Neural activity in the visual thalamus reflects perceptual suppression

To examine the role of the visual thalamus in perception, we recorded neural activity in the lateral geniculate nucleus (LGN) and pulvinar of 2 macaque monkeys during a visual illusion that induced the intermittent perceptual suppression of a bright luminance patch. Neural responses were sorted on the basis of the trial-to-trial visibility of the stimulus, as reported by the animals. We found that neurons in the dorsal and ventral pulvinar, but not the LGN, showed changes in spiking rate according to stimulus visibility. Passive viewing control sessions showed such modulation to be independent of the monkeys' active report. Perceptual suppression was also accompanied by a marked drop in low-frequency power (9–30 Hz) of the local field potential (LFP) throughout the visual thalamus, but this modulation was not observed during passive viewing. Our findings demonstrate that visual responses of pulvinar neurons reflect the perceptual awareness of a stimulus, while those of LGN neurons do not

La vision aveugle suite à une ablation partielle du cortex visuel primaire : une étude en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle

La lésion du cortex visuel primaire mène à une perte de la vision dont l’étendue correspond à la taille et position de la lésion. Alors que la zone endommagée ou retirée ne traite plus l’information visuelle, certaines régions visuelles secondaires reçoivent toujours les entrées sensorielles en provenance de la rétine. Ces régions pourraient, dans une certaine mesure, permettre aux patients souffrants d’une lésion corticale de traiter l’information visuelle non perçue consciemment et de ressentir une certaine sensation associée à cette stimulation. La vision aveugle est un de ces phénomènes où le patient est capable d’effectuer des tâches de détection ou de discrimination sur des objets présentés au sein du scotome. Dans notre étude nous utilisons un paradigme de points en mouvement selon un design évènementiel chez une patiente de 30 ans souffrant d’une hémianopsie droite complète sans épargne maculaire et montrant des signes de vision aveugle. Nous mesurons les réponses comportementales et les activations cérébrales en utilisant l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf). Lorsque les stimulations étaient présentées dans l’hémichamp visuel fonctionnel les activations cérébrales et les résultats comportementaux étaient normaux alors que les résultats étaient significativement différents lorsque les stimuli étaient présentés dans l’hémichamp aveugle (activation bilatérale des colliculi supérieurs, temps de détection spontanée plus long). Ces résultats supportent une théorie basée sur l’expérimentation animale qui propose que la vision aveugle serait supportée par des voies secondaires et des structures sous-corticales telles que les colliculi supérieurs, le pulvinar et le corps genouillé latéral. Ces connaissances ouvrent la voie à de nouvelles techniques de réadaptation ciblant ces structures et voies spécifiquement.Brain injury occurring in the primary cortex may lead to a loss of vision that corresponds to the extent of the brain lesion. While the damaged area does not process the visual information, other surrounding regions are receiving retinal inputs and may allow brain-injured patients to process visual information unconsciously perceived and to experience a sense of awareness. Blindsight is one of such phenomenon where a brain-injured patient is able to detect or discriminate objects presented in the scotoma. In our study, we used functional magnetic resonance imaging (fMRI) with an event-related moving-dot stimulation paradigm in a 30 years old patient suffering a complete right hemianopia without macular sparing and showing strong signs of blindsight. The patient’s vision ability was also assessed with behavioral tests. When the sighted hemifield was stimulated, fMRI activations and behavioral performances were normal. In contrast, brain activations induced by stimulation of the blind hemifield were significantly different showing a bilateral activity in the superior colliculi. In addition, the reaction time of the spontaneous detection of the movement was also longer when the stimulation was presented in the scotoma. These results support previous observations which reported that blindsight may be supported by secondary subcortical structures such as the superior colliculus, pulvinar and lateral geniculo-nucleus to process visual information. Our results may potentially impact the development of rehabilitation techniques to target subcortical pathways

The Express Sensorimotor Response Selects Visual Features Based On Instruction

In time-sensitive situations, orienting reflexes allow us to move rapidly in response to stimuli. The express sensorimotor response (ESR) is an orienting reflex presenting as a brief burst of muscle recruitment. Previous studies have identified commonalities between ESRs and express saccades, another orienting reflex. In this study, we investigate if ESRs share in a characteristic of express saccades: preference for faces. In separate blocks, participants were instructed to reach toward one of two simultaneously appearing targets: a face and another image. Muscle activity in the pectoralis major muscle of the reaching arm was recorded using skin surface EMGs. We found that the ESR, occurred in greater amplitude towards the instructed target, regardless of whether the instructed target was a face or not. While we found no evidence that ESRs preferer faces, our surprising finding demonstrates that ESRs can be modified by top-down modulation to identify stimulus features based on instruction

