Hierarchical transformations of sensory inputs along the primate dorsal visual pathway

• Main Author: Khawaja, Farhan
• Other Authors: Christopher Pack (Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2014
• Subjects: Health Sciences - Mental Health
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=121159

The dorsal pathway of macaque visual cortex is involved in the processing of motion signals that are useful for perception and behaviour. This involves multiple stages, with each stage integrating information from its predecessors. Along these stages, motion information is first measured by the primary visual cortex (V1), which sends specialized projections to extrastriate regions such as the middle temporal area (MT). Previous work with plaid stimuli has shown that most V1 neurons respond to the individual components of moving stimuli, while some MT neurons are capable of estimating the global motion of the pattern. The observation of this pattern-selectivity has led to two-stage models, in which MT neurons integrate the outputs of component-selective V1 neurons. In this thesis we first show (Chapter 2) thatthe majority of neurons in the medial temporal area (MST), which receives input from MT, have this pattern-selective property. We also show that increased pattern selectivity in MST is associated with greater prevalence of the mechanisms (i.e. motion opponency and component integration) implemented by two-stage MT models. Thus the relationship between MST and MT is qualitatively similar to that between MT and V1, as repeated application of basic motion mechanisms leads to novel selectivities at each stage along the pathway. The second and third chapters of this thesis use dissociation of spikes and local field potentials (LFPs) through stimulus selectivity and inactivation of spiking output, respectively, to investigate the anatomical source of the LFP. These experiments suggest that the β and γLband of the LFP exhibit properties similar to the presumptive feedforward input to each area while the γH band reflects local spiking output. Together theresults of this thesis suggest a strong link between the sensory tuning of cortical LFPs and afferent inputs, with important implications for the interpretation of the BOLD signal, which has been shown to correlate with the spike-independent component of the LFP. The thesis also has important implications for the design of Brain-Machine Interfaces, which use the LFP response to decode brain function. === Chez le macaque, la voie dorsale du cortex visuel est impliquée dans le traitement des signaux relatifs au mouvement qui sont utiles à la fois pour la perception et le comportement. Ce processus nécessite plusieurs étapes d'intégrations de l'information avec chacune des étapes intégrant l'information acheminée lors des étapes précédentes. Le long de ces étapes, l'information relative au mouvement est d'abord traitée par le cortex visuel primaire (V1) qui envoie des projections spécialisées aux régions extra-striées comme la région moyenne temporale (ou MT). En utilisant un stimulus visuel complexe de type 'plaid', des travaux antérieurs ont montré que la plupart des neurones V1 répondent aux composantes individuelles du stimulus en mouvement, alors que certains neurones du MT sont plutôt capables de traiter l'information concernant le mouvement et/ou le pattern du stimulus dans sa globalité. L'observation de ce type de modèle sélectif (ou modèle-sélectivité) à conduit au modèle à deux étapes au cours duquel les neurones du MT intègrent les informations sortantes sélectives des neurones V1. Dans cette thèse nous montrons tout d'abord (chapitre 2) que la majorité des neurones dans la région médiane temporale (ou MST), qui reçoivent des projections du MT, ont cette propriété de modèle-sélectivité. Nous avons montré également que l'augmentation du modèle-sélectivité dans le MST est associée à la prévalence des mécanismes implémentés par le modèle MT à deux étapes (c'est-à-dire mouvement dans des sens opposés et composante du processus d'intégration). Ainsi, la relation entre le MST et le MT est qualitativement semblable à celle entre le MT et le V1, étant donné qu'une application répétée des mécanismes de base du mouvement conduit à des sélectivités nouvelles à chaque étape le 10 long de cette voie. Dans le deuxième et le troisième chapitre de cette thèse nous avons utilisé les techniques de dissociation des potentiels d'actions ainsi que les potentiels de champs locaux (LFPs) en ayant recours, respectivement, à la stimulation sélective et l'inactivation de décharge neuronale à la sortie afin de déterminer l'origine anatomique du LFP. Nos résultats suggèrent que la bande β et γL de la LFP présente des propriétés semblables à celles des projections entrantes capables de rétroaction anticipative tandis que la bande γH reflète le pattern de décharge des projections sortantes. Ensemble, les résultats de cette thèse suggèrent un lien important entre l'affinement des entrées sensorielles des LFPs corticaux et les autres afférences, avec des implications importantes pour l'interprétation du signal "FORT", qui semble correler avec la composante indépendante du pic du LFP. La thèse a également des implications importantes dans la conception des Interfaces Cerveau- Machine, qui utilisent la réponse du LFP pour décoder le fonctionnement du cerveau.