Thèses sur le sujet « Cortex Visuel Primaire (CVP) »

Les troubles psychotiques sont caractérisés par d’importantes conséquences fonctionnelles avec des preuves émergentes concernant l’altération des fonctions visuelles de bas niveau. Le lien anatomique et fonctionnel entre la rétine et le cortex visuel a notamment permis d’émettre des hypothèses quant à l’association entre les altérations des deux étages visuels. Nous avons investigué les mesures électrophysiologiques visuelles rétiniennes et corticales dans les troubles du spectre de la schizophrénie et dans les situations à risque de psychose dont l’usage régulier de cannabis et les phases précoces de psychose font partie intégrante. Les résultats ont mentionné des altérations portant sur la plupart des cellules rétiniennes et des déficits au regard du cortex visuel primaire, avec un lien potentiel entre les deux types de mesures dans la schizophrénie. L’intérêt des biomarqueurs électrophysiologiques réside également dans le lien décrit avec les symptômes de la psychose, ce qui incite ainsi à les utiliser davantage en pratique clinique à des fins d’améliorations diagnostiques
Psychotic disorders are characterized by severe functional consequences, with emerging evidence of impairment in low-level visual functions. Most notably, the anatomical and functional link between the retina and the visual cortex led to hypotheses concerning the association between alterations in both visual stages. We investigated retinal and cortical visual electrophysiological measurements in schizophrenia spectrum disorders and situations at risk of psychosis, of which regular cannabis use and early phases of psychosis are an integral part. The results highlighted alterations in most retinal cells and deficits in the primary visual cortex, with a potential link between both measures in schizophrenia. The relevance of electrophysiological biomarkers also lies in the link described with psychotic symptoms, motivating them to be used more widely in clinical practice to improve diagnosis

Les mecanismes neuronaux pouvant etre impliques dans le liage fonctionnel de l'activite corticale visuelle ont ete etudies par le moyen d'enregistrements intracellulaires du cortex visuel du chat anesthesie. Un tiers des cellules enregistrees presentent une activite oscillante en reponse a la stimulation visuelle, et cette periodicite est d'origine synaptique. La plupart des cellules presentent un champ d'integration sous-liminaire plus etendu que le champ minimum de decharge, dont l'effet sur l'activit e de la cellule depend de son niveau de depolarisation et de l'histoire recente de celui-ci

La thématique principale de nos travaux est l'étude de l'intégration du mouvement au niveau de la population du cortex visuel primaire du singe éveillé : de l'identification des circuits corticaux impliqués dans le traitement du mouvement,jusqu'à l'identification et l'émergence d'un signal de mouvement. Nous avons ainsi principalement utilisé deux protocoles (mouvement réel ou apparent).La réponse neuronale de population à l'entrée du système (V1) a été comparée à une réponse comportementale en sortie, la réponse de suivi oculaire réflexe (OFR).L'activité de population dans le cortex visuel primaire est enregistrée par imagerie optique de composés sensible au potentiel.Nous avons alors montré que la réponse au contraste dans V1 est contrôlée par un bassin de normalisation dynamique qui évolue lentement via un recrutement progressif et polysynaptique des circuits récurrents locaux. Ce bassin reçoit des afférents horizontaux liés au contraste qui suppriment graduellement le gain au contraste et à la réponse neuronale.Ensuite, en comparant l'activité de population de V1 avec la réponse de suivi oculaire réflexe avec un stimulus dont l'échelle intermédiaire active à la fois l'entrée et la sortie du système, nous avons identifié deux mécanismes distincts, impliqués dans les interactions contextuelles étudiées : un mécanisme précoce et rapide agissant sur les entrées fortes provenant majoritairement de MT et un mécanisme lent et soutenu plus visible sur les entrées faibles provenant majoritairement de V1.Finalement, en étudiant l'intégration et la représentation du mouvement apparent à la surface de V1, nous avons observé que la dynamique de l'activité corticale générée par des stimuli de mouvement apparent induit une suppression non-linéaire à la surface du cortex qui permet à la population de V1 de ne représenter qu'un seul stimulus à la fois, et ferait donc émerger un signal de mouvement non-ambigu.Pour conclure, nos expériences montrent que les interactions non-linéaires entre et parmi les aires corticales entraînent la normalisation, la modulation et l'émergence de différents signaux de mouvement
Our goal is to study motion integration at population level in V1 in the awake behaving onkey. We compare V1population recorded with optical imaging of voltage sensitive dyes with ocular following response.We have shown that contrast response function in V1 is controlled by a dynamic normalization pool. Then we identified two distinct mechanisms involved in contextual modulations: a fast transient one originating from MT and a show and sustained one, originating from V1. Finally, we have observed that cortical activity dynamics in presponse to apparent motion can induce a suppression wave at acortical surface

Des bouffées à 100 Hz répétées à la fréquence theta - burst dans les afférents thalamiques peuvent-elles induire des modifications synaptiques et affecter l'organisation des champs récepteurs visuels (CR) des neurones corticaux in vivo ? Des enregistrements intracellulaires dans l'aire 17 du chat adulte ont été réalisés ainsi que la stimulation et l'enregistrement extracellulaire du CGL. Les réponses à la stimulation électrique du CGL (PSP) sont potentialisées (50%) ou déprimées (32%) par theta - burst. Des modifications sélectives des CRs sont observés dans 40% des cas, sont spécifiques de la localisation du CR des entrées thalamiques et montrent une anisotropie en accord avec le signe du changement du PSP. Les modifications synaptiques suivent une règle de plasticité associative proche d'une détection de coïncidence et l'ordre temporel entre activité pré- et post-synaptique importe moins que le contexte post-synaptique de dépolarisation et d'inhibition présente au moment de la décharge.

