TU Darmstadt / ULB / tuprints

Der Einfluss kortiko-kortikaler Verbindungen auf die Antworteigenschaften von Neuronen im primären visuellen Kortex

Wunderle, Thomas :
Der Einfluss kortiko-kortikaler Verbindungen auf die Antworteigenschaften von Neuronen im primären visuellen Kortex.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

[img]
Preview
Text
DissertationThomasWunderle.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives.

Download (6Mb) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Der Einfluss kortiko-kortikaler Verbindungen auf die Antworteigenschaften von Neuronen im primären visuellen Kortex
Language: English
Abstract:

In dieser Studie untersuchten wir den Einfluss von interhemisphärischen Projektionen auf die Antworteigenschaften von Neuronen in den Zielregionen dieser Verbindungen. Dazu wurden elektrophysiologische Ableitungen in den Arealen 17 und 18 bei der anästhesierten Katze durchgeführt. Wir kombinierten diese Ableitungen mit der reversiblen, thermischen Deaktivierung der kallosal projizierenden Neurone auf der kontralateralen Hemisphäre. Unsere Ergebnisse zeigten eine stimulusspezifische Modulation der Aktionspotentialrate, wobei exzitatorische Einflüsse von der anderen Hemisphäre dominierten. Diese Effekte konnten für statische und dynamische Stimuli, sowie für spontane Hirnaktivität beobachtet werden. Weiterhin konnten wir zeigen, dass der Mechanismus der Ratenänderung einer multiplikativen Skalierung folgt, was umso ausgeprägter war, je größer die Ratenänderungen ausfielen. Die Orientierungsselektivität wurde nur wenig durch die kallosalen Verbindungen beeinflusst. Für Neurone die eine additive Skalierung ihre Rate zeigten, konnten wir jedoch im Mittel eine Änderung der Tuningbreite, und damit Selektivität, dieser Zellen nachweisen. Zusätzlich zur mittleren Aktionspotentialrate und Tuningbreite quantifizierten wir die Variabilität der neuronalen Antworten. Hier konnten wir eine stimulusabhängige Modulation der Antwortvariabilität durch die kallosalen Verbindungen feststellen. Es zeigte sich, dass eine verminderte Antwortvariabilität vor allem bei denjenigen Neuronen auftrat, die eine Erhöhung ihrer Aktionspotentialrate durch die Kühldeaktivierung erfuhren. Die Art der Variabilitätsänderung sprach für eine Beeinflussung spontaner Zustandsänderungen des kortikalen Netzwerks durch die kallosalen Verbindungen. Unsere Ergebnisse komplementieren bestehende Arbeiten zu der Funktionsweise kortiko-kortikaler Verbindungen, und geben, zum ersten Mal, eine ausführliche mathematische Beschreibung ihrer Mechanismen. Es ist zu betonen, dass unsere Ergebnisse in vivo, und damit möglichst nahe an der natürlichen Arbeitsweise des Gehirns gewonnen wurden. Nimmt man an, dass sich die am kallosalen System gewonnenen Erkenntnisse auf andere kortiko-kortikale Verbindungen übertragen lassen, haben unsere Ergebnisse interessante Implikationen für zukünftige Modelle neuronaler Codierung und Verarbeitung.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In this study, we investigated the functional impact of interhemispheric projections on neurons in their target zones. Electrophysiological recordings were performed in primary visual areas 17 and 18 of the anesthetized cat. We combined the electrophysiological recordings with reversible cooling deactivation. Our results demonstrate a stimulus specific modulation of firing rates in the callosal recipient zone, with a predominant excitatory influence. The effects could be observed for static and moving stimuli and persisted throughout the stimulation period. Additionally, spontaneous activity was affected in a similar way. We also characterized the mechanism of those modulations, revealing a multiplicative scaling, especially for those cells which show a strong change in spike rate at their preferred direction. Tuning width was only faintly influenced by the callosal fibers, but a correlation existed between the additive component of amplitude scaling and a small change in tuning width. According to previous experimental and theoretical work, we created a simple model of response modulation of tuning curves. Those simulations indicated that a multiplicative scaling of tuning curves can be obtained by the addition of cortico-cortical synaptic input to the membrane potential, in the presence of a nonlinear input-output transformation or by tuned synaptic input. Furthermore, we estimated neuronal discharge variability, including trial-to-trial variability measured by the Fano factor and within trial variability, or spiking noise, measured by the coefficient of variation. We found a stimulus-dependent change for both measures, with a more pronounced decrease in trial-to-trial variability compared to spiking noise. A strong decrease in trial-to-trial variability was mainly present in neurons which increased their spike rate during cooling deactivation. The profound effects of cooling on trial-to-trial variability point towards a modulation of ongoing fluctuations by callosal or lateral connections. These fluctuations are added to the stimulus induced responses. Our results complete the view of how cortico-cortical connections in the brain shape responses to external stimuli and are in line with previous work on the physiological role of feedback projections and callosal connections. They provide, for the first time, an extensive evaluation and mathematical description of the contributions of long-range projections to the response properties of cortical neurons. Furthermore, they demonstrate that what we usually call “noise”, and try to get rid of by extensive averaging, is indeed part of the system and might be dynamically regulated. Therefore, in understanding more complex features of visual processing, like center-surround interactions or scene segmentation, it might be important to consider the variability of neuronal actions and interactions. Indeed, over the last view years it became clear that neuronal variability in a variety of cortical areas plays a critical role in conscious perception and motor actions. Finally, our results have implications for neuronal coding, showing that cortico-cortical connections can alter the rate and timing of spikes.English
Uncontrolled Keywords: Kortex, Corpus Callosum, visuelles System, Antwortmodulation, neuronale Variabilität
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Cortex, Corpus Callosum, visuell system, gain modulation, neuronal variabilityEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology > Zoology > Systems Neurophysiology
Date Deposited: 24 Jun 2011 12:53
Last Modified: 09 Dec 2012 10:03
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-26302
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Galuske, Prof. Ralf A.W. and Munk, PD Matthias H.J.
Refereed: 3 June 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2630
Export:

Actions (login required)

View Item View Item