Informatie

Cortico-corticale verbindingen


Ik vraag me af wat de belangrijkste manieren van (directe) cortico-corticale verbindingen zijn.

Ik kwam op de volgende mogelijkheden:

  1. verticaal: een corticaal neuron maakt verbinding met een ander in ongeveer dezelfde corticale kolom, maar in een andere laag

  2. horizontaal: een corticaal neuron maakt verbinding met een ander nabijgelegen, bij voorkeur in dezelfde of aangrenzende laag

  3. "intragyrisch": een corticaal neuron maakt verbinding met een ander in dezelfde gyrus (zie hier)

  4. interhemisferisch: een corticaal neuron maakt verbinding met een ander in hetzelfde (of aangrenzende) gebied van de tegenovergestelde hemisfeer

Zijn deze allemaal relevant? En/of zijn er relevante maar totaal verschillende manieren van cortico-corticale verbindingen, b.v. "intergyrisch"?


Aanvulling: Misschien te laat vond ik een beknopte samenvatting in de Wikipedia-artikelen over witte materie en associatie vezels (van de laatste term was ik me niet bewust toen ik mijn vraag stelde), die niet in tegenspraak is met en een aanvulling vormt op het antwoord van Bryan:

  • intracorticale (Bryan: "intracolumnair" vs. "horizontaal")

  • korte associatie vezels ("ook wel boogvormige of U-vezels genoemd [... ] verbinden aangrenzende gyri met elkaar")

  • lange associatie vezels die "verbind de verder gescheiden gyri en zijn gegroepeerd in bundels" (vaak fasciculi genoemd, maar waarschijnlijk niet uitsluitend)

  • commissurale vezels (Bryan: "callosale projecties")

Er lijkt absoluut geen gereserveerde naam te zijn voor zoiets als "intragyrische" vezels (zie tweede addendum hier).


Uw vraag "zijn deze allemaal relevant" heeft voor mij niet zoveel zin, maar ik ga ervan uit dat u het in termen van terminologie hebt en op die manier antwoordt.

De "verticale" verbindingen die u beschrijft, worden gewoonlijk aangeduid in de context van corticale "kolommen" en worden daarom "intrakolommen" genoemd. Binnen een kolom domineren intralaminaire verbindingen verreweg het totale aantal synapsen, maar verbindingen tussen lagen zijn ook belangrijk (merk op dat mijn antwoord Corticale projecties van lagen 2/3 terug naar 4? specifieker).

Horizontale verbindingen verwijzen naar verbindingen tussen corticale kolommen van hetzelfde corticale gebied (bijvoorbeeld van V1 naar V1 met een verschillende oriëntatieselectiviteit). Deze zijn vaak sterker tussen dezelfde lagen, maar simpelweg zeggen "horizontaal" betekent niet dat je intralaminaire horizontale verbindingen bedoelt.

"Intragyrisch" is geen woord dat wordt gebruikt - ik denk dat je het verzonnen hebt. Gyri zijn niet echt gespecialiseerde functionele eenheden, en hoewel er enkele hersengebieden kunnen zijn die binnen een gyrus zijn gelokaliseerd, beslaan velen meerdere gyri of delen een gyrus met andere gebieden (bijvoorbeeld, "Heschl's gyrus" is niet eens slechts één gyrus ). Daarom kun je "gyrische" verbindingen niet echt generaliseren als zijnde in een bepaalde klasse, je zou moeten verwijzen naar de specifieke gebieden die verbonden zijn om de aard van die projecties te begrijpen.

Interhemisferische verbindingen zijn vrij alomtegenwoordig in de neocortex, en ze vormen verschillende banen van witte stof die de hemisferen verbinden, met name het corpus callosum. Als zodanig worden die verbindingen ook vaak "callosale" projecties genoemd.

Andere terminologieën die worden gebruikt, zijn "top-down" versus "bottom-up", afhankelijk van de positie van gebieden in de corticale hiërarchie. "Lagere" gebieden worden beschouwd als gebieden met primaire sensorische en motorische functies, terwijl hogere gebieden associatieve/uitvoerende gebieden zijn. De canonieke referentie voor deze projecties is Felleman, D.J., & Van Essen, D.C. (1991). Gedistribueerde hiërarchische verwerking in de hersenschors van primaten. Cerebrale cortex (New York, NY: 1991), 1(1), 1-47. Het belangrijkste kenmerk van top-down versus bottom-up projecties is een verschil in het interlaminaire patroon van connectiviteit tussen verschillende corticale gebieden. Het kan moeilijk zijn om de precieze hiërarchische structuur van sommige van de hogere-orde corticale gebieden echt te ontleden, en de patronen van top-down en bottom-up zijn echter behoorlijk gemengd voor gebieden op vergelijkbare niveaus van de hiërarchie.


Geconserveerde patronen van cortico-corticale verbindingen definiëren de gebiedshiërarchie in de visuele cortex van de rat

De prevalentie van wederzijdse verbindingen in de hersenschors geeft aan dat ze een fundamentele rol spelen bij de verwerking van sensorische informatie. We hebben de laminaire beëindigingspatronen van dergelijke gepaarde verbindingen tussen verschillende visuele corticale gebieden van de rat onderzocht en hebben twee basisprojectietypen gevonden: een die laag 4 bevat en een tweede die laag 1 bevat en laag 4 vermijdt. De projecties van de primaire visuele cortex (gebied 17) om visuele corticale doelen in de cytoarchitectonische gebieden 18a en 18b te extrastrieren, en van 18a naar een plaats in 18b, zijn van het eerste type. De terugloopprojecties van 18a en 18b naar gebied 17 en van 18b naar 18a daarentegen zijn van het tweede type. Elk paar verbindingen heeft dus één element van elk type, waardoor elk circuit een bijna identieke asymmetrische structuur heeft. Deze laminaire patronen lijken op die van voorwaartse en feedbackverbindingen in de cortex van de primaten, wat aangeeft dat cortico-corticale connectiviteitspatronen sterk geconserveerd zijn door evolutie, en dat, net als bij apen, deze verbindingen een hiërarchische organisatie van gebieden in de visuele cortex van de rat definiëren.


Abstract

De vergroting en soortspecifieke uitwerking van de cerebrale neocortex tijdens de evolutie bevat het geheim van de mentale vermogens van mensen, maar de genetische oorsprong en cellulaire mechanismen die de verschillende evolutionaire vooruitgang hebben gegenereerd, zijn niet goed begrepen. Dit artikel beschrijft hoe nieuwigheden die ons menselijk maken tijdens de evolutie kunnen zijn geïntroduceerd, op basis van bevindingen in de embryonale hersenschors bij verschillende zoogdiersoorten. De gegevens over de verschillen in genexpressie, nieuwe moleculaire routes en nieuwe cellulaire interacties die hebben geleid tot deze evolutionaire vooruitgang, kunnen ook inzicht geven in de pathogenese en therapieën voor mensspecifieke neuropsychiatrische aandoeningen.


RESULTATEN

De auditieve cortex van fretten omvat een groot deel van het EG en bevat zes fysiologisch gedefinieerde gebieden, naast een aantal andere cytoarchitectonisch of anatomisch geïdentificeerde gebieden. Omdat de fysiologisch geïdentificeerde gebieden verschillen in hun gevoeligheid voor ruimtelijke en niet-ruimtelijke kenmerken van een geluidsbron (Bizley en King, 2008 Bizley et al., 2009 Bizley et al., 2010 ), is een open vraag in hoeverre ze verschillende verwerkingsprocessen vertegenwoordigen. paden, en hoe deze gebieden zich verhouden tot corticale velden bij andere soorten. Om deze vragen te beantwoorden, werd een reeks retrograde en anterograde injecties (tabel 1) gedaan bij in totaal 13 fretten om de projecties binnen en tussen elk van de fysiologisch of anatomisch gedefinieerde gehoorgebieden te onderzoeken.

Tracer-injecties in de MEG

Bij drie dieren plaatsten we meerdere tracer-injecties in op frequentie afgestemde gebieden van de MEG. Hierdoor konden we de projectiepatronen van de A1 en AAF direct vergelijken en onderzoeken in hoeverre projecties van de MEG frequentiespecifiek van aard waren. Figuur 2 toont het patroon van labeling dat werd waargenomen nadat twee frequentie-gematchte (karakteristieke frequentie [CF] = 20 kHz) injecties werden geplaatst in de hoogfrequente A1 en AAF (Fig. 2A, B, H-J, tracers BDA en FR) . Het labelen van de twee injecties was overlappend en vormde een band van cellen en terminals die rostrocaudaal over de MEG liep door beide injectieplaatsen en daarom waarschijnlijk overeenkomt met een isofrequente lamina (Fig. 2G-K). Het is ook opmerkelijk dat schaarse, verspreide, gelabelde cellen zich in de MEG bevonden (bijv. Fig. 2E, J). De ventrale grens van de MEG (gemarkeerd door de pijlpunten) werd bepaald met behulp van SMI32 immunoreactiviteit en teruggevulde cellen waren aanwezig op locaties zo ver ventraal als die grens. Retrograde gelabelde cellen werden gevonden door de hele corticale diepte. Teruggevulde cellen en schaarse terminalvelden waren ook duidelijk in de ALLS (Fig. 2H-J).

