Principes biologiques d’organisation des voies visuelles.

1. Module ENS-P1 Perception visuelle Principes biologiques d’organisation des voies visuelles. Daniel E. Shulz Directeur de Recherche au CNRS Unité de Neurosciences Intégratives et Computationnelles, Institut Fédératif de Neurobiologie Alfred Fessard, CNRS, Gif sur Yvette, France.

2. Principes d’organisation des systèmes sensoriels a) Surfaces de récepteurs spécialisés. b) Spécialisation fovéale et périphérique. c) Les Champs Récepteurs : les neurones détecteurs de contraste. d) Organisation topographique et modularité du cortex. e) Traitement parallèle de l’information (systèmes Quoi et Où) f) Senseurs actifs et intégration sensori-motrice. g) Intégration multimodale dans des aires polysensorielles h) Plasticité développementale et plasticité adulte

3. Organisation anatomo-fonctionnelle du système visuel.

4. Organisation anatomo-fonctionnelle du système visuel.

5. Le fond de l’œil est complètement recouvert de photorécepteurs (trois types de cônes pour la vision colorée et les bâtonnets pour la vision scotopique). fovéa périphérie

6. La densité des photorécepteurs sur la rétine est très importante. Il faut considérer cependant l’extraordinaire convergence sur les cellules ganglionnaires, les unités de sortie de la rétine.

7. Segments externes des photorécepteurs contenant le photopigment: rhodopsine

8. Isomérisation de la Rhodopsine: seule réaction photodépendante de la rétine

9. Phototransduction; l'énergie lumineuse est traduite en énergie électrique par le biais de la fermeture des canaux cationiques due à la diminution de la concentration de GMPcyclique

10. Courant d’obscurité et hyperpolarisation du photorécepteur à la lumière

11. Courant d’obscurité et cinétique de l'hyperpolarisation du photorécepteur à la lumière Burns, M.E. and Lamb, T.D. (2003).  Visual Transduction by Rod and Cone Photoreceptors In Visual Neurosciences, L.M. Chalupa and J.H. Werner, Eds.  MIT Press.

12. Cellules bipolaires: naissance des voies ON et OFF

13. Principes d’organisation des systèmes sensoriels a) Surfaces de récepteurs spécialisés. b) Spécialisation fovéale et périphérique. c) Les Champs Récepteurs : neurones détecteurs de contraste. d) Organisation topographique et modularité du cortex. e) Traitement parallèle de l’information (systèmes Quoi et Où) f) Senseurs actifs et intégration sensori-motrice. g) Intégration multimodale dans des aires polysensorielles h) Plasticité développementale et plasticité adulte

14. La rétine centrale chez l’homme est dominée par les cônes. Leur densité chute de façon importante au-delà de 10° d’excentricité. La densité des bâtonnets est maximale à 20° d’excentricité et décroît vers la périphérie. Vue de la rétine à l’ophtalmoscope (von Helmholtz)

15. The locus of fixation and the foveal cone mosaic N.M. Putnam et al Journal of Vision (2005) 5, 632–639 Dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA) Area of highest cone density is not always used for fixation. Shown are retinal montages of the foveal cone mosaic for three subjects. The black square represents the foveal center of each subject (see the Methods section for how this was derived). The dashed black line is the isodensity contour line representing a 5% increase in cone spacing, and the solid black line is the isodensity contour line representing a 15% increase in cone spacing. Red dots are individual fixation locations. Scale bar is 50 micrometers.

16. Principes d’organisation des systèmes sensoriels a) Surfaces de récepteurs spécialisés. b) Spécialisation fovéale et périphérique. c) Les Champs Récepteurs : les neurones détecteurs de contraste. d) Organisation topographique et modularité du cortex. e) Traitement parallèle de l’information (systèmes Quoi et Où) f) Senseurs actifs et intégration sensori-motrice. g) Intégration multimodale dans des aires polysensorielles h) Plasticité développementale et plasticité adulte

17. Enregistrement électrophysiologique de l’activité électrique d’un neurone dans le cortex visuel primaire et analyse de sa réponse à des stimuli de complexité croissante. Stimulus lumineux Activité nerveuse

18. La rétine est un convertisseur A/D pour le contraste, la détection temporelle et la détection spatiale.

19. Les cellules répondent quand un point lumineux est placé dans une partie spécifique de la rétine. Cette région de la rétine (ou de l’espace visuel) où la stimulation lumineuse cause l’excitation ou l’inhibition de la décharge neuronale est le CHAMP RECEPTEUR (CR) de la cellule (Hartline, 1938; Kuffler, 1952).