La réponse des neurones du cortex visuel primaire (V1) à un stimulus présenté dans le champ récepteur peut être modulée par la stimulation du pourtour du champ récepteur. L'origine et le rôle fonctionnel de ces modulations " centre/pourtour " restent peu compris. Par la modélisation, et en interaction avec des approches psychophysiques et physiologiques, nous cherchons à répondre à 2 questions : Quels sont les circuits responsables de la diversité de ces effets ? Nous fournissons des outils théoriques pour évaluer les modèles existants, les réconcilier au sein d'un même formalisme, et comprendre comment les diverses caractéristiques spatiales des modulations centre/ pourtour peuvent résulter des propriétés connues de V1. Quelles sont les conséquences des dynamiques de ces effets sur les réponses neuronales et sur la perception visuelle? Nos résultats suggèrent que les réponses de V1 et la perception des objets visuels dépendent non seulement du contexte spatial, mais aussi du contexte temporel dans lequel ces objets sont présentés. Nous discutons les implications fonctionnelles possibles de ce mécanisme pour l'analyse d'objets statiques ou en mouvement
The response of primary visual cortex (V1) neurons to a stimulus presented within the receptive field can be modulated by the stimulation of the surround of the receptive field. The origin and functional role of these " center/surround " modulations is yet poorly understood. Using computational methods in interaction with electrophysiological and psychophysical approaches, we try to answer 2 questions : What are the circuits responsible for the diversity of these phenomena ? We provide theoretical tools to evaluate current models, reconcile them in a common formalism and understand how the spatial characteristics of center/surround modulations can result from the known properties of V1 ; What are the consequences of the dynamics of these effects on cortical responses and visual perception ? Our results suggest that V1 responses and the perception of visual objects should depend not only on the spatial context, but also on the temporal context in which these objects are embedded. We discuss the functional implications of this mechanism for the analysis of static and moving objects

Deux types de champs recepteurs (appeles simples et complexes) sont decrits dans l'aire 17 du chat en fonction du degre de recouvrement (respectivement faible et eleve) des reponses a l'apparition (on) et a l'extinction (off) du stimulus visuel. La question abordee ici consiste a determiner si le niveau relatif des reponses on et off exprime en un point du champ recepteur peut etre module par des processus dependant de l'activite neuronale. Un protocole d'apprentissage cellulaire a ete mis au point, ou les reponses on et off dans une position donnee du champ recepteur etaient associees a des niveaux de decharges differents imposes soit par iontophorese lors d'un enregistrement extracellulaire, soit par le controle direct du potentiel de membrane postsynaptique en appliquant intracellulairement un courant depolarisant ou hyperpolarisant. Des modifications significatives de la dominance relative on/off ont ete observees chez le chaton et le chat adulte dans environ la moitie des cellules conditionnees. Les changements induits s'accordent avec l'hypothese d'un controle des changements d'efficacite synaptique par le niveau de covariance impose entre activites pre et post-synaptiques. La specificite spatiale des effets induits a ete demontree dans la moitie des conditionnements extracellulaires. La selectivite temporelle a ete etudiee en decalant la phase de declenchement de la periode d'action iontophoretique par rapport a la stimulation visuelle. Pour les cellules conditionnees intracellulairement, une potentiation du potentiel postsynaptique composite evoque par le stimulus lumineux a ete observee apres l'appariement de sa presentation ou de son extinction avec un courant depolarisant (changement moyen=+35%), alors qu'une depression etait observee (15%) apres association avec un courant hyperpolarisant. Sur la base d'enregistrements intracellulaires de champs recepteurs simples et l'observation de reponses excitatrices antagonisees par des inhibitions pour la caracteristique du stimulus ne donnant pas de reponse supraliminaire, nous avons propose un modele general de champ recepteur (simplexe) ou la connectivite excitatrice est supposee de type complexe. Les changements d'efficacite de la transmission excitatrice et inhibitrice predits par des regles de modification de type hebbien rendent compte de la plupart des modifications induites experimentalement dans les champs recepteurs simples ou complexes

L'imagerie mentale visuelle désigne l'acte de recréer une image en l'absence de stimulation sensorielle externe à partir de représentations stockées en mémoire. De nombreux travaux issus de la psychologie expérimentale, de l'étude neuropsychologique de patients cérébro-lésés et de l'imagerie cérébrale fonctionnelle indiquent que l'imagerie et la perception visuelles partagent des propriétés fonctionnelles et des structures anatomiques communes. L'implication du cortex visuel primaire (aire V1) au cours de l'imagerie visuelle fait cependant l'objet d'une importante controverse, notamment parce que son activation n'est retrouvée qu'inconstamment en imagerie cérébrale fonctionnelle. Dans ce contexte, nous avons utilisé l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle afin de détecter et caractériser l'activation du cortex visuel primaire au cours de l'imagerie visuelle. Dans une première étude, l'activation de V1 a été étudiée au cours d'une tâche de génération d'image suivie d'une tâche d'évaluation de caractéristiques physiques ou abstraites liées à l'objet visualisé. Les résultats montrent une activation transitoire, reproductible dans V1, comparable au cours des deux tâches d'imagerie. L'activation de V1 augmentait lors de la tâche d'évaluation, sans différence significative observée selon la nature concrète ou abstraite des caractéristiques. Le rôle de l'attention et d'un effet d'amorçage visuel à bas-niveau sont discutés. L'activation de l'aire visuelle primaire est confirmée dans une deuxième étude où la tâche d'imagerie visuelle reposait sur un rappel en mémoire de stimuli visuels d'orientation, horizontale ou verticale. L'étude suggère que la formation d'images visuelles est associée à un réseau d'activation occipitale dont la topographie correspond aux coordonnées corticales attendues du champ visuel. La localisation spatiale des activations au sein de V1 et des aires il adjacentes a été établie à l'aide d'une cartographie fonctionnelle rétinotopique. Ces résultats bien que non reproduits chez l'ensemble des sujets testés, sont en faveur d'un mode d'organisation rétinotopique des images visuelles
Visual imagery is a brain state that gives rise to visual experience on the basis of stored information, not current input from the eyes. Convergent results from psychophysical, neuroimaging and studies of brain damaged patients have shown that mental imagery shares many of the functional properties and cortical structures used in visual perception. However a fundamental question that remains unresolved is whether visual imagery shares the "low-level" neural mechanisms required to perceive the external world. We used event-related functional magnetic resonance imaging to detect and characterize the activity in the primary visual cortex (or area V1) during visual imagery. In a first experiment, we tested two general hypotheses: The first was that V1 is activated only when images with many details are formed and used, and the second was that V1 is activated whenever images are formed, even if they are not necessarily used to perform a task. The results revealed reproducible transient activation in this area whenever subjects generated or evaluated a mental image. This transient activation was strongly enhanced when subjects evaluated characteristics of objects, whether or not details actually needed to be extracted from the image to perform the task. In a second experiment, we tested the hypothesis that the orientation of a visualized pattern is directly reflected by the orientation of activity in retinopically organized early visual cortices. The primary visual cortex of primates, including humans, is retinotopically organized; the spatial pattern of light striking the retinas is physically preserved (with some metric distortions) on the surface of cortex itself. We asked subjects to view or visualize a flashing bar either vertically or horizontally. The results show that for most subjects, the topography of the activation produced by imagined stimuli closely matched corresponding cortical representations of the visual field. Although understanding the precise nature of neural mechanisms that causally link activity in area V1 to visual imagery requires further investigation, the present results provides strong evidence that visual mental imagery recruits the earliest stages of the visual system