Verdeling van anterograde en retrograde labeling in de ipsilaterale auditieve cortex na frequentie-gematchte (CF = 20 kHz) injecties van BDA en FR in hoogfrequente MEG. A,B: Foto's (A) en schema's (B) met de locatie van de injectieplaatsen (rood gemarkeerd in B) en topologie van het resulterende label over de coronale secties (locaties aangegeven door pijlen in B getekend in C-K). C–K: Secties zijn gerangschikt van de meest rostrale (C) tot de meest caudale (K), met de anterograde (BDA, donkerblauwe lijnen FR, donkergroene lijnen) en retrograde labeling (BDA, lichtblauwe cirkels FR, lichtgroene cirkels) aangegeven. De gestippelde, gestippelde en onderbroken lijnen in deze en volgende figuren vertegenwoordigen respectievelijk de grenzen tussen de lagen I/II, de locatie van laag IV en de witte stof. Sulci en gyri zijn gelabeld in afwisselende secties. De pijlen geven de ventrale limieten aan van de MEG bepaald met SMI32 immunohistochemie. L: Kwantitatieve samenvatting van de retrograde en anterograde labeling die het gevolg is van deze injecties. Voor afkortingen, zie lijst. Schaalbalk = 1 mm links (geldt voor A–K).

De topografie van deze verbindingen wordt duidelijker aangetoond in het geval geïllustreerd in figuren 3 en 4, waar de cortex is afgeplat en in het tangentiële vlak is gesneden. Hier werden drie frequentie-gematchte injecties (CF = 7 kHz) op verschillende rostrocaudale posities binnen de MEG geplaatst. Figuur 3B–M illustreert het patroon van etikettering dat het gevolg was van elk van de injecties, met de secties die zijn gerangschikt van de meest oppervlakkige tot de diepste, en de etikettering die bij elke tracer hoort, weergegeven in een afzonderlijke kolom. De linkerkolom toont de anterograde en retrograde labeling (respectievelijk donker en lichtgroen) van een FR-injectie in de A1, de centrale kolom is de retrograde labeling (rood) die het resultaat is van een injectie van CTB in het midden van het frequentie-gematchte gebied en de rechterkolom toont de anterograde en retrograde labeling (donker/lichtblauw) na een injectie van BDA in de AAF. In figuur 4A–C is de etikettering van alle drie de tracers over elkaar heen gelegd. Dit benadrukt een band van in elkaar grijpend label, overeenkomend met een vermeende isofrequente lamina, die over de drie injectieplaatsen loopt. Verspreide labeling wordt gevonden in de MEG weg van deze band en in de ALLS (Fig. 3F-H, K, M).

Afgeplatte tangentiële secties die de verdeling illustreren van ipsilaterale labeling in de auditieve cortex na drie frequentie-gematchte injecties in de MEG. EEN: Foto's met de locatie van de drie injecties en samenvattend diagram (inzet). BDA werd geïnjecteerd op de meest anterieure locatie (blauwe cirkel), FR op de meest caudale locatie (groene cirkel) en CTB (rode cirkel) in het midden van de MEG. Alle drie de injectieplaatsen hadden een CF van 7 kHz. B–M: Elke rij toont secties van een andere diepte, ten opzichte van het afgeplatte corticale oppervlak, waarbij de meest oppervlakkige secties het eerst worden getoond (B,C,D) en daaropvolgende rijen die steeds diepere secties tonen (exacte afstanden vanaf het pialoppervlak worden weergegeven in µm naast elke sectie). Injectieplaatsen zijn aangegeven met zwarte cirkels. Elke kolom plot de patronen van het label voor een andere tracer. B, E, H en K vertonen allemaal anterograde (grijze lijnen) en retrograde (groene cirkels) labeling na de injectie van FR in A1. De centrale kolom (C,F,I,L) toont retrograde labeling (teruggevulde cellen worden aangegeven door de rode cirkels) na de injectie van CTB. Secties in de rechterkolom (D,G,J,M) tonen anterograde (donkerblauwe lijnen) en retrograde (lichtblauwe cirkels) labeling na de injectie van BDA in AAF. Voor afkortingen, zie lijst. Schaalbalk = 1 mm in A 2 mm in K (geldt voor B–M).

Samenvatting van ipsilaterale etikettering voor geval F0268. AC: Etikettering van alle drie de tracers die worden gebruikt in figuur 3 (F0268, frequentie-gematchte injecties in MEG) overlays op secties op drie verschillende diepten (A, meest oppervlakkige C, diepste). NS: Samenvatting van het patroon van anterograde en retrograde labeling voor dit geval. Voor afkortingen, zie lijst. Schaalbalk = 2 mm in A (geldt voor A–C).

Tracerafzettingen binnen de MEG produceerden altijd een label op de PEG in overeenstemming met een sterke projectie van primaire naar posterieure velden. Op de PEG werd duidelijk gedefinieerde anterograde labeling waargenomen na injecties van BDA en FR (CTB wordt alleen retrograde getransporteerd), waarbij beide injecties duidelijk overlappende terminale velden produceerden (Fig. 4A-C). In overeenstemming met de fysiologische beschrijvingen van de organisatie van de PPF en PSF, werden twee afzonderlijke plekken met overlappende terminals rostrocaudaal gescheiden door een terminalvrije zone. Deze gescheiden terminale velden kunnen ook worden waargenomen in de coronale secties in figuur 2 (het duidelijkst in het samengestelde schema getoond in figuur 2B). Omdat we geen verschillende fluorescerende markers hebben gebruikt om de drie tracers in dezelfde sectie te labelen, waren we niet in staat om dubbel- of drievoudig gelabelde terminale velden te visualiseren. Bijgevolg moet nog worden opgehelderd of deze in grote lijnen overlappende en vaak vermengde (zie figuur 11I voor een voorbeeld) uiteinden convergerende projecties vertegenwoordigen of in hetzelfde gebied verweven zijn. Er werd weinig of geen labeling gevonden aan het meest ventrale uiterste van de PEG, overeenkomend met veld VP. Vergelijking van frequentie-gematchte injectieplaatsen in de A1 en AAF toonde aan dat injecties in de A1 resulteerden in een zwaardere projectie naar de PPF en PSF dan die in de AAF (Fig. 4D).

Het patroon van labeling in de AEG na injecties in de MEG was zeer vergelijkbaar, ongeacht of de injecties in de A1 of AAF werden geplaatst (vergelijk labeling in de MEG in Fig. 3H, F en D en in de AEG in Fig. 3B , C en D), hoewel een kwantitatief kleinere projectie werd waargenomen vanaf de A1 in vergelijking met de AAF. Het label was verspreid en interdigiterend in plaats van beperkt en overlappend zoals in de PEG.

Kwantificering van de projecties als gevolg van injecties in de MEG toonde aan dat de sterkste projecties van de A1 en AAF zich binnen de auditieve kern bevonden, zowel binnen het geïnjecteerde veld als tussen de A1 en AAF. Bovendien werden sterke wederzijdse verbindingen waargenomen met de PPF en PSF. De bevinding dat frequentie-gematchte injecties in de primaire velden discrete, overlappende gebieden van labeling op de achterste gyrus produceren, suggereert dat er verbindingen bestaan ​​tussen frequentie-gematchte gebieden van deze tonotopisch georganiseerde auditieve corticale velden. Injecties in de hoogfrequente MEG (Fig. 2) produceerden labelplekken in meer rostrale en caudale aspecten van de PEG dan injecties met lagere frequentie (Fig. 2, 3), waarna labeling dichter bij het midden van de PEG was geplaatst, weer in overeenstemming met de bekende tonotopische organisatie. Er werden kleinere projecties waargenomen van de primaire velden naar de ADF en verbindingen tussen de primaire velden en de AVF, VP en PSSC waren vrijwel afwezig. Injecties in de A1 hadden de neiging om zwaardere labeling in de achterste velden te produceren dan die in de AAF, terwijl AAF-injecties zwaardere labeling in de ADF produceerden dan die in de A1 (Fig. 4). Dus, ondanks de gedeeltelijke overlap in de labelpatronen, leveren deze gegevens bewijs voor het bestaan ​​van parallelle projecties afkomstig van de A1 en AAF.

Injecties in MEG: callosale connectiviteit

Eerdere studies bij fretten die callosale projecties van de MEG documenteerden, onthulden meerdere banden van anterograde label die loodrecht op de belangrijkste tonotopische as liepen (Wallace en Bajwa, 1991 Pallas en Sur, 1993 Wallace en Harper, 1997). Figuur 5 toont de contralaterale labeling die werd gevonden na de injecties geïllustreerd in Figuren 3 en 4. De FR-injectie produceerde het meest uitgebreide anterograde transport, en meerdere orthogonale labelbanden konden contralateraal van de injectieplaats worden waargenomen (Fig. 5A, B), consistent met deze eerdere onderzoeken. Bovendien was het anterograde-label duidelijk op de achterste oever, een afspiegeling van dat ipsilateraal waargenomen.

Etikettering in de contralaterale auditieve cortex na injecties in een 7 kHz isofrequentie lamina in de MEG. Tekeningen tonen de contralaterale etikettering na de frequentie-gematchte injecties getoond in figuren 3 en 4. AC: Labeling van de FR-injectie en BDA-injecties (A-C, oppervlakkig tot diep) wordt getoond met retrograde gevulde cellen die zijn uitgezet als lichtgroene en blauwe cirkels, respectievelijk de donkergroene en blauwe lijnen vertegenwoordigen de overeenkomstige terminalvelden. D-F: Ipsilaterale labeling van vergelijkbare diepten wordt ter vergelijking getoond. De CTB-injectie produceerde geen contralateraal label. Voor afkortingen, zie lijst. Schaalbalk = 2 mm in D (geldt voor A–F).

Het patroon van retrograde contralaterale labeling als gevolg van tracer-injectie in de MEG weerspiegelde over het algemeen dat waargenomen in de ipsilaterale auditieve cortex, hoewel er veel minder gelabelde cellen waren. Net als in de ipsilaterale MEG was er een band van retrograde en anterograde labeling die rostrocaudaal door de MEG liep, met verdere labeling in de sss aan het dorsale uiteinde van de gyrus (Fig. 5A, B) en in de PSF op een locatie overeenkomend met die waargenomen in de ipsilaterale auditieve cortex. Nogmaals, zoals aan de ipsilaterale kant, resulteerde de BDA-injectie in de AAF in verspreide labeling in de contralaterale ADF, maar noch de BDA noch de FR-injectie produceerde enige labeling in de contralaterale PPF.

Injecties in de PEG: PPF

Hoewel eerdere onderzoeken projecties van de MEG naar de PEG hebben aangetoond (Pallas en Sur, 1993), heeft geen enkele tracer-injecties in fysiologisch geïdentificeerde PEG-gebieden geplaatst. Daarom hebben we onze injecties gericht op de PPF en PSF. Figuur 6 illustreert het patroon van labeling waargenomen na een grote CTB-tracerinjectie in de PEG. Opnamen gemaakt in de buurt van deze injectieplaats hadden CF's van -8 kHz, met meer rostrale opnamelocaties met hogere CF's. Deze injectie was daarom gecentreerd binnen de PPF. Zoals te zien is in figuur 6, produceerde deze grote injectieplaats retrograde labeling over een groot deel van de dorsale MEG (Fig. 6J-N), evenals in de PEG, inclusief zowel de PSF als VP (Fig. 6I-M, N ). Teruggevulde cellen werden ook waargenomen in de ADF en in mindere mate in de AVF (Fig. 6B-F). Etikettering was ook aanwezig in de ALLS en pPSSC, maar was grotendeels afwezig in de aPSSC. Ten slotte was, in overeenstemming met de CF van de injectieplaats, vrijwel geen labeling aanwezig in de ventrale MEG (waar de laagfrequente A1 en AAF zich bevinden in Fig. 6L-M) of in de centrale PEG, waar een laagfrequente gebied scheidt de PSF en PPF (Fig. 6J-L), In dit geval werd geen anterograde labeling waargenomen vanwege de retrograde aard van de gebruikte tracer.

Ipsilaterale labeling als gevolg van een injectie van CTB in het posterieure pseudosylvian veld (PPF). EEN: Foto die de locatie toont van een grote injectie van CTB in PPF. B: Schematische weergave van de injectieplaats, resulterende etikettering en locatie van de coronale secties (pijlen) getekend in C–O. CO: Coronale secties van ipsilaterale cortex die de verdeling van retrograde labeling tonen. Zwarte cirkels geven de locatie van teruggevulde cellen aan en de injectieplaats is grijs gemarkeerd. P: Kwantificering van retrograde labeling. Voor afkortingen, zie lijst. Schaalbalk = 1 mm in J (geldt voor A–O).

Figuur 7 illustreert het labelpatroon na een kleinere injectie van BDA in de PPF, dit keer in de afgeplatte cortex. Deze injectie resulteerde in een band van gelabelde cellen die ongeveer tweederde van de weg over de MEG liep vanaf de caudale rand van de gyrus (Fig. 7B,C). Deze discrete labelband vertegenwoordigt waarschijnlijk een isofrequente lamina binnen de A1. De etikettering die werd waargenomen na PPF-injecties bevestigt de wederzijdse connectiviteit met de primaire auditieve corticale velden die werd gesuggereerd door de MEG-injecties (vergelijk figuren 4 en 7), en illustreert de sterkere verbinding die voortkomt uit de A1 dan uit de AAF.

Afgeplatte tangentiële secties van de ipsilaterale cortex die de labeling illustreren die het gevolg is van een injectie van BDA in de PPF. EEN: Foto waarop de locatie van de injectieplaats te zien is. BG: Secties geordend van meest oppervlakkig tot diep in intervallen van 300 µm. Teruggevulde cellen worden uitgezet als zwarte cirkels en terminalvelden worden grijs weergegeven. H: Kwantificering van anterograde en retrograde labeling. Voor afkortingen, zie lijst. Schaalbalk = 1 mm in A 2 mm in E (geldt voor B–G).

De PPF is ook wederkerig verbonden met de VP, zoals aangegeven door de retrograde en anterograde labeling die in dit veld wordt waargenomen (Fig. 7D-F). Sommige labeling was ook aanwezig in de AEG, in het voorste deel van de ADF, maar was afwezig in de AVF. Spaarzame labeling werd ook gevonden in de pPSSC, maar was bijna afwezig in de aPSSC (bijv. Fig. 7D).

Injecties in PEG: PSF

Het patroon van labeling als gevolg van injecties in de PPF suggereert dat de connectiviteit van deze regio vergelijkbaar is met die van de primaire velden (met name de A1), met sterke projecties naar de A1 en veld-PSF. Vervolgens plaatsten we injecties van neurale tracer in de PSF om de connectiviteitspatronen van de achterste velden te vergelijken. Figuur 8 illustreert de labeling in zowel ipsilaterale als contralaterale auditieve cortex als gevolg van een kleine injectie van BDA in de PSF. Er werd een patroon van labeling gevonden dat vergelijkbaar was met dat waargenomen na injectie van tracer in de PPF. Nogmaals, gelabelde terminale velden waren duidelijk in de caudale helft van de MEG (gezien als labeling op dezelfde dorsoventrale locatie binnen de MEG in Fig. 8H, I, K). Er waren terminale velden die langs het hele ventrale uiteinde van de PEG liepen, waar het veld VP zich bevindt (Fig. 8F,H,I), die voornamelijk werden gevonden in de oppervlakkige lagen (II/III). In vergelijking met de PPF produceerden tracer-injecties in de PSF zwaardere labeling in zowel de aPSSC als de pPSSC (vergelijk Fig. 7E,F met Fig. 8E-G).

Ipsilaterale en contralaterale labeling na een injectie van BDA in de PSF. A,B: Schema en foto van de injectieplaats. B: Locatie van de coronale secties weergegeven in C–L, een samenvatting van de topologie van de resulterende labeling. C–L: Tekeningen van coronale secties in ipsilaterale cortex geordend van rostraal tot caudaal. Teruggevulde cellen worden in zwart weergegeven en terminalvelden in grijs. M: Schematische weergave van de locatie van de geïllustreerde coronale secties (N–W) in de contralaterale cortex van hetzelfde dier. X: Kwantificering van de etikettering in de ipsilaterale cortex. Voor afkortingen, zie lijst. Schaalbalk = 1 mm in B 1 mm in Q (geldt voor C–W).

PEG-injecties: callosale connectiviteit

Nogmaals, het patroon van labeling geproduceerd in de contralaterale cortex weerspiegelde in het algemeen het patroon van de sterkste labeling gezien in de ipsilaterale cortex. Figuur 8M–W toont een voorbeeld van de etikettering die is waargenomen na een injectie van BDA in de PSF. Hoewel het patroon van contralaterale labeling overeenkwam met dat wat ipsilateraal in de meeste secties wordt gezien, was er een uitzondering hierop binnen de primaire velden, die de neiging hadden om veel minder labeling te vertonen dan in de ipsilaterale cortex, vergelijk secties in figuur 8S, T en U, waarin MEG-label is bijna volledig afwezig, met figuur 8G, H en J, waarin duidelijke terminalvelden in de MEG zijn. PPF-injecties (gegevens niet getoond) produceerden een soortgelijk patroon van contralaterale terminale labeling, behalve dat een duidelijke labelband werd gevonden in de contralaterale Al, wat wijst op verbindingen tussen isofrequente laminae aan elke kant.

Injecties in AEG: ADF

Om te bepalen of de projectiepatronen tussen gebieden op de voorste oever en die op de achterste oever van elkaar verschilden, plaatsten we in zes gevallen injecties in de AEG. Figuur 9 toont de etikettering die het resultaat is van een injectie van BDA in de ADF en een van FR in de AVF. De injectie van BDA in de ADF-gelabelde cellen en terminals in de voorste MEG en in de dorsale sss (Fig. 9I, J). Daarentegen vulde de injectie aan het ventrale uiteinde van de AEG de cellen in de MEG niet op, behalve in de oevers van de sss waar de ALLS zich bevindt (Fig. 9K-M).

Ipsilaterale labeling na injecties in de voorste dorsale en ventrale velden. EEN: Foto die de locatie van de injectieplaatsen toont. B: Schematische weergave van injectieplaatslocaties (rode cirkels) en distributie van etikettering voor injecties van BDA (blauw label) in de ADF en FR (groen label) in de AVF. Geen van deze injectieplaatsen maakte inbreuk op de pseudosylvian sulcus. Pijlen geven de locaties aan van alternatieve coronale secties uitgezet in C-N. C–N: Tekeningen van coronale secties die labeling in terminale velden van de auditieve cortex laten zien, zijn uitgezet als donkerblauwe lijnen (BDA) of donkergroene lijnen (FR), met retrograde labeling weergegeven als lichtblauwe cirkels (BDA) of groene cirkels (FR). O: Kwantificering van de etikettering. Voor afkortingen, zie lijst. Schaalbalk = 1 mm in N (geldt voor A–N).

Projecties van de ADF naar de PSF waren talrijker (Fig. 9K-M) dan die van de ADF naar de PPF, die relatief schaars waren (Fig. 10F-I zie ook Fig. 7 en 8). De ADF en PSF projecteerden beide op de PSSC, maar de ADF projecteerde uitsluitend op de aPSSC (Fig. 9I, zie ook Fig. 10D-I), terwijl de PSF projecteerde op zowel de aPPSC als pPSSC (Fig. 8D-G), met de nadruk op het feit dat de voorste en achterste banken verschillende connectiviteitspatronen hebben. Injecties in de ADF onthulden ook dat dit gebied zwak verbonden was met de VP (Fig. 9L).

Afgeplatte tangentiële secties die de distributie van etikettering tonen na een injectie van BDA dicht bij de rand van de ADF en aPSSC. A,B: Locatie van de injectieplaats (A) en foto van de injectie (B). C–I: Tekeningen die de etikettering in de auditieve cortex laten zien, georganiseerd van de meest oppervlakkige tot de diepste. Teruggevulde cellen worden in zwart weergegeven en terminalvelden in grijs. J: Kwantificering van de etikettering. Voor afkortingen, zie lijst. Schaalbalk = 1 mm in B 1 mm in G (geldt voor C–I).

Voorbeelden van gelabelde neuronen. EEN: F0268, FR (bruin) en BDA (zwart) injectie in A1 en AAF, gelabelde cellen in A1. B: F0532, FR (bruin) en BDA (zwart) injectie in A1- en AAF-cellen in de AAF. C: F0532, FR (bruin) en BDA (zwart) gelabelde cellen in de PPF. NS: F0504 BDA-injectie in de PPF-gelabelde cellen en terminals in vermeende isofrequente laminae in A1. E: F0505, BDA-injectie in de AEG-gelabelde cel in de PPF. F: F0523, BDA-injectie in de ADF-gelabelde cel in de ALLS. G: F0523, FR-injectie in de AVF-gelabelde cel in de ALLS. H: F0523, BDA-injectie in de ADF-gelabelde cel in de aPSSC. L: F0268, terminale velden in de PPF na injecties van FR (bruin) in A1 en BDA (zwart) in de AAF. J: F0717, BDA-injectie in het PSF-terminalveld in de pPSSC. K: F0523, FR-injectie in het AVF-terminalveld in de aPSSC. Voor afkortingen, zie lijst. Schaalbalk = 50 µm in A–H 25 µm in I–K.

Injecties in AEG: AVF

De AVF projecteert ook naar de VP (Fig. 9G-I) maar innerveert of ontvangt geen input van de PPF of PSF. AVF-tracerinjecties produceerden dichte terminale labeling caudaal en dorsaal van de suprasylvian sulcus in gebied SSY (Fig. 9L, M). Injecties die in de ADF en AVF werden geplaatst, produceerden een gebied met overlappende labeling tussen de injectieplaatsen, die zowel de gyrus zelf als de aPSSC omvatte (Fig. 9G-I).

Figuur 10 illustreert de resultaten van een tracer-injectie in de AEG, gecentreerd in de AVF, maar die de aPSSC omvatte en inbreuk maakte op de ADF. In tegenstelling tot de ADF-injectie in figuur 9, was er nauwelijks labeling in de MEG, en het weinige dat aanwezig was, was beperkt tot de ALLS (figuur 10I). Injecties geplaatst in de ADF en aPSSC onthulden zware projecties van en naar de onmiddellijk aangrenzende cortex in de pss en op de caudale helft van de AEG (Fig. 10). Terminale velden waren duidelijk op de PEG, met name in de sulcus caudaal van de PSF (figuren 9L-M, 10D, E). Omdat er geen eindvelden werden waargenomen in de PSF na injectie van tracer in de AVF, lijkt het waarschijnlijk dat de projectie naar de PSF voortkomt uit de aPSSC.

AEG-injecties: callosale connectiviteit

Labeling in de contralaterale cortex weerspiegelde die waargenomen in de ipsilaterale cortex. Patronen van labeling van injecties in zowel de ADF als AVF waren zeer symmetrisch tussen de cortex, met retrograde cellen en terminale velden op overeenkomstige locaties in elke cortex (niet getoond).

Anterolaterale suprasylvian sulcus

De ALLS is eerder geïdentificeerd op basis van zijn cytoarchitectuur (Manger et al., 2008 Homman-Ludiye et al., 2010 ), maar er zijn binnen dit gebied geen fysiologische of verbindingsstudies uitgevoerd. We ontdekten dat de ALLS, die dorsaal van de A1 en AAF ligt, binnen de laterale bank van de sss, wederzijds verbonden is met beide primaire gehoorgebieden (Fig. 4B-D) en de PPF (Fig. 6H-J), en in mindere mate met de PSF (Fig. 8F, H) en ADF (Fig. 9I-K, 11G).

Laminaire verdeling van projecties

Projecties van de A1 en AAF waren wederkerig en eindigden overwegend, maar niet uitsluitend in lagen II/III. Projecties van zowel de A1 als de AAF naar de achterste velden PPF en PSF waren gericht op zowel supragranulaire als infragranulaire lagen (figuren 2H-J, 3G, H). Daarentegen eindigden projecties van de A1 naar ADF meestal in lagen II en III (Fig. 3B), terwijl die van de AAF eindigden in zowel de bovenste als de onderste lagen (bijv. Fig. 3J,M).

Projecties van de PPF hadden ook de neiging zich te richten op de bovenste en onderste corticale lagen. Dit was het geval voor projecties van de PPF naar de primaire velden A1 en AAF (Fig. 7B-D), PSF (Fig. 7B, E) en de pPSSC. Projecties van de PSF naar de A1 waren gericht op alle corticale diepten (Fig. 8H, I), net als die op de pPSSC. Daarentegen waren projecties naar de PPF en ADF (Fig. 8D-F) voornamelijk naar de bovenste (II/III) lagen.

Projecties van de ADF naar de AVF en aPSSC waren voornamelijk gericht op de lagen II en III (Fig. 9I), evenals die van de ADF naar de AAF (Fig. 9J,K) en PPF (Fig. 9H,I). Projecties van de ADF naar de PSF overspannen de corticale lagen (Fig. 9K, L). Ten slotte eindigden AVF-neuronen op alle diepten in de aPSSC en in lagen II en III van de pPSSC en VP (Fig. 9H, I).

Figuur 11 illustreert de morfologie van typische gelabelde cellen en terminale velden in de auditieve cortex. Figuur 12 vat de projectiepatronen samen die in alle experimenten zijn waargenomen. Deze worden op twee manieren weergegeven: respectievelijk Figuur 12A, B en C illustreert de projecties die binnen en buiten de MEG, PEG en AEG zijn geïdentificeerd. Figuur 12D vat de relatieve sterktes van de verbindingen tussen elk van de corticale gebieden samen en is gebaseerd op de overzichtspanelen die voor elk van de individuele dieren worden getoond.

Samenvatting van verbindingen tussen auditieve corticale velden. EEN: Projecties afkomstig van A1 en AAF in de MEG. De relatieve sterkte van de verbinding wordt aangegeven door de breedte van de pijl. B: Projecties binnen de velden op de PEG (PPF, PSF en VP), en vanuit deze velden naar gebieden op de MEG en AEG. C: Projecties binnen de velden op de AEG (ADF en AVF), en vanuit deze velden naar gebieden op de MEG en PEG. NS: Summary of all projections observed. Boxes marked with an X indicate possible connections that we were unable to observe as we did not target injection sites at these areas. For abbreviations, see list.


New Theory Says Only Brain Activity Involving ‘L5p Neurons’ Enters Conscious Awareness

No-one knows what connects awareness — the state of consciousness — with its contents, i.e. thoughts and experiences. Now researchers propose an elegant solution: a literal, structural connection.

‘Content circuits’ within the cortex are plugged into ‘switchboard circuits’ that allocate awareness, says the theory, via cortical cells called L5p neurons.

Inschrijven Frontiers in Systems Neuroscience, the group offers evidence — and caveats. Their challenge to experimentalists: if consciousness requires L5p neurons, all brain activity without them must be unconscious.

State vs. contents of conscious

Most neuroscientists chasing the neural mechanisms of consciousness focus on its contents, measuring changes in the brain when it thinks about a particular thing — a smell, a memory, an emotion. Quite separately, others study how the brain behaves during different conscious states, like alert wakefulness, dreaming, deep sleep or anesthesia.

Most agree the two are indivisible: you can’t think or feel or experience anything without being aware, nor be ‘aware’ of nothing. But because of the divided approach, “nobody knows how and why the contents and state of consciousness are so tightly coupled,” says Dr. Jaan Aru, neuroscientist at Humboldt University, Berlin, and lead author of the new theory.

Separate circuits

The divide created between state and contents of consciousness is anatomical.

Our conscious state is thought to depend on the activity of so-called ‘thalamo-cortical’ circuits. These are connections between neurons in the cortex, and neurons in the thalamus — a thumb-sized relay center in the middle of the brain that controls information inflow from the senses (except smell). Thalamocortical circuits are thought to be the target of general anesthesia, and damage to these neurons due to tumors or stroke often results in coma.

In contrast, functional brain imaging studies locate the contents of consciousness mostly within the cortex, in ‘cortico-cortical’ circuits.

The missing link?

Aru and colleagues believe that L5p neurons are uniquely placed to bridge the divide.

“Thalamo-cortical and cortico-cortical circuits intersect via L5p neurons,” explains Aru. “Studies tracing these cells under the microscope suggest they participate in both circuits, by exchanging connections with both thalamus and cortex.”

Functional brain studies suggest these cells may indeed couple the state and contents of consciousness. Cellular-level brain imaging in mice shows that L5p neurons respond to a sensory stimulus (air puff to the leg) that this response increases when the animal is awake and that it is strongest by far when the animal reacts to the stimulus (moves its leg).

“We can’t tell what the mouse is thinking,” concedes Aru. “But if we assume that it reacts only when it is conscious of the stimulus, then this study demonstrates the interaction between the state [wakefulness] and contents [sensory experience] of consciousness in L5p neurons.”

The assumption is consistent with a similar mouse study. This one went further, showing that directly activating the stimulus-responsive L5p neurons (e.g. with drugs) makes the animal react to a weaker sensory stimulus — and sometimes without any stimulus.

“It’s as if the mouse experiences an illusory stimulus as if L5p stimulation creates consciousness,” Aru adds.

Testing the theory

The theory is a first iteration that needs refinement, stresses Aru.

“Our goal here is to convince others that future work on the mechanisms of consciousness should specifically target L5p neurons.”

Nevertheless, this general arrangement could account for some well-known quirks of consciousness.

For example, the processing delay of this long relay — from cortico-cortical circuit to thalamo-cortical and back again via L5p neurons — could explain why rapid changes of stimuli often escape conscious perception. (Think subliminal messages spliced into video.)

One feature of this phenomenon is ‘backward masking’: when two images are presented briefly in rapid succession (50-100 ms), only the second image is consciously perceived. In this case, posits Aru, “by the time the stimulus completes the L5p-thalamus-L5p relay, the second image has taken over early cortical representation and steals the limelight lit by the first image.”

The theory could also help explain why we usually have little conscious insight into some brain processes, like planning movement or even syntax.

“All brain activity that does not (sufficiently) involve L5p neurons remains unconscious,” predicts Aru.

Therein lies the key to testing this exciting theory.

Reference: “Coupling the State and Contents of Consciousness” by Jaan Aru, Mototaka Suzuki, Renate Rutiku, Matthew E. Larkum and Talis Bachmann, 30 August 2019, Frontiers in Systems Neuroscience.
DOI: 10.3389/fnsys.2019.00043


Remapping for visual stability

Visual perception is based on both incoming sensory signals and information about ongoing actions. Recordings from single neurons have shown that corollary discharge signals can influence visual representations in parietal, frontal and extrastriate visual cortex, as well as the superior colliculus (SC). In each of these areas, visual representations are remapped in conjunction with eye movements. Remapping provides a mechanism for creating a stable, eye-centred map of salient locations. Temporal and spatial aspects of remapping are highly variable from cell to cell and area to area. Most neurons in the lateral intraparietal area remap stimulus traces, as do many neurons in closely allied areas such as the frontal eye fields the SC and extrastriate area V3A. Remapping is not purely a cortical phenomenon. Stimulus traces are remapped from one hemifield to the other even when direct cortico-cortical connections are removed. The neural circuitry that produces remapping is distinguished by significant plasticity, suggesting that updating of salient stimuli is fundamental for spatial stability and visuospatial behaviour. These findings provide new evidence that a unified and stable representation of visual space is constructed by redundant circuitry, comprising cortical and subcortical pathways, with a remarkable capacity for reorganization.

Referenties

. 2008 Trans-saccadic perception . Trends Cog. Wetenschap. 12, 466–473.doi:

Duhamel J. R., Colby C. L.& Goldberg M. E.

. 1992 The updating of the representation of visual space in parietal cortex by intended eye movements . Wetenschap 255, 90–92.doi:

. 2002 Updating of the visual representation in monkey striate and extrastriate cortex during saccades . Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 99, 4026–4031.doi:

. 2006 Influence of the thalamus on spatial visual processing in frontal cortex . Natuur 444, 374–377.doi:

. 2003 The time course of perisaccadic receptive field shifts in the lateral intraparietal area of the monkey . J. Neurophysiol. 89, 1519–1527.doi:

Jeffries S. M., Kusunoki M., Bisley J. W., Cohen I. S.& Goldberg M. E.

. 2007 Rhesus monkeys mislocalize saccade targets flashed for 100 ms around the time of a saccade . Vision Res. 47, 1924–1934.doi:

Ross J., Morrone M. C., Goldberg M. E.& Burr D. C.

. 2001 Changes in visual perception at the time of saccades . Trends Neurosci. 24, 113–121.doi:

. 2007 Predictive remapping of visual features precedes saccadic eye movements . nat. neurosci. 10, 903–907.doi:

. 1989 Comparison of saccadic eye movements in humans and macaques to single-step and double-step target movements . Vision Res. 29, 485–495.doi:

Dassonville P., Schlag J.& Schlag-Rey M.

. 1992 The frontal eye field provides the goal of saccadic eye movement . Exp. Hersenonderzoek. 89, 300–310. Crossref, PubMed, Google Scholar

Duhamel J. R., Goldberg M. E., Fitzgibbon E. J., Sirigu A.& Grafman J.

. 1992 Saccadic dysmetria in a patient with a right frontoparietal lesion. The importance of corollary discharge for accurate spatial behaviour . Brein 115, 1387–1402. Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Heide W., Blankenburg M., Zimmermann E.& Kompf D.

. 1995 Cortical control of double-step saccades: implications for spatial orientation . Ann. neurol. 38, 739–748.doi:

. 2001 Inactivation of macaque lateral intraparietal area delays initiation of the second saccade predominantly from contralesional eye positions in a double-saccade task . Exp. Hersenonderzoek. 137, 45–57.doi:

Morris A. P., Chambers C. D.& Mattingley J. B.

. 2007 Parietal stimulation destabilizes spatial updating across saccadic eye movements . Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 104, 9069–9074.doi:

Medendorp W. P., Goltz H. C., Vilis T.& Crawford J. D.

. 2003 Gaze-centered updating of visual space in human parietal cortex . J. Neurosci. 23, 6209–6214. Crossref, PubMed, Google Scholar

Merriam E. P., Genovese C. R.& Colby C. L.

. 2003 Spatial updating in human parietal cortex . neuron 39, 361–373.doi:

Merriam E. P., Genovese C. R.& Colby C. L.

. 2007 Remapping in human visual cortex . J. Neurophysiol. 97, 1738–1755.doi:

Ram-Tsur R., Caspi A., Gordon C. R.& Zivotofsky A. Z.

. 2005 The Saccadic system more readily co-processes orthogonal than co-linear saccades . Exp. Hersenonderzoek. 160, 398–403.doi:

. 2006 Spatial updating in area LIP is independent of saccade direction . J. Neurophysiol. 95, 2751–2767.doi:

. 1999 Space and attention in parietal cortex . Ann. Rev. Neurosci. 22, 319–349.doi:

Heiser L. M., Berman R. A., Saunders R. C.& Colby C. L.

. 2005 Dynamic circuitry for updating spatial representations. II. Physiological evidence for interhemispheric transfer in area LIP of the split-brain macaque . J. Neurophysiol. 94, 3249–3258.doi:

Guthrie B. L., Porter J. D.& Sparks D. L.

. 1983 Corollary discharge provides accurate eye position information to the oculomotor system . Wetenschap 221, 1193–1195.doi:

. 2002 A pathway in primate brain for internal monitoring of movements . Wetenschap 296, 1480–1482.doi:

. 2008 Corollary discharge across the animal kingdom . nat. Rev. Neurosci. 9, 587–600.doi:

Chafee M. V.& Goldman-Rakic P. S.

. 1998 Matching patterns of activity in primate prefrontal area 8a and parietal area 7ip neurons during a spatial working memory task . J. Neurophysiol. 79, 2919–2940. Crossref, PubMed, Google Scholar

Chafee M. V.& Goldman-Rakic P. S.

. 2000 Inactivation of parietal and prefrontal cortex reveals interdependence of neural activity during memory-guided saccades . J. Neurophysiol. 83, 1550–1566. Crossref, PubMed, Google Scholar

Schall J. D., Morel A., King D. J.& Bullier J.

. 1995 Topography of visual cortex connections with frontal eye field in macaque: convergence and segregation of processing streams . J. Neurosci. 15, 4464–4487. Crossref, PubMed, Google Scholar

Bullier J., Schall J. D.& Morel A.

. 1996 Functional streams in occipito-frontal connections in the monkey . Gedraag je. Hersenonderzoek. 76, 89–97.doi:

. 1984 Projections to the frontal cortex from the posterior parietal region in the rhesus monkey . J. Comp. neurol. 228, 105–116.doi:

Stanton G. B., Bruce C. J.& Goldberg M. E.

. 1995 Topography of projections to posterior cortical areas from the macaque frontal eye fields . J. Comp. neurol. 353, 291–305.doi:

Clower D. M., West R. A., Lynch J. C.& Strick P. L.

. 2001 The inferior parietal lobule is the target of output from the superior colliculus, hippocampus, and cerebellum . J. Neurosci. 21, 6283–6291. Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2001 Spatial processing in the monkey frontal eye field. II. Memory responses . J. Neurophysiol. 86, 2344–2352. Crossref, PubMed, Google Scholar

Dunn C. A., Hall N. J.& Colby C. L.

. 2010 Spatial updating in monkey superior colliculus in the absence of the forebrain commissures: dissociation between superficial and intermediate layers . J. Neurofysiologie . 104, 1267–1285.doi:

Walker M. F., Fitzgibbon E. J.& Goldberg M. E.

. 1995 Neurons in the monkey superior colliculus predict the visual result of impending saccadic eye movements . J. Neurophysiol. 73, 1988–2003. Crossref, PubMed, Google Scholar

. 1997 Monkey posterior parietal cortex neurons antidromically activated from superior colliculus . J. Neurophysiol. 78, 3493–3497. Crossref, PubMed, Google Scholar

Lynch J. C., Hoover J. E.& Strick P. L.

. 1994 Input to the primate frontal eye field from the substantia nigra, superior colliculus, and dentate nucleus demonstrated by transneuronal transport . Exp. Hersenonderzoek. 100, 181–186. Crossref, PubMed, Google Scholar

Segraves M. A.& Goldberg M. E.

. 1987 Functional properties of corticotectal neurons in the monkey's frontal eye field . J. Neurophysiol. 58, 1387–1419. Crossref, PubMed, Google Scholar

. 1972 Activity of superior colliculus in behaving monkey. I. Visual receptive fields of single neurons . J. Neurophysiol. 35, 542–559. Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 1985 Primate frontal eye fields. I. Single neurons discharging before saccades . J. Neurophysiol. 53, 603–635. Crossref, PubMed, Google Scholar

Barash S., Bracewell R. M., Fogassi L., Gnadt J. W.& Andersen R. A.

. 1991 Saccade-related activity in the lateral intraparietal area. I. Temporal properties comparison with area 7a . J. Neurophysiol. 66, 1095–1108. Crossref, PubMed, Google Scholar

. 1972 Activity of superior colliculus in behaving monkey. 3. Cells discharging before eye movements . J. Neurophysiol. 35, 575–586. Crossref, PubMed, Google Scholar

Cavada C.& Goldman-Rakic P. S.

. 1989 Posterior parietal cortex in rhesus monkey: II. Evidence for segregated corticocortical networks linking sensory and limbic areas with the frontal lobe . J. Comp. neurol. 287, 422–445.doi:

Andersen R. A., Asanuma C., Essick G.& Siegel R. M.

. 1990 Corticocortical connections of anatomically and physiologically defined subdivisions within the inferior parietal lobule . J. Comp. neurol. 296, 65–113.doi:

Blatt G. J., Andersen R. A.& Stoner G. R.

. 1990 Visual receptive field organization and cortico-cortical connections of the lateral intraparietal area (area LIP) in the macaque . J. Comp. neurol. 299, 421–445.doi:

Baizer J. S., Ungerleider L. G.& Desimone R.

. 1991 Organization of visual inputs to the inferior temporal and posterior parietal cortex in macaques . J. Neurosci. 11, 168–190. Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2000 Corticocortical connections of visual, sensorimotor, and multimodal processing areas in the parietal lobe of the macaque monkey . J. Comp. neurol. 428, 112–137.doi:

Schall J. D., Hanes D. P., Thompson K. G.& King D. J.

. 1995 Saccade target selection in frontal eye field of macaque. I. Visual and premovement activation . J. Neurosci. 15, 6905–6918. Crossref, PubMed, Google Scholar

. 1998 Action-oriented spatial reference frames in cortex . neuron 20, 15–24.doi:

Gilbert C., Das A., Ito M., Kapadia M.& Westheimer G.

. 1996 Spatial integration and cortical dynamics . Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 93, 615–622.doi:

Angelucci A., Levitt J. B., Walton E. J. S., Hupe J.-M., Bullier J.& Lund J. S.

. 2002 Circuits for local and global signal integration in primary visual cortex . J. Neurosci. 22, 8633–8646. Crossref, PubMed, Google Scholar

Stettler D. D., Das A., Bennett J.& Gilbert C. D.

. 2002 Lateral connectivity and contextual interactions in Macaque primary visual cortex . neuron 36, 739–750.doi:

Kritzer M. F., Cowey A.& Somogyi P.

. 1992 Patterns of inter- and intralaminar GABAergic connections distinguish striate (V1) and extrastriate (V2, V4) visual cortices and their functionally specialized subdivisions in the rhesus monkey . J. Neurosci. 12, 4545–4564. Crossref, PubMed, Google Scholar

. 1980 Saccades are spatially, not retinocentrically, coded . Wetenschap 208, 1163–1165.doi:

. 1988 Memory related motor planning activity in posterior parietal cortex of macaque . Exp. Hersenonderzoek. 70, 216–220. PubMed, ISI, Google Scholar

. 1990 Primate frontal eye fields. III. Maintenance of a spatially accurate saccade signal . J. Neurophysiol. 64, 489–508. Crossref, PubMed, Google Scholar

Ray S., Schall J. D.& Murthy A.

. 2004 Programming of double-step saccade sequences: modulation by cognitive control . Vision Res. 44, 2707–2718.doi:

Medendorp W. P., Goltz H. C.& Vilis T.

. 2006 Directional selectivity of BOLD activity in human posterior parietal cortex for memory-guided double-step saccades . J. Neurophysiol. 95, 1645–1655.doi:

Hallett P. E.& Lightstone A. D.

. 1976 Saccadic eye movements to flashed targets . Vision Res. 16, 107–114.doi:

. 1998 Combined deficits of saccades and visuo-spatial orientation after cortical lesions . Exp. Hersenonderzoek. 123, 164–171.doi:

. 1983 Interactions between visually and electrically elicited saccades before and after superior colliculus and frontal eye field ablations in the rhesus monkey . Exp. Hersenonderzoek. 49, 381–392. Crossref, PubMed, Google Scholar

Berman R. A., Heiser L. M., Saunders R. C.& Colby C. L.

. 2005 Dynamic circuitry for updating spatial representations. I. Behavioral evidence for interhemispheric transfer in the split-brain macaque . J. Neurophysiol. 94, 3228–3248.doi:

Berman R. A., Heiser L. M., Dunn C. A., Saunders R. C.& Colby C. L.

. 2007 Dynamic circuitry for updating spatial representations. III. From neurons to behavior . J. Neurophysiol. 98, 105–121.doi:

Colby C. L., Berman R. A., Heiser L. M.& Saunders R. C.

. 2005 Corollary discharge and spatial updating: when the brain is split, is space still unified? prog. Hersenonderzoek. 149, 187–205.doi:

. 1984 The mammalian superior colliculus: studies of its morphology and connections . Comparative neurology of the optic tectum (red.

), pp. 687–773. New York, NY : Plenum Press . Crossref, Google Scholar

. 2009 Frontal eye field neurons with spatial representations predicted by their subcortical input . J. Neurosci. 29, 5308–5318.doi:

Schiller P. H., Stryker M., Cynader M.& Berman N.

. 1974 Response characteristics of single cells in the monkey superior colliculus following ablation or cooling of visual cortex . J. Neurophysiol. 37, 181–194. Crossref, PubMed, Google Scholar

Finlay B. L., Schiller P. H.& Volman S. F.

. 1976 Quantitative studies of single-cell properties in monkey striate cortex. NS. Corticotectal cells . J. Neurophysiol. 39, 1352–1361. Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2001 Cortical input to the nucleus of the optic tract and dorsal terminal nucleus (NOT-DTN) in macaques: a retrograde tracing study . Cereb. Cortex 11, 572–580.doi:

. 1984 Cortical projections to the superior colliculus in the macaque monkey: a retrograde study using horseradish peroxidase . J. Comp. neurol. 230, 55–76.doi:

. 2005 The mammalian superior colliculus: laminar structure and connections . prog. Hersenonderzoek. 151, 321–378.doi:

. 1980 Visual-motor function of the primate superior colliculus . Ann. Rev. Neurosci. 3, 189–226.doi:

Ferraina S., Pare M.& Wurtz R. H.

. 2002 Comparison of cortico-cortical and cortico-collicular signals for the generation of saccadic eye movements . J. Neurophysiol. 87, 845–858. Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2001 Connections of the medial posterior parietal cortex (area 7 m) in the monkey . Anat. Aanbeveling 263, 215–236.doi:

. 2005 Cortico-cortical networks and cortico-subcortical loops for the higher control of eye movements . prog. Hersenonderzoek. 151, 461–501.doi:

. 2001 Progression in neuronal processing for saccadic eye movements from parietal cortex area lip to superior colliculus . J. Neurophysiol. 85, 2545–2562. Crossref, PubMed, Google Scholar

. 1976 The cortical projections of the inferior pulvinar and adjacent lateral pulvinar in the rhesus monkey (Macaca mulatta): an autoradiographic study . Hersenonderzoek. 108, 1–24.doi:


Dankbetuigingen

We thank Fred Lado, Ido Davidesco and Charles Schroeder for comments on an early draft of this manuscript Ido Davidesco and Rafael Malach for helping with the task-based experimental design and analysis Michelle Davis and Nicole Baron for design and illustration of figure 3 David Groppe and Stephan Bickel for helping with patient recordings. The authors are enormously indebted to the patients that participated in this work, as well as the nursing and physician staff of North Shore LIJ hospitals.

Funding statement

This work was funded by the National Institute of Neurological Disorders and Stroke ( F31NS080357-01 and T32-GM007288 to C.J.K.), the Epilepsy Foundation of America ( EFA189045 to C.J.K.), the Swiss National Science Foundation grant ( P3SMP3-148388 to P.M.), the Hungarian Scientific Research Fund (OTKA81457), the Hungarian National Office for Research and Technology (Multisca, KTIA: NAP_13) and the Page and Otto Marx Jr. Foundation (to A.D.M.).


A Multilayer Model of Cerebellar Cortical Morphogenesis

Cerebellar Cortical Organization and Development.

Cerebellar cortex is thin (approximately one-third of cerebral cortical thickness), comparable to one cerebral hemisphere in surface area, and tightly folded like an accordion (127). The mammalian cerebellum has 5 cardinal lobes (separated by 4 fissures), 10 lobules, and many finer-grained lamellae and folia in large-brain species (128, 129). Key features of adult cerebellar architecture (Fig. 8EEN) include a thin layer of Purkinje cells (PCs, red) and Bergmann radial glial cells (BGCs, green) above a dense layer of granule cells (GCs, blue) that have stubby, quasi-isotropic dendrites (128). GC axons ascend to the molecular layer (ML) and bifurcate into parallel fibers that synapse onto trellis-like PC ascending dendritic arbors. The thin cerebellar white matter contains three main axonal types: ascending mossy fibers (from the pons and other subcortical structures onto GCs), climbing fibers (from the inferior olive onto PCs), and Purkinje cell axons projecting to cerebellar nuclei (128, 130). Direct cerebellar cortico-cortical connections via white matter have not been reported. As with cerebral cortex, pial surfaces on apposed cerebellar folds typically abut one another directly (Fig. 8C) and appear to be adherent (SI-bijlage, Topic 4 and Fig. S4). Finally, the granule cell layer (GCL) is thicker in gyral crowns and thinner in sulcal fundi, whereas the ML is thicker in sulci than in gyri, similar to the pattern for layer 1 vs. deep layers of neocortex.

Cerebellar circuits, development, and morphogenetic forces. (EEN) Adult cerebellar layers and input/output cell types (interneurons excluded). (B) Schematic of key developmental features at an early developmental stage (∼E17.5 in mouse). (C) Adult mouse parasagittal section drawing, with putative tethering forces provided by input axons.

Cerebellar cortical development differs dramatically from that of cerebral cortex, although there are also important similarities. The earliest cerebellar neurons migrate from the rhombic lip anteriorly and then ventrally to form the cerebellar nuclei (131). The massively proliferating granule cell precursors (GCPs, blue) in the external germinal layer (EGL) also originate from the rhombic lip (132) (Fig. 8B). Above the EGL are the pia mater with basal lamina plus an arachnoid layer that (in contrast to cerebral cortex) is notably thick in humans and extends deep into cerebellar folds (133). PCs originate in the ventricular zone, migrate along radial glial cells (RGCs, purple) past the cerebellar nuclei (131) and settle below the EGL. Many RGCs lose their connection with the ventricular surface, migrate to the PC layer, and extend multiple processes to the pial surface (134) to become BGCs that are analogous to bRGCs in cerebral cortex (131, 135). Within the mouse EGL, GCPs have short leading and trailing processes and take divergent movement trajectories (50) as in a “can of worms.” Postmitotic GCs extend processes medially and laterally, becoming parallel fibers that elongate within a rapidly thickening ML below the EGL. GCs migrate down BGC processes (with the GC ascending axons trailing behind) past the PC layer and settle in the inner granular layer (IGL) that becomes the GCL. In mice, major folds are initiated by “anchoring centers” (ACs) that are associated with 1) clustering and elongation of postmitotic GCs in the EGL, 2) maturation and invagination of PCs, and 3) convergence of BGC processes (136) (Fig. 8B). As the cortex expands tangentially, ACs remain anchored at the base of fissures and major folds (asterisks in Fig. 8C).

Mechanisms and Models of Cerebellar Development.

Important mechanistic insights come from tissue cuts in embryonic mouse cerebellar slices (50). Radial tissue cuts into the EGL and underlying core result in wide gaps indicative of “circumferential” (tangential) tension in the EGL and PC layers. Horizontal cuts in the central core between EGL and ventricular zone result in wide gaps indicative of radial tension, likely involving RGCs and descending and ascending axons. These observations inspired a “multiphase wrinkling” model (50) that invokes 1) tangential expansion of the EGL driven by competition between radial and circumferential tension (perhaps generated in part by the meninges) and 2) folding mediated in part by differential radial tension related to the distribution of RGCs and BGCs. This model (137) has an elastic core surrounded by a fluid-like “film” interactions between film-spanning and full-radius elastic fibers can account for why the outer film is relatively thick at the base of folds and relatively thin at the crowns (at least for the EGL). A proposed three-layer model (138) is based on differential stiffness of the ML, PC, and IGL however, the ML is not yet present when folding is initiated. None of these models account for the accordion-like pattern of parallel cerebellar folds.

Here, I propose a cerebellar multilayer sandwich (CMS) model for cerebellar cortex that invokes additional features while sharing similarities with the above multiphase-wrinkling and three-layer models, the cerebral DES+ model, and my original cerebellar TBM model (1). The CMS model involves up to five layers, but fewer at early and late developmental stages, and includes five major tenets. Tenet 1, radially biased tension, generated early on mainly by BGC and RGC processes reaching the pial surface and later by PC dendrites and GC ascending axons reaching the ML, should keep cerebellar cortex thin and promote tangential expansion of the IGL, PC, ML, and EGL layers. Tenet 2, anisotropic tangential tension in the ML along parallel fibers, should promote folding along the parallel fiber axis (as in a package of spaghetti noodles) and thereby account for accordion-like cerebellar folding (1) and also elongation of the unfolded cerebellum in macaques and humans (127) along the higher-compliance axis (mainly antero-posterior) compared to the stiffer axis (mainly medio-lateral). Tenet 3, tangential tension in the meningeal layers, may come from stretching of the pial basal lamina and thick arachnoid layer. The transient EGL might also contribute if GCP leading processes are under tension as they migrate in quasi-random directions. Tenet 4, tethering tension in cerebellar input (CF and MF) and output (PC) axons, should keep cerebellar WM compact (Fig. 8C), leading to a thin, highly convoluted cerebellar cortex enshrouding thin WM blades. Tenet 5, transsulcal adhesion, would link opposing sulcal banks, initially by the thick but transient arachnoid (133) and later by ECM linking apposed basal laminae, promoting further invagination by a zipping mechanism akin to that proposed for neocortex. Importantly, the current cerebellar CMS model lacks a clear mechanism to account for ACs and the formation of primary fissures.

Testing the CMS Model.

Several approaches proposed above for the cerebral DES+ model may be adaptable for testing the CMS model: 1) Use photoablation to test for anisotropic tension in parallel fibers PC dendrites BGC and RGC radial processes GC ascending axons and CF, MF, and PC axons. 2) Analyze cerebellar gyrification mutants (e.g., ref. 139) as model systems for mechanistic analyses. 3) Examine pial and arachnoid mechanical properties and adhesive interactions using in vitro methods, including organotypic cerebellar cultures (140). 4) Biomechanical measures: Does the ML layer show anisotropic compliance along vs. across the parallel fiber axis as predicted by the CMS model (SI-bijlage, Topic 10)? 5) Critically evaluate computational models that incorporate biologically plausible tension patterns predicted by the CMS model.


Cortico-cortical connections - Biology

J Psychiatrie Neurowetenschappen 202146(3):E371-E387 | PDF | bijlage

Anushree Tripathi, PhD Sebastian Sulis Sato, PhD Paolo Medini, MD, PhD

Achtergrond: Auditory hallucinations (which occur when the distinction between thoughts and perceptions is blurred) are common in psychotic disorders. The orbitofrontal cortex (OFC) may be implicated, because it receives multiple inputs, including sound and affective value via the amygdala, orchestrating complex emotional responses. We aimed to elucidate the circuit and neuromodulatory mechanisms that underlie the processing of emotionally salient auditory stimuli in the OFC — mechanisms that may be involved in auditory hallucinations.

Methoden: We identified the cortico-cortical connectivity conveying auditory information to the mouse OFC its sensitivity to neuromodulators involved in psychosis and postpartum depression, such as dopamine and neurosteroids and its sensitivity to sensory gating (defective in dysexecutive syndromes).

Resultaten: Retrograde tracers in OFC revealed input cells in all auditory cortices. Acoustic responses were abolished by pharmacological and chemogenetic inactivation of the above-identified pathway. Acoustic responses in the OFC were reduced by local dopaminergic agonists and neurosteroids. Noticeably, apomorphine action lasted longer in the OFC than in auditory areas, and its effect was modality-specific (augmentation for visual responses), whereas neurosteroid action was sex-specific. Finally, acoustic responses in the OFC reverberated to the auditory association cortex via feedback connections and displayed sensory gating, a phenomenon of local origin, given that it was not detectable in input auditory cortices.

Beperkingen: Although our findings were for mice, connectivity and sensitivity to neuromodulation are conserved across mammals.

Conclusie: The corticocortical loop from the auditory association cortex to the OFC is dramatically sensitive to dopamine and neurosteroids. This suggests a clinically testable circuit behind auditory hallucinations. The function of OFC input–output circuits can be studied in mice with targeted and clinically relevant mutations related to their response to emotionally salient sounds.

Submitted Jul. 6, 2020 Revised Oct. 29, 2020 Accepted Jan. 17, 2021

Dankbetuigingen: We thank the research engineer Kamil Antos for assistance in programming the TDT auditory stimulator and for IT assistance the research engineer Per Utsi for excellent mechanical assistance and Dr Eva Henje Blom (Senior Lecturer, Child and Adolescent Psychiatry, Umeå University) for critically reading the manuscript).

affiliaties: Department of Integrative Medical Biology, Umeå University, 90187 Umeå, Sweden (Tripathi, Sato, Medini).

Concurrerende belangen: None declared.

Contributors: P. Medini designed the study and S. Sato designed the chemogenetic protocol. A. Tripathi acquired the data, which A. Tripathi and P. Medini analyzed. A. Tripathi and P. Medini wrote the article, which S. Sato reviewed. All authors approved the final version to be published and can certify that no other individuals not listed as authors have made substantial contributions to the paper.


Concluding remarks and open questions

The expansion and folding of the mammalian cerebral cortex during embryonic development is a rather complex process regulated by multiple factors, where the abundance, type, and lineage of cortical progenitor cells play central roles. These cellular mechanisms are subject to molecular regulation by multiple proteins and signaling pathways, the expression of which is tightly controlled by a variety of enhancer elements and non-protein-coding genes. The specific spatial–temporal expression patterns of some of these proteins on the embryonic cortex faithfully map the prospective pattern of folds and fissures, and their mutation frequently leads to malformations of cortical size and folding in human patients. Yet, we are still far from identifying the specific role of these genes and their spatial–temporal regulation on the normal development of the human cerebral cortex.

Studying cortical development and folding across species helps us to understand the evolution of this complex process, and in return, we hope that this helps us to understand the aspects of cortical development critical to its expansion and folding during embryogenesis. Again, more and more refined molecular and genomic analyses are shedding some light on this problem, and emerging experimental animal models in this field like the ferret are of great help, but the truth is that we remain far from having a significant level of understanding.

Given the complexity of the developmental mechanisms involved in the expansion and folding of the cerebral cortex, and thus its tremendous cost in terms of genetic, cellular, and histogenic evolution, the ecological advantages must be more than remarkable. But what are the advantages of cortical folding? Clearly, a bigger cortex contains more neurons and more neuropile, and thus in principle, it provides greater computational power. Folding brings together highly interconnected cortical areas, thus minimizing cortical wiring and favoring high speed associational communication, ultimately optimizing brain circuitry (Klyachko & Stevens, 2003 ). However, the human cortex is neither the largest nor the most folded among mammals, as compared with elephants or dolphins, for example, and yet it is assumed that humans have a higher intelligence over any other earthly species. Are we really more intelligent than these other species? (Roth & Dicke, 2005 ) Or it is only that we have the advantage of speech and manual ability to express our intellectual abilities? Is there a trade-off between cortical size, folding, and intellectual performance? Modern humans and Neandertals co-existed until 30,000 years ago, but we persisted and the latter perished. Was there some critical (albeit small) disadvantage in the organization or folding of the Neandertal brain? Was their extinction related to a less competitive intelligence? Were their cortical circuits or synapses less efficient? With the genomes of Neandertal and modern humans at hand, the specific differences in their DNA sequence identified (Green et al, 2010 Prufer et al, 2014 ), in combination with novel in vitro models of human brain development like cerebral organoids (Lancaster et al, 2013 ), these fascinating questions may soon be approachable. Hopefully, our understanding of the mechanisms and consequences of cortical expansion and folding will be much deeper 25 years from now.


Bekijk de video: Boucles cortico-sous-cortico-corticales (December 2021).