20. Les cellules répondent quand un point lumineux est placé dans une partie spécifique de la rétine. Cette région de la rétine (ou de l’espace visuel) où la stimulation lumineuse cause l’excitation ou l’inhibition de la décharge neuronale est le CHAMP RECEPTEUR (CR) de la cellule (Hartline, 1938; Kuffler, 1952). X cell Y cell OFF ON OFF ON CRs concentriques des cellules ganglionnaires de la rétine. centre pourtour La plupart des CRs dans les premiers étages de la voie visuelle montre un antagonisme centre / pourtour, optimal pour la capture des contrastes. V1

21. ON OFF Concentric receptive fields of ganglion cells in cat retina. In this example, center and surround signals are synergistic and add either linearly or non-linearly depending on the ganglion celll type. Center and surround signals antagonize each other when stimulated at isoluminance. Center response ON Surround response ON • The spatio-temporal characteristics of cat retinal ganglion cells showing linear summation have been studied by measuring both magnitude and phase of the responses of these cells to drifting or sinusoidally contrast-modulated sinusoidal grating patterns.

22. Rodieck's (1965) difference-of-Gaussians model of the receptive field satisfactorily accounted for the response of X (linear) ganglion cells. In Rodieck's model, both the center and surround mechanisms of the receptive field are assumed to have Gaussian spatial distributions of sensitivity to light, with the surround having a greater spatial spread: the output of the cell is modeled as the scalar difference of signals from the center and surround mechanisms. DOG model

24. Les Champs récepteurs aux différents étages de la voie visuelle ont des propriétés différentes. CR concentrique des cellules ganglionnaires de la rétine. centre pourtour deAngelis, ,Ozawa, Freeman, TINS, 1995 Dans le CGL, l’antagonisme centre / pourtour est plus résistant aux changements du niveau d’éclairage. V1

25. A. M. Sillito and H. E. Jones Corticogeniculate feedback, 2002 Figure 1. Schematic diagram summarizing the main components of the geniculo-corticogeniculate circuitry. The retinotopic extent of the axonal arborizations of X and Y retinal ganglion cells (at 5° eccentricity) within the LGN are denoted by the red and yellow ovals, respectively. The extent of the feedback arborization from layer 6 is summarized by the two green ovals. The central oval depicts the dense central core of the projection while the larger oval depicts the overall distribution of the terminal arbor. The inset to the bottom right summarizes the relative proportions (in per cent) of synaptic contacts on LGN relay cells from retinal ganglion cells, layer 6 cells and inhibitory interneurons. The upper inset summarizes the relative proportions of excitatory contacts on layer 4 spiny stellate cells.

26. Two firing modes of relay cells in the Lateral geniculate nucleus spontaneous -55 mV IT inactivated Visual response -79 mV IT deinactivated

27. Contrôle corticofuge de l'acitivté thalamique Mimicking top down synaptic bombardment by injection of fluctuating conductance Layer 4 CORTEX Layer 5-6 Isyn(t) = Ge(t) (V(t) - EAMPA) + Gi(t) (V(t) - EGABA) + + + NEURON-based model of background noise Destexhe, Rudolph, et al., 2001 Neuroscience107:13-24 THALAMUS nRt TC Thalamocortical relay cells interneurons _ + Simulation of retinal activity

28. Mimicking a retinal input of randomly changing conductance Artificial retinal input Wolfart et al., Nat. Neurosci (2005) Quiescent Static high-conductance Input-output function Biological TC Synaptic currents Gi Ge Afin de mesurer de manière statistique la fonction de transfert du neurone thalamique, on mesure dans différentes conditions la probabilité d’activation de P.A. par des entrées synaptiques dont la conductance varie aléatoirement. Cette conductance variable de type AMPAest en abscisse sur le graphique. La pente de la courbe représente le gain de la fonction entrée-sortie, cette pente est forte dans l’état quiescent, c’est à dire en absence de bruit de fond. En d’autre termes, il faut que la force de l’entrée synaptique dépasse un certain seuil pour pouvoir déclencher un P.A., la réponse est tout ou rien. Dans cette situation la probabilité de décharge ne permet pas de déterminer avec précision le poids du signal d’entrée. L’étape suivante consiste à mesurer le gain dans des conditions de bombardement syanptique de fond

