Impact of the pulvinar on the ventral pathway of the cat visual cortex

Abstract

Signals from the retina are relayed to the lateral geniculate nucleus from which they are sent to the primary visual cortex. At the cortical level, the information is transferred across several visual areas in which the complexity of the processing increases progressively. Anatomical and functional evidence demonstrate the existence of two main pathways in visual cortex processing distinct features of the visual information: the dorsal and ventral streams. Cortical areas composing the dorsal stream are implicated mostly in motion processing while those comprising the ventral stream are involved in the processing of form and colour. This classic view of the cortical functional organization is challenged by the existence of reciprocal connections of visual cortical areas with the thalamic nucleus named pulvinar. These connections allow the creation of a trans-thalamic pathway that parallels the cortico-cortical communications across the visual hierarchy. The main goal of the present thesis is twofold: first, to obtain a better comprehension of the processing of light increments and decrements in an area of the cat ventral stream (area 21a); second, to characterize the nature of the thalamo-cortical inputs from the cat lateral posterior nucleus (LP) to area 21a. In study #1, we investigated the spatiotemporal response profile of neurons from area 21a to light increments (brights) and decrements (darks) using a reverse correlation analysis of a sparse noise stimulus. Our findings showed that 21a neurons exhibited stronger responses to darks with receptive fields exhibiting larger dark subfields. However, no differences were found between the temporal dynamics of brights and darks. In comparison with the primary visual cortex, the dark preference in area 21a was found to be strongly enhanced, supporting the notion that the asymmetries between brights and darks are transmitted and amplified along the ventral stream. In study #2, we investigated the impact of the reversible pharmacological inactivation of the LP nucleus on the contrast response function (CRF) of neurons from area 21a and the primary visual cortex (area 17). The thalamic inactivation yielded distinct effects on both cortical areas. While in area 17 the LP inactivation caused a slight decrease in the response gain, in area 21a a strong increase was observed. Thus, our findings suggest that the LP exerts a modulatory influence on the cortical processing along the ventral stream with stronger impact on higher order extrastriate areas. Taken together, our findings allowed a better comprehension of the functional properties of the cat ventral stream and contributed to the current knowledge on the role of the pulvinar on the cortico-thalamo-cortical processing of visual information.

Les signaux provenant de la rétine sont relayés dans le corps géniculé latéral où ils sont envoyés au cortex visuel primaire. L’information passe ensuite à travers plusieurs aires visuelles où la complexité du traitement augmente progressivement. Des données tant anatomiques que fonctionnelles ont démontré l’existence de deux voies principales qui traitent différentes propriétés de l’information visuelle : les voies dorsale et ventrale. Les aires corticales composant la voie dorsale sont impliquées principalement dans le traitement du mouvement tandis que les aires de la voie ventrale sont impliquées dans le traitement de la forme et de la couleur. Cette vision classique de l’organisation fonctionnelle du cortex est toutefois remise en question par l’existence de connections réciproques entre les aires corticales visuelles et le pulvinar, un noyau thalamique. En effet, ces connections permettent la création d’une voie trans-thalamique parallèle aux connections cortico-corticales à travers la hiérarchie visuelle. Le but principal de la présente thèse consiste en deux volets : le premier est d’obtenir une meilleure compréhension du traitement des incréments et décréments de la lumière dans une aire de la voie ventrale du chat (aire 21a); le second est de caractériser la nature des inputs thalamo-corticaux du noyau latéral postérieur (LP) à l’aire 21a chez le chat. Dans l’étude #1, nous avons investigué le profil spatiotemporel des réponses des neurones de l’aire 21a aux incréments (blancs) et décréments (noirs) de lumière en utilisant l’analyse de corrélation inverse d’un stimulus de bruit épars. Les neurones de l’aire 21a ont répondu plus fortement aux stimuli noirs, en montrant des champs récepteurs avec des sous-champs noirs plus larges. Cependant, aucune différence n’a été trouvée en ce qui concerne les dynamiques temporelles des réponses aux blancs et aux noirs. En comparaison avec le cortex visuel primaire, la préférence aux stimuli noirs dans l’aire 21a s’est avérée fortement augmentée. Ces données indiquent que les asymétries entre les réponses aux blancs et aux noirs sont transmises et amplifiées à travers la voie ventrale. Dans l’étude #2, nous avons investigué l’impact de l’inactivation pharmacologique réversible du noyau LP sur la fonction de réponse au contraste (CRF) des neurones de l’aire 21a et du cortex visuel primaire (aire 17). L’inactivation a eu différents effets dans les deux aires corticales. Alors que, dans l’aire 17, l’inactivation du LP a causé une légère réduction du gain de la réponse, une forte augmentation a été observée dans l’aire 21a. Ainsi, nos résultats suggèrent que le LP exerce une influence modulatrice dans le traitement cortical à travers la voie ventrale avec un impact plus important dans des aires extrastriées de plus haut niveau. Nos résultats ont permis d’avoir une meilleure compréhension des propriétés fonctionnelles de la voie ventrale du chat et de contribuer à enrichir les connaissances actuelles sur le rôle du pulvinar dans le traitement cortico-thalamo-cortical de l’information visuelle.