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Reversible Visual Hemineglect: the Role of Neural Oscillations in Primary Visual Cortex

Barnes, William (2016)
Reversible Visual Hemineglect: the Role of Neural Oscillations in Primary Visual Cortex.
Technische Universität
Ph.D. Thesis, Primary publication

Thesis Barnes PDF Dec2015.pdf
Copyright Information: CC BY-NC-ND 3.0 Unported - Creative Commons, Attribution, NonCommercial, NoDerivs.

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Reversible Visual Hemineglect: the Role of Neural Oscillations in Primary Visual Cortex
Language: English
Referees: Galuske, Dr Prof Ralf A. W. ; Munk, PD Dr. Matthias H. J.
Date: 2016
Place of Publication: Darmstadt
Date of oral examination: 16 December 2014

Visual hemineglect is a pathology where damage to any of a number of areas in the brain can result in visual stimuli contralateral to neural damage not entering perceptual awareness. In the cat, the superior colliculus (SC) and cortical areas on the medial bank of posterior middle suprasylvian sulcus (pMS) are regions that when unilaterally damaged result in contralateral visual hemineglect. In this dissertation, electrophysiological recordings of population activity in cat primary visual cortex were made while either the SC or pMS were deactivated. The goal of this experimental set- up was to ascertain the effects of SC or pMS deactivation on the electrophysiological population signal as a visual stimulus enters the cortical processing network at its main entry point, primary visual cortex. Four projects were executed for this thesis involving: 1) anesthetized SC-deactivation, 2) anesthetized pMS-deactivation, 3) awake pMS deactivation, and 4) pMS-deactivation in the awake-behaving cat. Advanced recording techniques to monitor neural activity in the awake-behaving cat (project 4) while cortex was both active and deactivated were developed for this thesis to compliment thesis projects 1-3 involving classical recording techniques in animals passively viewing a square-wave visual stimulus.

The results are as follows: in the awake cat performing a visual perimetry task (project 4), neural activity when 1) unilateral pMS was deactivated and contralateral stimuli neglected versus when 2) pMS was active and stimuli were attended, reveals a significant drop in high-frequency gamma (52-90 Hz) oscillations and low-frequency theta (4-8 Hz) oscillations bilaterally in primary visual cortex. The drop in gamma and theta power was mirrored in anesthetized recordings during pMS deactivation (project 2). In this experimental set-up the cat was anesthetized and square-wave gratings were used as a visual stimulation. Gamma and theta power decreased during pMS deactivation relative to the condition where pMS was active. A similar trend, though statistically insignificant, were made when performing the same experiment as project 2, but in awake cats (project 3). The lack of statistical significance is presumably due to increased ongoing, internally generated, activity in the awake preparation. The findings in projects 2 & 3 confirm the visual perimetry finding in project 4 with the caveat that the passive viewing projects 2 & 3 yield a cooling-induced interhemispheric imbalance in theta and gamma power, whereas power changes for the awake-behaving cat in project 4 were bilateral with no interhemispheric imbalance. The strong unilateral effect in project 2 is presumably due to anesthesia inhibiting interareal interaction, or could as-well reflect reduced processing demands relative to the perimetry task. The perimerty task is a behavioral task and may necessitate the recruiting of a larger network involving both hemispheres in order to orient attention to a low-salience LED located in the visual periphery.

The anesthetized project was repeated, but with SC rather than pMS deactivation (thesis project 1). The SC deactivation led to an ipso deactivation loss of gamma, but not theta power.

Taken together, the meaning of the results in projects 1-4 is as follows: unilateral deactivation of the pMS or SC results in a visual hemineglect in the awake behaving animal. Unilateral deactivation of either structure also leads to a loss of gamma power. This loss in gamma power during pMS or SC deactivation lends support to the binding by synchrony hypothesis (Gray et al 1989) whereby high-frequency oscillations act as a carrier frequency through which a larger cortical network can represent a stimulus via synchronous activity in the disparate neural processing nodes. Along this line, loss of gamma power would indicate a break-down in network communication that leads to a neglect of contralateral visual stimuli. A cooling induced interhemispheric imbalance in gamma power, as found in passive-viewing projects 1-3, could explain visual hemineglect because the primary visual cortex respresenting the neglected hemifield has less gamma power than the hemisphere responsible for the intact visual hemispace. However, interhemispheric gamma power imbalance does not occur in the behaving cat. In light of a bilateral loss of gamma power for neglect trials following pMS inactivation in project 4, an explanation beyond interhemispheric gamma power imbalance must be formed to explain behavioral hemineglect, at least with regards to pMS inactivation