Le champ minimal de decharge (cmd) des cellules du systeme visuel est defini comme la partie de la retine qui, stimulee, provoque une modulation de la decharge de la cellule consideree. Dans le cortex visuel primaire, les cellules ont des cmds limites a quelques degres d'angle solide et leur structure spatiale ainsi que leur selectivite a l'orientation sont classiquement attribuees a la convergence des entrees thalamiques. Par des enregistrements intracellulaires, nous avons analyse l'integration synaptique des entrees visuelles a l'origine des proprietes fonctionnelles des cellules du cortex visuel primaire : _ les champs recepteurs formes par les reponses depolarisantes evoquees au potentiel de repos (champ-d) ou les reponses hyperpolarisantes evoquees a un potentiel de membrane depolarise (champ-h) sont bien plus etendus que le cmd, les champs-d etant co-centres, et les champs-h decales spatialement, avec le cmd. Les sous-zones des champs-d et -h, formees par les reponses sous-liminaires on et off, sont en fort recouvrement spatial que le cmd soit simple ou complexe. _ si la force des entrees depolarisantes decroit avec l'excentricite par rapport au centre du cmd, la latence des reponses depolarisantes et hyperpolarisantes augmente graduellement. Les contraintes spatio-temporelles du champ d'integration synaptique suggerent que les reponses sous-liminaires evoquees en peripherie du cmd resultent de l'integration synaptique d'une vague d'activation horizontale intra-corticale. _ la selectivite a l'orientation et a la direction des reponses depolarisantes sont inferieures a celle des reponses supraliminaires, leurs orientations et directions optimales sont fortement correlees. La selectivite des reponses hyperpolarisantes est iso-, cross-orientee, ou les 2, et de direction opposee a la selectivite des reponses supraliminaires. _ nous proposons que le decours temporel de la balance de l'integration synaptique excitatrice/inhibitrice controle l'expression de la decharge supraliminaire. Des entrees mixtes excitatrices et inhibitrices peuvent retarder l'emission de la decharge supraliminaire. L'integration des entrees synaptiques visuelles est un processus fondamental participant a l'emergence des proprietes fonctionnelles et dynamiques des neurones du cortex visuel primaire.

Au cours du developpement postnatal du cortex visuel primaire de callithrix jacchus, l'evolution de la distribution laminaire de differents marqueurs de plasticite neuronaux, map2, gap43, recepteurs au glutamate et recepteurs au gaba, a ete apprehendee par immunohistochimie. Ainsi une cartographie neurochimique des differentes couches du cortex visuel a pu etre elaboree. L'analyse developpementale de ces differents marqueurs de plasticite a permis de mettre en evidence une difference de maturite et de plasticite entre le systeme magno- et parvo-cellulaire. L'effet d'une privation monoculaire a ete analyse sur la distribution de ces memes marqueurs, et sur un module cortical specifique du cortex visuel, les colonnes de dominance oculaire. Ces experiences ont revele que la presence des recepteurs nmdar1, ampa et map2 est dependante de l'activite visuelle dans la couche ivc, receptrice des afferences thalamiques. L'existence d'une periode limitee dans le developpement postnatal precoce, pendant laquelle la presence des recepteurs nmdar1 est dependante de l'experience visuelle suggere que l'organisation des afferences thalamiques en colonnes de dominance oculaire, visualisee en parallele par marquage transneuronal, repose sur des mecanismes de type ltp.

L'activité des réseaux de neurones corticaux est caractérisée par des motifs de décharge stochastiques. Cependant, la nature exacte de ces états, et comment un apprentissage stable et un codage d'information peuvent se produire dans de tels états, restent mal compris. Nous avons d'abord étudié des modèles de réseaux de neurones capables de reproduire les régimes d'activité observés in vivo. Ces régimes asynchrones et irréguliers sont modélisés à l'aide d’une description Markovienne en utilisant une équation maîtresse phénoménologique. Afin de disséquer les corrélations présentes dans l'activité corticale, nous avons développé différents outils d'analyse. Nous trouvons que la réponse sous-liminaire de neurones dans V1 peut refléter les corrélations dans le stimulus visuel. Au niveau extracellulaire, nous avons développé un modèle d'Ising qui peut prédire précisément le taux d'occurrence des motifs spatio-temporels de décharge de plusieurs neurones enregistrés simultanément. Nous nous sommes ensuite intéressés à la question du codage de corrélations in vivo. Des enregistrements extracellulaires ont été effectués dans le cortex à tonneaux du rat anesthésié. Nous avons trouvé que le niveau de corrélation affecte les propriétés intégratives des neurones enregistrés. Un modèle fonctionnel suggère que ce résultat peut s'expliquer par des interactions entre cellules de sélectivité opposée. Finalement, nous avons proposé un modèle basé sur la règle de plasticité STDP qui peut stabiliser l'apprentissage dans l'activité spontanée. Ce modèle est équivalent à une règle BCM et peut reproduire des résultats dans l'hippocampe où la méta-plasticité a été observée pour la première fois.

Dans cette thèse, nous développons une approche supervisée de reconnaissance d’objets basée sur l’utilisation de nouveaux descripteurs d’images globaux inspirés du modèle du cortex visuel humain primaire V1 en tant que groupe de roto-translations semi-discrètes SE (2,N)=R² x ZN produit semi-direct entre R² et ZN. La méthode proposée est basée sur des descripteurs de Fourier généralisés et rotationnels définis sur le groupe SE (2,N), qui sont invariants aux transformations géométriques (translations, et rotations). De plus, nous montrons que ces descripteur de Fourier sont faiblement complets, dans le sens qu’ils permettent de discriminer sur un ensemble ouvert et dense L² (SE(2,N)) de fonctions à support compact, donc distinguer entre des images réelles. Ces descripteurs sont ensuite utilisés pour alimenter un classifieur de type SVM dans le cadre de la reconnaissance d’objets. Nous avons mené une séries d’expérimentations dans le but d’évaluer notre méthode sur les bases de visages RL, CVL et ORL et sur la base d’images d’objets variés COIL-100, et de comparer ses performances à celles des méthodes basées sur des descripteurs globaux et locaux. Les résultats obtenus ont montré que notre approche est en mesure de concurrencer de nombreuses techniques de reconnaissance d’objets existantes et de surpasser de nombreuse autres. Ces résultats ont également montré que notre méthode est robuste aux bruits. Enfin, nous avons employé la technique proposée pour reconnaître des navires dans un contexte de surveillance maritime
In this thesis, we develop a supervised object recognition method using new global image descriptors inspired by the model of the human primary visual cortex V1. Mathematically speaking, the latter is modeled as the semi-discrete roto-translation group SE (2,N)=R² x ZN semi-direct product between R² and ZN. Therefore, our technique is based on generalized and rotational Fourier descriptors defined in SE (2,N) , and which are invariant to natural geometric transformations (translations, and rotations). Furthermore, we show that such Fourier descriptors are weakly complete, in the sense that they allow to distinguish over an open and dense set of compactly supported functions in L² (SE(2,N)) , hence between real-world images. These descriptors are later used in order to feed a Support Vector Machine (SVM) classifier for object recognition purposes. We have conducted a series of experiments aiming both at evaluating and comparing the performances of our method against existing both local - and global - descriptor based state of the art techniques, using the RL, the CVL, and the ORL face databases, and the COIL-100 image database (containing various types of objects). The obtained results have demonstrated that our approach was able to compete with many existing state of the art object recognition techniques, and to outperform many others. These results have also shown that our method is robust to noise. Finally, we have applied the proposed method on vessels recognition in the framework of maritime surveillance

