of the brain, surprisingly little is known about how exactly images are processed to leave us with a coherent percept of the world around us, so we can recognize a friend or drive on a crowded street without any effort. By constructing probabilistic models of natural images, the goal of this thesis is to understand the structure of the stimulus that is the raison d etre for the visual system. Following the hypothesis that the optimal processing has to be matched to the structure of that stimulus, we attempt to derive computational principles, features that the visual system should compute, and properties that cells in the visual system should have. Starting from machine learning techniques such as principal component analysis and independent component analysis we construct a variety of sta- tistical models to discover structure in natural images that can be linked to receptive field properties of neurons in primary visual cortex such as simple and complex cells. We show that by representing images with phase invariant, complex cell-like units, a better statistical description of the vi- sual environment is obtained than with linear simple cell units, and that complex cell pooling can be learned by estimating both layers of a two-layer model of natural images. We investigate how a simplified model of the processing in the retina, where adaptation and contrast normalization take place, is connected to the nat- ural stimulus statistics. Analyzing the effect that retinal gain control has on later cortical processing, we propose a novel method to perform gain control in a data-driven way. Finally we show how models like those pre- sented here can be extended to capture whole visual scenes rather than just small image patches. By using a Markov random field approach we can model images of arbitrary size, while still being able to estimate the model parameters from the data.

How Does the Cerebral Cortex Work? Developement, Learning, Attention, and 3D Vision by Laminar Circuits of Visual Cortex

A key goal of behavioral and cognitive neuroscience is to link brain mechanisms to behavioral functions. The present article describes recent progress towards explaining how the visual cortex sees. Visual cortex, like many parts of perceptual and cognitive neocortex, is organized into six main layers of cells, as well as characteristic sub-lamina. Here it is proposed how these layered circuits help to realize the processes of developement, learning, perceptual grouping, attention, and 3D vision through a combination of bottom-up, horizontal, and top-down interactions. A key theme is that the mechanisms which enable developement and learning to occur in a stable way imply properties of adult behavior. These results thus begin to unify three fields: infant cortical developement, adult cortical neurophysiology and anatomy, and adult visual perception. The identified cortical mechanisms promise to generalize to explain how other perceptual and cognitive processes work.