The loss of theta power for pMS but not SC deactivation lends support to the attention to memory hypothesis (Cabeza et al 2008). This hypothesis views the posterior parietal cortex (PPC), of which pMS is a part, as an area involved in directing attention to internal memories and goals. Anatomical links between the PPC and the hippocampus, where a theta rhythm is generated, may implicate the pMS in more than just reflexive orienting behavior. Moreover, posterior parietal cortex, of which pMS is a key part, is known from anatomical studies (Markov et al 2014) to be one of the network hubs in the brain The loss of theta power following pMS deactivation may indicate a global loss network connectivity with one result being a loss in the ability to create an egocentric coordinate system in the hemispace contralateral to pMS deactivation. Deactivation of the pMS could also lead to a context dependent loss in the ability to retain awareness that behaviorally relevant stimuli have occurred in the hemispace contralateral to pMS deactivation. Both spatial coordinates and memories are functions inextricably intertwined with the hippocampus. Moreover, cross- frequency coupling between theta and gamma is well established. This frequency coupling, with small amplitude gamma oscillation riding on top of large-amplitude theta oscillations, would allow the membrane potentials in participating distributed brain regions to depolarize and simultaneously spike thereby generating a distributed neural signature that could underly perceptual awareness. This binding mechanism appears to be compromised in visual hemineglect.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Visueller Hemineglect ist eine pathologische Störung, bei der Schäden an bestimmten Arealen des Gehirns eine bewusste Wahrnehmung von visuellen Reizen im Gesichtsfeld kontralateral zur Schädigung unterbinden. Bei Katzen verursacht eine unilaterale Läsion der Colliculli Superiores (SC) oder von Kortexregionen im medialen posterioren suprasylvischen Sulcus (pMS) diesen kontralateralen visuellen Hemineglect. Für vorliegende Dissertation wurden elektrophysiologische Messungen an Neuronenpopulationen im primären visuellen Kortex von Katzen durchgeführt, wobei entweder SC oder pMS deaktiviert wurden. Ziel dieser Experimente war es, den Effekt von SC oder pMS Deaktivierung auf das elektrophysiologische Populationssignal zu untersuchen, wenn eine visuelle Reizung des primären visuellen Kortex sowie des gesamten visuellen Informationsverarbeitungsnetzwerk erfolgte. Für diese Arbeit wurden vier verschiedenen Projekte durchgeführt: 1) Deaktivierung von SC unter Anästhesie; 2) Deaktivierung von pMS unter Anästhesie; 3) Deaktivierung von pMS bei wachen Katzen; 4) Deaktivierung von pMS bei wachen Katzen während Verhaltenstests. Um die neuronale Aktivität in den Verhaltensexperimenten am wachen Tier erfassen zu können, wurden spezielle Messtechniken entwickelt. Diese ergänzen die klassischen Messtechniken, die für Projektteile 1-3 verwendet wurden. Die Ergebnisse sind wie folgt: Während der Durchführung einer visuellen Perimetrie- Aufgabe im Verhaltenstest (Projekt 4) zeigte sich in der neuronalen Aktivität A) bei unilateraler pMS Deaktivierung mit kontralateralem Stimulusneglect im Vergleich zu B) bei aktivem pMS und Aufmerksamkeitsausrichtung auf den Stimulus ein signifikant verringerter Anteil an hochfrequenten Gammaband Oszillationen (25-90Hz) sowie an niedrigfrequenten Thetaband Oszillationen (4-8Hz) bilateral im primären visuellen Kortex.

Die verminderte Gamma- und Thetaband Aktivität konnte auch bei anästhesierten Tieren während der pMS Deaktivierung festgestellt werden (Projekt 2). In diesem Teil der Studie wurden anästhesierte Katzen mit bewegten Balkengittern (square waved moving gratings) stimuliert. Während der pMS Deaktivierungsphase zeigte sich, dass die Deaktivierung von pMS zu einer Verminderung von Gamma- und Thetabandaktivitäten führte. Ein ähnlicher Trend, jedoch ohne statistische Signifikanz, konnte bei wachen Katzen während der Durchführung der für Projekt 2 beschriebenen Aufgabe (Projekt 3) beobachtet werden. Die fehlende statistische Signifikanz kann vermutlich durch ein erhöhtes Maß an intern generierter Aktivität im Wachzustand erklärt werden.

Die Ergebnisse aus Projekt 2 und 3 bestätigen die Ergebnisse der Verhaltenstests, die in Projekt 4 gewonnen wurden. Allerdings wurden während der passiven Projekte 2 und 3 durch Kühlung bedingte, interhemisphärische Unterschiede im Gamma- und Thetaband beobachtet, wohingegen Änderungen in der Aktivität in Projekt 4 bei wachen Katzen bilateral, d.h. ohne interhemisphärische Unterschiede, auftreten. Der stark unilaterale Effekt in Projekt 2 ist vermutlich durch eine anästhesiebedingte Hemmung interarealer Kommunikation erklärbar, könnte aber auch verringerte Informationsverarbeitungsanforderungen im Vergleich zwischen passiver und aktiver Aufgabe widerspiegeln. Die Perimetrie-Aufgbe ist eine Verhaltensaufgabe, bei der möglicherweise die Rekrutierung größerer Netzwerke und die Involvierung beider Hemisphären erforderlich ist, um die Aufmerksamkeit auf einen LED Reiz niedriger Salienz in der visuellen Peripherie richten zu können.