Ce travail realise dans l'equipe cogniscience s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre l'experimentation neurophysiologique et la modelisation. Notre laboratoire etudie l'organisation spatio-temporelle des champs recepteurs visuels corticaux (debanne et al. , 1998 ; shulz et al. , 1993 ; borg-graham et al. , 1998 ; bringuier et al. , 1999). La modelisation des reseaux neuronaux biologiquement plausibles s'associe naturellement a cette thematique experimentale car elle permet d'envisager une synthese critique des resultats experimentaux par une approche quantitative. Les modeles recents du systeme visuel font l'objet de trois limitations principales. Ils abordent peu les problemes de retinotopie ou de structure on/off alors que ceux-ci fournissent des contraintes fondamentales sur la stabilite du reseau cortical. De plus, les modeles de cellules ne possedent pas d'arborisation dendritique et les mecanismes biophysiques intrinseques sont rudimentaires, ce qui peut entrainer une mauvaise estimation des interactions synaptiques pendant la reponse visuelle. Enfin, le seul schema de cablage propose pour rendre compte de la structure on/off des champs recepteurs fait l'hypothese exclusive de couplages en iso- ou en anti-phase. Or, des resultats recents montrent que des cellules adjacentes, vraisemblablement connectees, peuvent exhiber des relations de phase spatiale plus generales (deangelis et al. , 1999). Cela plaide pour une reevaluation des schemas classiques de connectivite locale. Notre travail propose un modele phenomenologique de la decharge des cellules genouillees et un modele biophysique detaille du reseau cortical. Il montre qu'un simple schema de connectivite fondee sur la correlation rend compte de nombreuses donnees experimentales concernant la structure on/off des champs recepteurs simples. Les reponses on et off pourraient emerger d'un processus de decision en deux temps avec une excitation genouillee suivie d'une reverberation intracorticale filtree.

Nous avons analysé l'activité de population au sein du cortex visuel primaire en vue de comprendre (i) les mécanismes mis en jeu lors de l'intégration de l'information visuelle suite à un mouvement oculaire, et inversement (ii) de l'influence du traitement effectué au niveau de V1 sur la génération d'un mouvement oculaire.1. Nous avons enregistré des saccades de fixation, et mis en relation, essai par essai, ces mouvements avec la représentation de la position d'un stimulus local dans V1. Après une saccade de fixation, l'activité se déplace de façon cohérente dans V1. Le décours temporel des réponses au niveau des foyers pre- et post-saccadiques montre une dynamique biphasique. La taille du foyer d'activité augmente. Nous proposons que le comportement des populations de neurones s'explique par deux phénomènes principaux : (i) La réponse suppressive précoce attribuable à la décharge corollaire (ii) de connections latérales qui réactiveraient le foyer pre-saccadique.2. Nous avons enregistré l'OFR, et cherché à savoir si la réponse de V1 l'influençait. Les latences VSD précèdent les latences OFR. Il n'existe pas de corrélation à l'essai unique. Nous avons montré que la force et la dynamique des réponses de V1 n'étaient pas prédictives de l'OFR. La distance de la périphérie à un effet sur la réponse VSD, mais pas sur l'OFR. La dynamique de propagation de cette suppression, nous avons montré deux phases : une précoce sur l'ensemble de la carte, et une plus périphérique tardive. Nous proposons que la suppression précoce soit originaire de projections en retour de structures comme MT et MST, alors que la suppression plus lente s'explique par les connections horizontales
We analyzed population activity in V1 to understand (i) the consequence of eye movements on integration of visual information, and (ii) the influence of the processing performed at the level of V1 on the generation of eye movements.1. We recorded fixational saccades, relating, trial-by-trial, these eye movements with the representation of the position of a local stimulus in V1. After a fixational saccade, activity moves consistently in V1. However, the time-course of responses display a biphasic dynamic. This results in a global increase of the extent of cortical activity representing the local stimulus. We propose that the behavior of populations of neurons studied is explained by the contribution of two main phenomena: (i) an early suppressive response that could be attributed to the corollary discharge and (ii) the lateral connections generating lateral interactions between pre and post-saccadic lci of activity.2. We recorded the ocular following response, determining whether the response of V1 influences the oculomotor response. We studied the contrast response function of the population V1 activity and the OFR. The dynamics of CRF for a local stimulus are similar and shifted in time. We found no correlations between the single trial latencies between V1 and the OFR. At the chosen scale, surround suppression was found to be distance-dependent only in V1. The dynamics of the surround suppression shows two phases: an early suppression present over a wide cortical area, and a later peripheral spread. We propose that the early surround suppression originates from feedback from MT and MST, while the later is explained by the horizontal connections

Dans le cortex visuel primaire (V1), nous avons examiné l’impact fonctionnel de séquences de mouvement apparent centripète provenant de la périphérie lointaine et convergeant vers le champ récepteur de cellules corticales le long de leur axe d’orientation préféré. A haute vitesse saccadique, la congruence anisotrope de stimuli élémentaires composants un mouvement cohérent est cruciale dans la diffusion et l’intégration latérale d’information contextuelle. Au niveau électrophysiologique, ces résultats correspondent à une avance de latence et à un gain d’amplitude des réponses sous et supraliminaires, indiquant l’existence d’un champ d’association dynamique où forme et mouvement sont liés dès V1. Restreindre le mouvement apparent à la périphérie silencieuse résulte en une invasion du champ récepteur par une activité prédictive. Celle-ci suggère l'existence d'un mécanisme de diffusion latérale propre à V1 permettant de résoudre le problème d’extrapolation du mouvement. Deuxièmement, nous postulons que les hallucinations géométriques reflètent une opposition spatiale longue distance de la connectivité horizontale qui structure l'organisation de l'activité spontanée de V1, s'exprimant au travers d'un modèle d'intéractions entre hypercolonnes. Nous avons créé des stimuli visuels dans lesquels la perturbation par un bruit en 1/fα d'un réseau fortement adapté à des inducteurs géométriques induit la perception de planforms opposés. Nos résultats suggèrent que ces percepts dynamiques correspondent à la propagation de vagues d'activités détectables au niveau de cellules de V1 sous la forme d'oscillations compatibles avec la géométrie locale et la dynamique des percepts
In the primary visual cortex (V1), we examined the functional impact of centripetal apparent motion sequences originating from the far periphery and converging towards the receptive field of cortical cells along their preferred orientation axis. At high saccadic speed, the anisotropic congruency of elementary stimuli composing a coherent motion is crucial in the diffusion and lateral integration of contextual information. At the electrophysiological level, those results correspond to a latency advance and an amplitude gain of sub and suprathreshold responses, indicating the existence of a dynamic association field where form and motion are already bound in V1. Restricting the apparent motion to the silent periphery result in an invasion of the receptive field by predictive activity. This latter suggests the existence of a mechanism of lateral diffusion intrinsic to V1 that allows to solve the motion extrapolation problem. Second, we posit that geometric hallucinations reflect a long-distance spatial opponency of horizontal connectivity that structure the self organization of V1 ongoing activity, expressing itself through a model of interacting hypercolumns resulting in the formation of neural stripes on V1 surface. We designed visual stimuli in which perturbation by a 1/fα noise of a network highly adapted to geometric inducers result in perception of opponent planforms. Our results suggest that those dynamic percepts correspond to propagating waves of synaptic activity that are detectable at the level of V1 cells under the form of oscillations compatible with the local geometry and the dynamic of the induced percepts

It has only recently been acknowledged to what large extent the internal dynamics of neural networks could play a role in their function. In this respect, synaptic "noise" -- that is, the influence of the cortical network on single neurons exerted through the massive recurrent circuity that is the hallmark of neocortex -- has recently been shown to have a profound effect on neuronal integrative properties, changing the responses of single neurons across brain states, sometimes within the matter of a few seconds. These internally generated activity states, shaped by and continually shaping the plastic synaptic recurrent connections, then combine with the external inputs to produce a rich repertoire of responses to sensory stimuli in primary cortical regions. In this thesis, we have focused on the {\it spatial} aspect of these internal dynamics, specifically the spatial structure of cortical oscillations, spontaneous and stimulus-evoked. Along the way, we have made an extensive review of the literature concerning propagating waves in thalamus and cortex, and studied network models to investigate how waves depend on network state. We have also introduced new tools for the characterization of spatiotemporal activity patterns in noisy multichannel data. The culmination of this work is a demonstration, using voltage-sensitive dye imaging data taken from the awake monkey, that the population response to a small visual stimulus propagates like a wave across a large extent of primary visual cortex during the awake state, a result contradicting a range of previous studies which seemed to suggest that propagating waves disappear in this case. Moving forward, we have begun to investigate the spatiotemporal structure of local field potential and spiking activity in multielectrode recordings taken from the human and monkey in various states of arousal, to address questions prompted by our initial voltage-sensitive dye imaging study in the monkey. In parallel, we have initiated an analysis of the extent to which neural connectivity can be characterized by the "small-world" effect, the main result of which is that neural graphs may in fact reside outside the small-world regime. The results from these PhD studies thus span the spectrum of scales in neuroscience, from macroscopic activity patterns to microscopic connectivity profiles. It is my sincere hope to expound in these pages a unified theme for these results, and a foundation for further work in neuroscience -- a search for structure within the internal architecture of the system under study.

L'identification du codage neuronal dans le thalamus et le cortex cérébral, et en particulier dans l'aire visuelle primaire, se heurte à la complexité du réseau neuronal qui repose sur une diversité étonnante des neurones, sur les plans morphologique, biochimique et électrique, et de leurs connexions synaptiques. À cela s'ajoute une importante diversité des propriétés fonctionnelles de ces neurones reflétant en grande partie la forte récurrence des connexions synaptiques au sein des réseaux corticaux ainsi que la boucle cortico-thalamo-corticale. En d'autres termes, le calcul global effectué dans le réseau thalamo-cortical influence, via des milliers de connexions synaptiques excitatrices et inhibitrices, la spécificité de la réponse de chaque neurone. Dans une première partie, nous avons développé un modèle de bombardement synaptique contextuel reproduisant la dynamique de milliers de synapses excitatrices et inhibitrices convergeant vers un neurone cortical avec l'avantage de pouvoir paramétrer le niveau de synchronisation des synapses afférentes. Nous montrons que le niveau de synchronisation synaptique est relié au taux de corrélation de l'activité neuronale sous-liminaire dans le cortex visuel du chat, avec d'une part un régime où le codage neuronal est très redondant pour des stimulations artificielles classiquement utilisées du type réseau de luminance sinusoïdale, et d'autre part un régime où le codage neuronal est beaucoup plus riche présentant moins de corrélation neuronale pour des stimulations naturelles. Ces résultats indiquent que le taux de corrélation de l'activité neuronale sous-liminaire est un indicateur fonctionnel du régime de codage dans lequel est engagé le cortex cérébral. Dans une seconde partie, nous avons étendu l'exploration du codage neuronal au thalamus, passerelle principale qui transmet les informations sensorielles en provenance de la périphérie vers le cortex cérébral. Le thalamus reçoit un fort retour cortico-thalamique qui résulte du calcul global effectué par les aires corticales. Nous avons étudié son influence en modélisant une voie retino-thalamo-corticale mixant neurones artificiels et neurones biologiques in vitro dans laquelle un bombardement synaptique d'origine corticale est mimé via l'injection de conductances stochastiques excitatrices et inhibitrices en clamp dynamique. Cette approche confère l'avantage de pouvoir contrôller individuellement chacun des neurones thalamiques dans la voie artificielle. Nous montrons qu'un processus de facilitation stochastique à l'échelle de la population s'adjoint au gain cellulaire classique pour contrôler le transfert de l'information sensorielle de la rétine au cortex visuel primaire. Ce processus de facilitation stochastique, qui n'aurait pas pu être discerné à l'échelle de la cellule individuelle, est gouverné par le taux de corrélation inter-neuronale de l'activité neuronale dans le thalamus. À l'inverse des conceptions classiques, -un fort taux de décorrélation- optimise le transfert sensoriel de la rétine au cortex en favorisant la synchronisation des afférences synaptiques. Nous suggérons qu'une décorrélation induite par les aires corticales pourrait augmenter l'efficacité du transfert pour certaines assemblées cellulaires dans le thalamus, constituant ainsi un mécanisme attentionnel à l'échelle des circuits thalamo-corticaux. En parallèle, nous avons développé une méthode d'extraction des fluctuations des conductances synaptiques des neurones à partir d'enregistrements intracellulaires unitaires. Cette méthode devrait permettre de raffiner nos connaissances sur la nature des contextes synaptiques dans lesquels sont immergés les neurones avec des retombées potentielles sur le développement de nouveaux modèles de bombardements synaptiques. En conclusion, nos travaux confirment l'hypothèse d'un codage neuronal basé sur la synchronisation synaptique conditionnée par le niveau de corrélation de l'activité neuronale. Nos travaux sont cohérents avec de nombreuses études sur les processus attentionnels et suggèrent que des mécanismes de corrélation et décorrélation actives, ainsi que des activités oscillatoires, pourraient réguler le transfert de l'information entre les organes sensoriels et les aires corticales.

L'intégration sensorielle nécessite un alignement correct des cartes nerveuses dans le cerveau. Dans les couches superficielles du colliculus supérieur, situé dans le mésencéphale, des projections en provenance de la rétine ainsi que du cortex visuel primaire doivent être alignés, mais les mécanismes sous-jacents de ce processus demeurent à ce jour méconnus. Afin d'élucider ces mécanismes, éphrine-A3 a été sur-exprimée dans un modèle murin, dans une sous-population des cellules ganglionnaires de la rétine, induisant un disruption de l'alignement de la carte rétino-colliculaire sur la carte cortico-colliculaire. L'inactivation in vivo d'éphrine-A3 dans la rétine restaure un phénotype sauvage. Une analyse théorique utilisant un modèle informatique a permis la modélisation des donnés obtenues. Ces résultats ont permis l'identification d'un principe de base dans l'alignement des cartes et des mécanismes associés, validés par un modèle théorique
Efficient sensory processing requires correct alignment of neural maps throughout the brain. In the superficial layers of the superior colliculus in the midbrain, projections from retinal ganglion cells and V1 cortex must be aligned to form a visuotopic map, but the basic principle and underlying mechanism are elusive and still incomplete. In a new mouse model, over-expression of ephrin-A3 in a subset of retinal ganglion cells disrupts the cortico-collicular map alignment onto the retino-collicular map, creating a visuotopic mismatch. In vivo inactivation of retinal ephrin-A3 over-expression restores a wild-type corticocollicular map. Theoretical analyses using an original algorithm models the stochastic nature of maps formation and alignment, and recapitulates our observations. Our results identify a basic principle for the alignment of converging maps and the associated mechanism, validated by a theoretical model

Le principe de codage efficace suggère que le traitement des informations dans le système visuel primaire est optimisé et adapté aux statistiques de l’environnement. Une étude intracellulaire menée dans le cortex visuel primaire (V1) du chat anesthésié et paralysé a démontré que la reproductibilité des réponses neuronales est optimisée lorsque des statistiques naturelles sont présentées. En utilisant les mêmes stimuli artificiels et naturels, nous avons enregistré, à l’aide d’électrodes laminaires denses, l’activité neuronale (activité unitaire, multi-unitaire et potentiel de champ local) dans le cortex visuel primaire du chat. Dans un 1er temps, nous avons étudié la reproductibilité de l’activité neuronale et sa dépendance laminaire. Nos résultats démontrent que les images naturelles induisent toujours la réponse la plus reproductible, suggérant une optimisation de V1 dans le traitement des statistiques naturelles. De plus, nous avons montré que les couches 4 et 5/6 présentent des réponses plus reproductibles que la couche 2/3. Cela suggère qu’un « filtrage fonctionnel » des informations pertinentes se produit entre ces différents compartiments laminaires. Dans un 2nd temps nous avons étudié la corrélation de la réponse ou de la variabilité de la réponse de neurones situés dans une même couche ou dans des couches différentes. Les niveaux de corrélation sont les plus élevées lorsque les images naturelles sont présentées. De plus, les corrélations sont plus fortes au sein d’une même couche qu’entre deux couches. Cela suggère qu’un regroupement fonctionnel des neurones se produit afin d’optimiser l’encodage de l’information visuelle
The principle of efficient coding suggests that processing in the early visual system should be optimized and adapted to the environmental statistics. An intracellular study of the primary visual cortex (V1) in the anesthetized and paralyzed cat showed that the reliability of the neural response is optimized for natural statistics. Using the same natural and artificial stimuli, we recorded the neuronal population activity (single unit, multi-unit and local field potentials) in cat’s V1 with high-density linear silicon probes. We first investigated the reliability and of the mesoscopic signal with the intracellular signal and explored its laminar dependency. Our results showed that natural images evoke, at all scales, the most reliable response, suggesting that V1 is better suited to efficiently encode natural statistics. In addition, granular and infragranular layers displayed higher reliability levels than the supragranular one. This argues for a functional filtering of the pertinent information between these layers. We also explored which statistics of the natural images produce this reliable response. Finally, we specifically addressed the role of the correlations between neurons (within and between layers) by measuring the amount of shared variability and signal of the neuronal population in response to our stimulus set. We observed that natural images always evoked higher correlations. We did not observe a strong decorrelation at the single cell level but instead at the scale of groups of neurons, with those that are close together being more correlated and farther apart less correlated, arguing for a functional clustering of the neurons into coherent “neural mass”

Ce travail consiste en une analyse statistique de la séparation des sources des enregistrements d'imagerie VSD afin de 1) séparer le signal neuronal des artefacts, et 2) d'étudier la dynamique des motifs spatio-temporels de l'activité créés par les populations neuronales qui partagent des statistiques communes. À cette fin, nous avons effectué des enregistrements en imagerie VSD des zones 17 et 18 du cortex du chat anesthésié et paralysé, en réponse à des réseaux sinusoïdaux de luminance en mouvement et en plein champ. Nous avons développé une méthode d'analyse pour l'imagerie VSD qui sépare la réponse neuronale des artefacts, et extrait les motifs de l'activité qui sont fonctionnellement liés à des populations différentiables. Notre méthode de débruitage permet d'effectuer des analyses sur des essais unitaires, par exemple pour étudier la variabilité intrinsèque de chaque réponse de la population neuronale enregistrée pour une même stimulation. En outre, nous avons pu séparer des populations de neurones qui montrent différents profils de réponse à l'orientation et/ou à la direction des stimuli à l'aide de la PCA et de l'ICA. La compression et la projection de l'activité de V1 sur trois axes de composantes principales nous a permis d'étudier la dynamique des états corticaux et de démontrer la séparabilité des trajectoires d'état en fonction de l'orientation. Nos résultats indiquent que le codage neuronal de la préférence à l'orientation au niveau de la population plutôt que des canaux individuels est plus efficace. Nous espérons à l'avenir fournir un cadre de mesure pour la quantification et l'interprétation des réponses à des stimuli plus naturels