Impact of the pulvinar on the ventral pathway of the cat visual cortex

Signals from the retina are relayed to the lateral geniculate nucleus from which they are sent to the primary visual cortex. At the cortical level, the information is transferred across several visual areas in which the complexity of the processing increases progressively. Anatomical and functional evidence demonstrate the existence of two main pathways in visual cortex processing distinct features of the visual information: the dorsal and ventral streams. Cortical areas composing the dorsal stream are implicated mostly in motion processing while those comprising the ventral stream are involved in the processing of form and colour. This classic view of the cortical functional organization is challenged by the existence of reciprocal connections of visual cortical areas with the thalamic nucleus named pulvinar. These connections allow the creation of a trans-thalamic pathway that parallels the cortico-cortical communications across the visual hierarchy. The main goal of the present thesis is twofold: first, to obtain a better comprehension of the processing of light increments and decrements in an area of the cat ventral stream (area 21a); second, to characterize the nature of the thalamo-cortical inputs from the cat lateral posterior nucleus (LP) to area 21a. In study #1, we investigated the spatiotemporal response profile of neurons from area 21a to light increments (brights) and decrements (darks) using a reverse correlation analysis of a sparse noise stimulus. Our findings showed that 21a neurons exhibited stronger responses to darks with receptive fields exhibiting larger dark subfields. However, no differences were found between the temporal dynamics of brights and darks. In comparison with the primary visual cortex, the dark preference in area 21a was found to be strongly enhanced, supporting the notion that the asymmetries between brights and darks are transmitted and amplified along the ventral stream. In study #2, we investigated the impact of the reversible pharmacological inactivation of the LP nucleus on the contrast response function (CRF) of neurons from area 21a and the primary visual cortex (area 17). The thalamic inactivation yielded distinct effects on both cortical areas. While in area 17 the LP inactivation caused a slight decrease in the response gain, in area 21a a strong increase was observed. Thus, our findings suggest that the LP exerts a modulatory influence on the cortical processing along the ventral stream with stronger impact on higher order extrastriate areas. Taken together, our findings allowed a better comprehension of the functional properties of the cat ventral stream and contributed to the current knowledge on the role of the pulvinar on the cortico-thalamo-cortical processing of visual information.Les signaux provenant de la rétine sont relayés dans le corps géniculé latéral où ils sont envoyés au cortex visuel primaire. L’information passe ensuite à travers plusieurs aires visuelles où la complexité du traitement augmente progressivement. Des données tant anatomiques que fonctionnelles ont démontré l’existence de deux voies principales qui traitent différentes propriétés de l’information visuelle : les voies dorsale et ventrale. Les aires corticales composant la voie dorsale sont impliquées principalement dans le traitement du mouvement tandis que les aires de la voie ventrale sont impliquées dans le traitement de la forme et de la couleur. Cette vision classique de l’organisation fonctionnelle du cortex est toutefois remise en question par l’existence de connections réciproques entre les aires corticales visuelles et le pulvinar, un noyau thalamique. En effet, ces connections permettent la création d’une voie trans-thalamique parallèle aux connections cortico-corticales à travers la hiérarchie visuelle. Le but principal de la présente thèse consiste en deux volets : le premier est d’obtenir une meilleure compréhension du traitement des incréments et décréments de la lumière dans une aire de la voie ventrale du chat (aire 21a); le second est de caractériser la nature des inputs thalamo-corticaux du noyau latéral postérieur (LP) à l’aire 21a chez le chat. Dans l’étude #1, nous avons investigué le profil spatiotemporel des réponses des neurones de l’aire 21a aux incréments (blancs) et décréments (noirs) de lumière en utilisant l’analyse de corrélation inverse d’un stimulus de bruit épars. Les neurones de l’aire 21a ont répondu plus fortement aux stimuli noirs, en montrant des champs récepteurs avec des sous-champs noirs plus larges. Cependant, aucune différence n’a été trouvée en ce qui concerne les dynamiques temporelles des réponses aux blancs et aux noirs. En comparaison avec le cortex visuel primaire, la préférence aux stimuli noirs dans l’aire 21a s’est avérée fortement augmentée. Ces données indiquent que les asymétries entre les réponses aux blancs et aux noirs sont transmises et amplifiées à travers la voie ventrale. Dans l’étude #2, nous avons investigué l’impact de l’inactivation pharmacologique réversible du noyau LP sur la fonction de réponse au contraste (CRF) des neurones de l’aire 21a et du cortex visuel primaire (aire 17). L’inactivation a eu différents effets dans les deux aires corticales. Alors que, dans l’aire 17, l’inactivation du LP a causé une légère réduction du gain de la réponse, une forte augmentation a été observée dans l’aire 21a. Ainsi, nos résultats suggèrent que le LP exerce une influence modulatrice dans le traitement cortical à travers la voie ventrale avec un impact plus important dans des aires extrastriées de plus haut niveau. Nos résultats ont permis d’avoir une meilleure compréhension des propriétés fonctionnelles de la voie ventrale du chat et de contribuer à enrichir les connaissances actuelles sur le rôle du pulvinar dans le traitement cortico-thalamo-cortical de l’information visuelle

Intégration des signaux complexes dans le système visuel

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal