A Two-Photon Imaging Tale: Integration and - ETH E

A TWO-PHOTON IMAGING TALE:
INTEGRATION AND SPECIALIZATION
IN MOUSE VISUAL CORTEX
DISS. ETH NO. 20725
A dissertation submitted to ETH ZURICH
for the degree of Doctor of Sciences
presented by Morgane Marguerite France ROTH
Master in Neurosciences, Université Louis Pasteur
Born May the 26th, 1985
Citizen of France
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Kevan A C Martin
Dr. Björn M Kampa
Prof. Dr. Fritjof Helmchen
PD Dr. Daniel C Kiper
2013
AB STR A CT
Vision is a preponderant sense. It has stimulated various domains such as
literature, philosophy, art, media and even research to a great extent. The
repercussion is that this system is the most studied in neuroscience. The
amount of knowledge collected through centuries of visual research is the
basis of numerous theories on cortical processing. Besides the classical
models for studying vision such as cats for their impressive eyes and visual
acuity and monkeys for their phylogenetic similarity to humans, mice are
now a widely used and accepted model.
Hierarchical theories assume that visual information is arriving in mouse
primary visual cortex (V1) and is re-distributed to number of higher visual
areas for specific processing. This traditional view implies a limited amount
of computation happening in V1. However, recent evidence suggests that
V1 computation is more complex than originally thought. Furthermore, the
characterization of higher areas in mouse visual cortex is still at its infancy.
Therefore, it is difficult to obtain a solid picture of visual information
processing as well as the function of each visual area.
The aim of this thesis is to understand the role and the computational
capacities of the primary visual cortex of the mouse, first by comparing it
to a higher visual area and second by investigating the functional
properties and the connectivity of its local network.
Recent technical advances in microscopy have brought new possibilities to
investigate network properties. Effectively, two-photon calcium imaging
permits the simultaneous recording of hundreds of neurons. It offers the
possibility to characterize the properties of an entire local population and
specifically its spatial organization.
Chapter 3 focuses on the tuning properties of V1 and the posteromedial
area (PM) of mice. Using two-photon imaging, we found that V1 and PM
have distinct preferences in terms of spatial, temporal and speed tuning
indicating specialization in mouse visual cortex. Furthermore, we showed
that PM possesses the ideal properties to provide useful information for
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spatial navigation. Additionally, speed tuned neurons were found in V1
pointing towards complex computation in this area.
In Chapter 4 and 5 we further tested the integration implemented in V1
neurons by using complex stimuli like plaid patterns and natural movies.
We found that at the level of single neurons, V1 integrates combined
stimuli (Chapter 4). Using 3D imaging, we found stimulus-specific response
patterns in neuronal subsets (Chapter 5). These sub-networks were also
spatially clustered.
In Chapter 6, we further analyzed the spatial organization of neurons
sharing the same orientation tuning. We found that around 10 neurons
sharing the same orientation preference were gathered within 15 to 45
m. This indicated the presence of a fine scale organization in mouse visual
cortex.
All these results suggested high specificity in mouse V1. In Chapter 7, we
asked if the connectivity of excitatory neurons can as well present specific
features. Using a combination of functional, light and electron microscopy
as well as targeted electroporation, we achieved to reconstruct the
proximal axon collaterals of excitatory cells described functionally and
established the identity of the post-synaptic partners. We found a great
specificity in the connections to surrounding interneurons clearly
extending the expected random connectivity from available neighboring
partners as well as queasily random connectivity.
The general organization of sensory cortices across species and modalities
is fairly similar. Consequently, these results on rodent visual cortex
additionally provide tools to understand the computation happening in
sensory cortices in general as well as apprehending the spatial organization
and connectivity of neurons in mouse cortex. Furthermore, the findings
presented in this thesis and in the appended publications provide a
blueprint of neuronal function and organization in mouse neocortex that
can be used for comparisons with mouse models of human pathologies.
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RÉ S UM É
La vision est un sens prépondérant. Elle a stimulé des domaines variés
comme la littérature, la philosophie, l’art et même la recherche
scientifique. Une conséquence de cette influence est que la vision est le
système le plus étudié en Neurosciences.
La quantité de connaissances collectée à travers des siècles de recherche
sur la vision est la base de nombreuses théories sur le fonctionnement
cortical. Au-delà des modèles classiques pour étudier la vision comme le
chat pour ces yeux impressionnants et son acuité visuelle ou le singe pour
sa similarité phylogénétique avec l’être humain, la souris est maintenant
un modèle largement utilisé et accepté.
Les théories hiérarchiques affirment que l’information visuelle arrive dans
le cortex visuel primaire (V1) de la souris et est redistribuée à de
nombreuses aires visuelles supérieures pour un traitement plus spécifique
de cette information. Cette vue traditionnelle implique qu’une quantité
limitée de computation se passe dans V1. Cependant, de nouvelles preuves
suggèrent que la computation dans V1 est plus complexe
qu’originellement pensée. De plus, la caractérisation des aires supérieures
dans le système visuel de la souris n’est encore qu’à son début. C’est
pourquoi, il est compliqué d’obtenir une conviction solide sur le traitement
de l’information visuelle ainsi que sur la fonction de chaque aire impliquée
dans ce traitement.
Le but de cette thèse est de comprendre le rôle et les capacités
computationnelles du cortex primaire de la souris, d’abord en le
comparant à une aire supérieure puis en examinant les propriétés
fonctionnelles et la connectivité de son réseau local.
De récentes avancées techniques en microscopie ont apporté de nouvelles
possibilités pour étudier les propriétés du réseau. Effectivement, l’imagerie
calcique à deux-photon permet d’enregistrer simultanément des centaines
de neurones. Cette technique offre la possibilité de caractériser les
propriétés d’une population locale mais entière et spécifiquement
l’organisation spatiale de cette population.
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Le Chapitre 3 se concentre sur le type de propriétés observées dans V1 et
dans l’aire visuelle posteromédiale (PM) de la souris. En utilisant l’imagerie
à deux-photon, nous avons trouvé que V1 et PM ont des préférences
distinctes en termes de sélection spatiale, temporelle et de vitesse
indiquant une spécialisation dans le cortex de la souris. De plus, nous
avons montré que PM possède les propriétés idéales pour fournir des
informations utiles à la navigation spatiale. Qui plus est, des neurones
codant pour la vitesse ont été observés dans V1 pointant dans la direction
d’une computation complexe dans cette aire.
Dans les Chapitres 4 et 5, nous avons testé plus loin l’intégration
implémentée dans les neurones de V1 en utilisant des stimulations
visuelles complexes comme le motif en plaid et des films naturalistes.
Nous avons trouvé qu’au niveau même du neurone, V1 intègre des
stimulations combinées (Chapitre 4). En utilisant l’imagerie en 3
dimensions, nous avons observé des patterns de réponses pour des
stimulations spécifiques encodées dans un sous ensemble de neurones
(Chapitre 5). Ces sous-ensembles neuronaux sont également rassemblés
spatialement.
Dans le Chapitre 6, nous avons analysé plus profondément l’organisation
spatiale de ces neurones partageant la même préférence en orientation.
Nous avons trouvé qu’approximativement 10 neurones partageant la
même préférence en orientation étaient groupés dans un rayon de 15 à 45
m. Cela indique la présence d’une organisation à petite échelle dans le
cortex visuel de la souris.
Tous ces résultats suggèrent une grande spécificité dans l’aire V1 de la
souris. Dans le Chapitre 7, nous nous sommes demandé si la connectivité
des neurones excitateurs peut présenter un caractère spécifique. En
utilisant une combinaison de microscopie fonctionnelle, optique et
électronique ainsi que l’électroporation à action ciblée, nous sommes
arrivés à reconstruire les collatérales proximales de l’axone de cellules
excitatrices préalablement caractérisées fonctionnellement et à établir
l’identité de leurs partenaires post-synaptique. Nous avons mis en
évidence une grande spécificité dans les connections dirigées sur les
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interneurones environnants, allant bien au-delà de ce qui serait attendu
dans le cas d’une connectivité aléatoire.
L’organisation globale des cortex sensoriels est très similaire entre
différentes espèces et modalités. Par conséquent, ces résultats sur le
système visuel du rongeur apportent en plus des outils pour comprendre la
computation qui a lieu dans les cortex sensoriels en général ainsi que pour
appréhender l’organisation spatiale et la connectivité des neurones dans le
cortex de la souris. De plus, les découvertes présentées dans cette thèse et
dans les publications annexes apportent un schéma des fonctions
neuronales et de leur organisation dans le néocortex de la souris qui
pourra être comparé à des modèles murins de pathologies humaines.
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