Auch in den Experimenten mit anästhesierten Tieren gibt es interessante Unterschiede. Dabei zeigte sich, dass die Deaktivierung von pMS und die Deaktivierung des SC unterschiedliche Konsequenzen hatten: während die pMS Deaktivierung zu einem breiten Zusammenbruch im Oszillationsspektrum führte, beobachteten wir bei SC Deaktivierung nur einen Verlust von Gamma-, nicht jedoch von Thetabandaktivität. Zusammengenommen bedeuten die Ergebnisse der Projekte 1-4 nun Folgendes: Unilaterale Deaktivierung von pMS oder SC führt im Verhaltensexperiment an wachen Katzen zum Hemineglect und außerdem zu einem Verlust von Gammabandaktivität. Dieser Verlust von Gammabandaktivität während der pMS oder SC Deaktivierung stützt die ‚binding by synchrony‘ Hypothese (Gray et al 1989), nach der hochfrequente Oszillationen als Trägerfrequenzen dienen, durch die Stimuli in größeren kortikalen Netzwerken durch Synchronizität zwischen Netzwerkpunkten repräsentiert werden. Nach dieser Logik wäre ein Verlust an Gammabandaktivität ein Zeichen für das Zusammenbrechen der Netzwerkkommunikation, was dann zum Neglect von kontralateralen visuellen Stimuli führt. Die durch die Kühlung induzierten interhemisphärischen Unterschiede in der Gammabandaktivität, die wir in den passiven Projekten 1-3 fanden, könnten eine Erklärung für den visuellen Hemineglect sein, da der primäre visuelle Kortexanteil, der für das vom Neglect betroffene Hemifield verantwortlich ist, weniger Gammabandaktivität zeigt als der für das intakte Gesichtsfeld verantwortliche. Diese interhemisphärischen Unterschiede zeigen sich nicht nur während der Verhaltensexperimente. Unter Bezugnahme auf einen bilateralen Verlust von Gammabandaktivität bei Neglect Durchgängen, der einer pMS Inaktivität in Projekt 4 folgt, sind zusätzlich zum interhemisphärischen Gammaband-Ungleichgewicht weitere Erklärungen erforderlich, um die Verhaltenseffekte beim Hemineglect zu erklären, zumindest in Bezug auf eine pMS Inaktivierung.

Der Verlust von Thetaband Aktivität bei pMS Deaktivierung, nicht aber bei SC Deaktivierung, kann im Sinne der 'attention to memory' Hypothese (Cabeza et al 2008) erklärt werden. Dieser Hypothese zufolge ist der posteriore parietale Kortex (PPC), zu dem auch der pMS gehört, in die Ausrichtung von Aufmerksamkeit auf interne Erinnerungen und Ziele involviert. Anatomische Verbindungen zwischen PCC und Hippocampus, der für die Generierung von Thetabandaktivität verantwortlich ist, lassen vermuten, dass der pMS wahrscheinlich für mehr als nur ein reflexbedingtes Orientierungsverhalten eine Rolle spielt. Des Weiteren haben viele Studien gezeigt, dass der PPC eine Schlüsselstellung in einem aufmerksamkeitsgesteuerten visuellen, aber auch multimodalen, Netzwerk spielt. Daher ist der Verlust von Theta Oszillationen durch pMS Deakivierung vermutlich ein Indikator für den Verlust der globalen Netzwerkkonnektivität auf funktioneller Ebene. Das Resultat wäre dann der Verlust der Fähigkeit, ein egozentrisches Koordinatensystem aufzubauen, was dem klinischen Bild sehr nahe kommt.

Sowohl räumliche Koordination als auch Gedächtnis sind Funktionen, bei denen der Hippocampus eine wichtige Rolle spielt. Die Kopplung zwischen Gammaband und Thetaband Oszillationen ist gut belegt und bekannt. Diese Kopplung zwischen niederfrequentem und niederamplitudigem Gammaband mit geringerfrequenten aber höheramplitudigen Oszillationen würde in beteiligten Hirnregionen zur Depolarisierung von Neuronen führen bei gleichzeitiger Generierung von Spikes. Dabei könnte eine neuronale Signatur generiert werden, die dem perzeptuellen Bewusstsein zugrunde liegt. Dieser Bindungsprozess scheint eben der zu sein, der bei visuellem Hemineglect beeinträchtigt ist. Aber auch die Rolle von GammaOszillationen muss weiter beobachtet werden, da sie sehr wichtige seitenspezifische Resultate gezeigt hat.

URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-51931
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 500 Science
Divisions: 10 Department of Biology
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Date Deposited: 04 Jan 2016 07:38
Last Modified: 15 Jul 2020 09:07
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5193
PPN: 368221105
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