29. Mimicking corticothalamic synaptic bombardment Cortical inputs Wolfart et al., Nat. Neurosci (2005) Retinal input Quiescent Static high-conductance Fluctuating Biological TC Synaptic currents Gi Ge Isyn(t) = Ge(t) (V(t) - EAMPA) + Gi(t) (V(t) - EGABA) Pour mesurer le gain dans des conditions de bombardement syanptique de fond on injecte des conductances inhibitrices et excitatrices afin d’imiter l’activité de fond imposée par le cortex. On continue de superposer a ce bombardement les entrées discrètes qui permettent d’évaluer la fonction de transfert.

30. Synaptic background controls thalamic gain Wolfart et al., Nat. Neurosci (2005) Control quiescent La courbe contrôle noire de pente raide reprénsente le gain tout ou rien de l’état quiescent. En présence de bruit de fond la pente de la courbe diminue et cette diminution est proportionnelle à l’amplitude des fluctuations. Le neurone est à présent capable de détecter des entrées très faibles, chose qu’il était incapable de faire dans l’état quiescent.

31. Contrôle corticofuge de MT de l'acitivté thalamique Le cortex visuel MT : CR et architecture L’Akinetopsie est un déficit de la perception des mouvements dû à une lésion spécifique de l’aire MT du lobe pariétal. Case LM - akinetopsia 43 yr old. Sinus vein thrombosis V5 (MT) damaged bilaterally - V1 spared Akinetopsie= impossibilité à percevoir le mouvement des objets dans la partie du champ visuel affectée ou à percevoir des objets en mouvement. Les patients disent voir les objets apparaître et disparaître sans mouvement d’un endroit à l’autre.

32. Contrôle corticofuge de MT de l'acitivté thalamique Effect of MT feedback on LGN-cell responses to drifting stimuli. A. M. Sillito and H. E. Jones Corticogeniculate feedback, 2002 LGN Cells before During GABAb antagonist after Simultaneous recordings from one or more LGN cells and an MT cell. The responses to visual stimuli were assessed before during and after focal iontophoretic application of the GABAB antagonist CGP in MT. The contour maps show the response of an MT cell before (top), during (middle) and after (bottom) CGP iontophoresis. (b) Effects in the LGN. The contour maps plot the responses of four LGN cells tested in the presence of the type of change in MT shown in (a). Spikes/s

33. Neuromodulation de l'activité thalamique Le locus coeruleus (LC) est situé dans la partie dorsale du pont • les neurones du LC projettent leurs axones vers le néocortex, le thalamus, le cervelet, le pont et le bulbe rachidien • les neurotransmetteurs du LC sont surtout noradrénergiques • activité des neurones noradrénergiques du LC • maximale à l’éveil actif • réduit en éveil calme • encore plus réduit en sommeil à ondes lentes • aboli en sommeil REM Le locus coeruleus sommeil REM sommeil lent éveil calme éveil actif

34. DIFFERENTIAL CORTICAL ACETYLCHOLINE RELEASE IN RATS PERFORMING A SUSTAINED ATTENTION TASK VERSUS BEHAVIORAL CONTROL TASKS THAT DO NOT EXPLICITLY TAX ATTENTION Arnold et al., Neuroscience Vol. 114:451-460, 2002 Le noyau basal magnocellulaire se projette massivement sur le cortex cérébral et y libère de l’acétylcholine. Etude par microdyalise et HPLC-ED Ach efflux Behavioural task

35. Etats d’activation des systèmes neuromodulateurs sommeil REM sommeil lent éveil cholinergique (formation réticulée et noyau basal) sérotoninergique (raphé) noradrénergique (locus coeruleus)

36. Neuromodulation Sommeil Etats activés - éveil Thalamus IN VIVO Contreras et al., 1995 J. Neurosci 15:604 Intra. EEG Thalamus IN VITRO Intra. iT iT Dia fournie par Thierry Bal