Les objectifs de ce mémoire sont d’étudier la rétinotopie et les asymétries fonctionnelles du cortex visuel chez l’humain avec la spectroscopie proche de l’infrarouge fonctionnelle (SPIRf), tout en confirmant la fiabilité de cette technique. Tel qu’attendu, les résultats montrent une activation plus forte dans l’hémisphère controlatéral et dans le cortex haut/bas inverse à l’hémichamp stimulé. Nous avons également mesuré une activation significativement plus forte dans le cortex visuel supérieur (lorsque le champ visuel inférieur était stimulé) que l’activation dans le cortex visuel inférieur (lorsque le champ visuel supérieur était stimulé), surtout lorsque ces stimuli étaient présentés dans le champ visuel droit. Il s’agit de la première étude en SPIRf à observer les asymétries horizontale et verticale du cortex visuel et à ainsi confirmer l’existence de ces asymétries. Cette étude témoigne également de la fiabilité de la SPIRf comme technique d’imagerie pour cartographier le cerveau humain.
The present study aimed to further investigate retinotopic mapping and functional asymmetries within the human visual cortex using functional near-infrared spectroscopy (fNIRS), as well as the reliability of this technique. As expected, results showed a stronger visual cortical activation in the controlateral hemisphere and in the inverse upper/lower quadrant to the stimulation. We also measured significant stronger activations in the upper visual cortex (when lower hemifield stimuli were presented) compared to activations in the lower visual cortex (when upper hemifield stimuli were showed), especially when the visual stimulation was presented in the right visual field. This is the first study to confirm the vertical and horizontal asymmetries of the visual cortex with fNIRS technique. The present work also settles the reliability of this technique for functional mapping of the human brain.

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.
Primary visual cortex neurons in adult cat are selective to different image properties as orientation, contrast and spatial frequency. This selectivity is characterized by action potentials as electrical activity from the visual neurons. This response occurs during the presentation of a luminous bar in the receptive fields of the neurons. Spatial frequency is the amount of luminous bars in a grating presented from a precise distance from the eyes and is measured in cycles per degree. Furthermore, it was establish until recently that cortical organisation in the adult remains inflexible following the critical period after birth. However, our results have revealed that spatial frequency selectivity is able to change after an imposition of a non-preferred spatial frequency, also called adapter. Following cortical activity recordings, there is a shift of the spatial frequency tuning curves in the direction of the adapter. A second adaptation at the same non-preferred spatial frequency produced a different neural response from the first adaptation. This “short-term plasticity” was already observed in the primary visual cortex for orientation selective neurons but not yet for spatial frequency. The results presented in this study suggest that such plasticity is possible and that visual neurons regulate their electrical responses through modulation of the weights of their synaptic afferences.

Dans le cortex visuel primaire du chat (aires 17 et 18), les neurones répondant aux orientations présentes dans l’environnement (comme le contour des objets) sont organisés en colonnes perpendiculaires à la surface du cortex. Il a précédemment été montré qu'un changement drastique des orientations présentes dans l’environnement change la réponse des neurones. Par exemple, un neurone répondant à des orientations horizontales pourra répondre, après apprentissage d'un nouvel environnement, à des orientations obliques. Nous avons voulu, dans cette thèse, suivre les changements de propriétés de populations entières de neurones suite à ce type d'apprentissage. A cet effet, nous avons utilisé la technique d'imagerie optique des signaux intrinsèques, qui permet de mesurer l'activité d'une surface de cortex en utilisant le signal BOLD (blood-oxygen-level dependent). Cette thèse s'articule sur trois axes : l'effet de l'apprentissage au niveau local, l'effet de l’apprentissage à l'échelle de l'aire cérébrale, et la modélisation de l’apprentissage. Dans la première partie, nous avons comparé les changements d’orientations des neurones en fonction du gradient d’orientation local. Ce gradient est fort quand deux neurones voisins ont des orientations très différentes, et faible quand leurs orientations sont semblables. Les résultats montrent que plus les neurones sont entourés de neurones aux orientations différentes, plus l'apprentissage change leur réponse à l’orientation. Ceci suggère que les connexions locales ont une influence déterminante sur l'ampleur de l’apprentissage. Dans la deuxième partie, nous avons comparé le changement d’orientation des neurones des aires 17 et 18 avant et après apprentissage. Les résultats ne sont pas notablement différents entre les aires 17 et 18. On peut toutefois noter que les changements d’orientations dans l’aire 18 ont des amplitudes plus variables que dans l’aire 17. Ceci peut provenir du fait que l’aire 18 reçoit des afférences plus variées que l’aire 17, notamment une afférence directe des cellules Y du CGLd (Corps Genouillé Latéral dorsal). Dans la troisième partie, nous avons modélisé l'apprentissage expérimentalement observé à l'aide de réseaux de neurones utilisant un apprentissage Hebbien (cartes auto-organisatrices). Nous avons montré que le « feedback » des aires supérieures vers le cortex visuel primaire était souhaitable pour la conservation de la sélectivité à l'orientation des neurones. De manière générale, cette thèse montre l'importance des connexions locales dans la plasticité neuronale. Notamment, elles garantissent un apprentissage homéostatique, c'est-à- dire conservant la représentativité des orientations au niveau du cortex. De manière complémentaire, elle montre également l’importance des aires supérieures dans le maintient à long terme des orientations apprises par les neurones lors de l'apprentissage.
In the cat primary visual cortex (areas 17 and 18), neurons responding to orientations in the environment (such as the outline of objects) are organized in columns perpendicular to the cortical surface. It was previously shown that a drastic change in orientations in the environment changes the response of neurons. For example, a neuron responding to a horizontal orientation will respond, after learning a new environment, to an oblique orientation. In this thesis, we seek to follow the changes of properties of large populations of neurons due to this type of learning. To this end, we used the intrinsic signals optical imaging technique, which measures the activity of a cortical surface using the BOLD (blood-oxygen-level dependent) signal. This thesis follows three axes: the effect of learning at the local level, the effect of learning at the visual area scale, and the modeling of learning. In the first part, we compared the changes in orientation of neurons according to the local gradient of orientation. This gradient is strong when two neighboring neurons have very different orientations, and weak when their orientations are similar. The obtained relation between the gradient and the magnitude of change in orientation shows that when neurons are increasingly surrounded by neurons with different orientations, they change their response to orientation to a greater extent. This suggests that local connections have a decisive influence on the extent of learning. In the second part, we followed the change in the orientation of neurons in the areas 17 and 18, before and after learning. The results are not significantly different between area 17 and area 18. However, it is noteworthy that orientation changes in area 18 are more variable in amplitude than in area 17. This may be because area 18 receives more diverse inputs than area 17, including a direct input from dLGN (dorsal Lateral Geniculate Nucleus) Y cells. In the third part, we modeled the experimentally observed learning with neural networks using a Hebbian learning rule (networks are self-organizing maps). We have shown that feedback from higher areas to the primary visual cortex was desirable for the neurons orientation selectivity conservation. Overall, this thesis shows the importance of local connections in neuronal plasticity. In particular, they guarantee a homeostatic learning, i.e. maintaining the representativeness of orientations in the cortex. In a complementary manner, it also shows the importance of the superior areas in the conservation of learned orientations.

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.
Sensory systems encode information about our environment into electrical impulses that propagate in networks of neurons. Understanding the neural code – the principles by which information is represented in neuronal activity – is one of the most fundamental issues in neuroscience. This thesis investigates in a series of 3 studies (S) two coding mechanisms, synchrony and adaptation, in neurons of the cat primary visual cortex (V1). In V1, neurons display selectivity for image features such as contour orientation, motion direction and velocity. Each neuron has at least one combination of features that elicits its maximum firing rate. Visual information is thus distributed among numerous neurons within and across cortical columns, modules and areas. Synchronized electrical activity between cells was proposed as a potential mechanism underlying the binding of related features to form coherent perception. However, the precise nature of the relations between image features that may elicit neuronal synchrony remains unclear (S1). In another coding strategy, sensory neurons display transient changes of their response properties following prolonged exposure to an appropriate stimulus (adaptation). In adult cat V1, orientation-selective neurons shift their preferred orientation after being exposed to a non-preferred orientation. How the adaptive behavior of a neuron is related to that of its neighbors remains unclear (S2). Finally, we investigated the relationship between synchrony and orientation tuning in neuron pairs, especially how synchrony is modulated during adaptation-induced plasticity (S3). Main results — (S1) We show that two stimuli in either convergent or divergent motion elicit significantly more synchrony in V1 neuron pairs than two stimuli with the same motion direction. Synchronization seems to encode the relation of cocircularity, of which convergent (centripetal) and divergent (centrifugal) motion are two special instances, and could thus play a role in contour integration. Our results suggest that V1 neuron pairs transmit specific information on distinct image configurations through stimulus-dependent synchrony of their action potentials. (S2) We show that after being adapted to a non-preferred orientation, cells shift their preferred orientation in the same direction as their neighbors in most cases (75%). Several response properties of V1 neurons depend on their location within the cortical orientation map. The differences we found between cell clusters that shift in the same direction and cell clusters with both attractive and repulsive shifts suggest a different cortical location, iso-orientation domains for the former and pinwheel centers for the latter. (S3) We found that after adaptation, neuron pairs that share closer tuning properties display a significant increase of synchronization. Recovery from adaptation is accompanied by a return to the initial synchrony level. Synchrony therefore seems to reflect the similarity in neurons’ response properties, and varies accordingly when these properties change. Conclusions — This thesis further advances our understanding of how visual neurons adapt to a changing environment, especially regarding cortical network dynamics. We also propose novel data about the potential role of synchrony. Especially, synchrony appears capable of binding various features, whether similar or dissimilar, suggesting superimposed neural assemblies.

Les neurones des couches superficielles du collicule supérieur et du cortex visuel primaire du rat adulte sont sensibles à de basses fréquences spatiales de haut contraste défilant à des vitesses élevées. Entre les jours post-nataux 27-30 et l’âge adulte, les fréquences temporelles optimales des neurones du cortex visuel primaire augmentent, tandis que leurs seuils de contraste diminuent. Cependant, les fréquences spatiales optimales, les valeurs de résolution spatiale et les bandes passantes spatiales de ces neurones sont, dès l’ouverture des paupières, similaires à celles observées chez le rat adulte. Ces profils de réponse neuronale suggèrent que les projections rétino-colliculaires et rétino-géniculo-corticales sont essentiellement issues de neurones ganglionnaires rétinofuges magnocellulaires et koniocellulaires. Les neurones du cortex visuel primaire du rat ayant subi des convulsions hyperthermiques présentent, dès l’ouverture des paupières, de basses fréquences spatiales optimales, de larges bandes passantes directionnelles et temporelles ainsi que des seuils de contraste élevés par rapport aux neurones du rat normal. À l’âge adulte, de basses fréquences temporelles optimales et de larges bandes passantes spatiales sont également observées chez le rat ayant subi des convulsions hyperthermiques. L’altération des profils de réponse des neurones du cortex visuel primaire du rat ayant subi de convulsions hyperthermiques suggère un déséquilibre entre les mécanismes neuronaux excitateurs et inhibiteurs de cette aire corticale. Ces résultats suggèrent également qu’un épisode unique de convulsions fébriles infantiles suffit à altérer le développement des propriétés spatio-temporelles des champs récepteurs des neurones du cortex visuel primaire.
Neurons in superficial layers of the rat superior colliculus and primary visual cortex are sensitive to highly contrasted low spatial frequencies drifting at fast speeds. Between post-natal days 27-30 and adulthood, the optimal temporal frequencies of neurons in the primary visual cortex increase, whereas their contrast thresholds decrease. However, the optimal spatial frequencies, spatial resolution values and spatial bandwidths of these neurons are, soon after eyelid opening, similar to those observed in the adult rat. These neuronal response profiles suggest that the retino-collicular and retino-geniculo-cortical projections are mainly innervated by magnocellular and koniocellular retinal ganglion cells. Neurons in the primary visual cortex of rats having experienced hyperthermic seizures are, soon after eyelid opening, sensitive to low optimal spatial frequencies and show broad directional and temporal bandwidths, as well as elevated contrast thresholds when compared to neurons of normal rats. At adulthood, low optimal temporal frequencies and broad spatial bandwidths are also observed in rats having experienced hyperthermic seizures. The alteration of response profiles of neurons in the primary visual cortex of rats having experienced hyperthermic seizures suggests an unbalance between excitatory and inhibitory mechanisms in this cortical structure. These results also suggest that a single episode of febrile seizures could be sufficient to impede the development of the spatio-temporal receptive field properties of neurons in the primary visual cortex.