37. Voie géniculo-corticale

38. Les CRs à différents niveaux de la voie visuelle ont des propriétés variées. Dans le cortex, l’organisation centre/pourtour est perdue. La connectivité géniculo-corticale et cortico-corticale est responsable de la rupture de symétrie et de l’émergence d’un axe critique d’orientation. V1 deAngelis, ,Ozawa, Freeman, TINS, 1995

39. 90 10 5 180 0 270 Propriétés fonctionnelles dans le cortex visuel primaire La plupart des cellules corticales sont sélectives à l’orientation du stimulus. Orientation tuning curve Hubel & Wiesel (1959)

40. Le cortex visuel primaire : Organisation hiérarchique des Champs Récepteurs CR SIMPLE

41. Le cortex visuel primaire : Modèle hiérarchique de Huebel et Wiesel Modèle de champ récepteur (CR) simple cortical par convergence des cellules thalamiques dont les champs récepteurs sont alignés selon un axe principal. Validation expérimentale du modèle hiérarchique de Hubel et Wiesel Seules les cellules géniculées et corticales connectées monosynpatiquement ont des CRs en correspondance spatiale (a). Les autres non connectées synaptiquement ont leur CRs distribués de façon aléatoire (b). Crosscorrélogramme entre l'activité d'une cellule géniculée et d'une cellule corticale mettant en évidence une connexion monosynaptique CRs de deux cellules enregistrées simultanément. Thalamus Cortex

42. Le cortex visuel primaire : Modèle hiérarchique de Huebel et Wiesel Convergence de plusieurs cellules simples ayant la même orientation préférée sur une cellule à champ récepteur complexe

43. 50 -90 0 90 50 -90 0 90 50 inner at 90° -90 0 90 Angle with optimum The dynamic receptive field: Center surround interactions SILLITO et al (1995) response response response See also PETTET et al (1992) BLAKEMORE & TOBIN (1972)

44. Principes d’organisation des systèmes sensoriels a) Surfaces de récepteurs spécialisés. b) Spécialisation fovéale et périphérique. c) Les Champs Récepteurs : les neurones détecteurs de contraste. d) Organisation topographique et modularité du cortex. e) Traitement parallèle de l’information (systèmes Quoi et Où) f) Senseurs actifs et intégration sensori-motrice. g) Intégration multimodale dans des aires polysensorielles h) Plasticité développementale et plasticité adulte

45. Organisation topographique et modularité du cortex. Somatotopie Tonotopie sensoriel moteur Rétinotopie

46. RETINOTOPIC MAP IN THE MOUSE VISUAL CORTEX Averaged color-coded retinotopic map of area 17 : the color of each pixel corresponds to the stimulus position, which elicited the strongest signal at this pixel. (D) Animation showing the progression of the activated region within area 17 while the stimulus position in the visual field (top) is changed systematically. Schuett S, Bonhoeffer T, Huebener M (2002). Mapping Retinotopic Structure in Mouse Visual Cortex with Optical Imaging. Submitted. Scale bars: 1 mm.

47. Analyse de l’organisation rétinotopique du cortex visuel primaire chez le macaque par imagerie optique. Cette animation montre des vagues d’activation corticale induite par un stimulus annulaire en expansion. de http://cogsci.ucsd.edu/~sereno/phasemovie2.mpg

48. Homunculus (“petit homme”) sensoriel et moteur Ces cartes décrites par Wilder Penfield montrent que chaque partie du corps est représentée sur deux bandes du cortex cérébral, le cortex somatosensoriel (gauche) qui reçoit les sensations du touché, et le cortex moteur (droite), qui contrôle les mouvements. Les doigts et la bouche occupent la plupart des deux cartes. Ces cartes sont appelées « homunculus sensoriel» et «homunculus moteur. »

49. Principes d’organisation des systèmes sensoriels a) Surfaces de récepteurs spécialisés. b) Spécialisation fovéale et périphérique. c) Les Champs Récepteurs : les neurones détecteurs de contraste. d) Organisation topographique et modularité du cortex. e) Traitement parallèle de l’information (systèmes Quoi et Où) f) Senseurs actifs et intégration sensori-motrice. g) Intégration multimodale dans des aires polysensorielles h) Plasticité développementale et plasticité adulte

50. Ségrégation des afférents géniculés dans la couche IV c du cortex visuel primaire du singe. Autoradiographie du cortex après injection de proline tritiée dans un oeil. LeVay et al, 1980