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Title: Orientation selectivity in cat and agouti primary visual cortex as reflected in firing rates, LFP gamma oscillations and phase relationships
Authors: Patriota, João Henrique Nascimento
Keywords: Gato;Cutia;V1;Preferência de orientação;Mapas corticais;Gamma
Issue Date: 28-Feb-2019
Citation: PATRIOTA, João Henrique Nascimento. Orientation selectivity in cat and agouti primary visual cortex as reflected in firing rates, LFP gamma oscillations and phase relationships. 2019. 55f. Dissertação (Mestrado em Neurociências) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2019.
Portuguese Abstract: Embora várias ordens de mamíferos tenham neurônios seletivos por orientação, esses neurônios podem ser organizados em diferentes arranjos corticais. Um exemplo proeminente é o mapa de preferência de orientação colunar encontrado em carnívoros (gatos, furões, musaranhos de árvores) e todos os primatas (por exemplo, humanos, macacos, lêmures de rato) estudados até agora, em oposição aos arranjos aparentemente aleatórios comumente referidos como configurações de sal e pimenta, observados em roedores. A seletividade da orientação é geralmente deduzida da atividade de disparos neuronais induzida por estímulos. No entanto, também tem sido observado em oscilações do potencial de campo local (LFP), especialmente na banda Gama. Em várias das espécies que expressam um mapa colunar, a orientação preferencial da atividade de disparos e a potência gama são semelhantes. Isto é compatível com a interpretação de que a atividade das amostras de LFP são provenientes de áreas corticais contíguas que respondem à mesma orientação. Os disparos podem ser fortemente fixados a certas fases das oscilações do LFP, e pensa-se que estas últimas não só estabelecem janelas temporais que coordenam a atividade de disparos das populações neuronais locais, mas também permitem a comunicação entre populações neuronais distantes. Assim, colocamos a hipótese de que um arranjo funcional colunar/não-colunar também pode ser refletido em interações disparo-campo. Na presente dissertação, examinamos disparos e oscilações do LFP na banda gama baixa (low-γ) de +/-30-50 Hz obtidos de múltiplas gravações paralelas no córtex visual durante a estimulação de grade em dois representantes de ordem mamífera com tamanho V1 semelhante, mas com diferentes layouts funcionais - o gato doméstico para carnívoros e o agouti amazônico para roedores. Anteriormente, observamos que embora os agoutis possuam neurônios seletivos a orientação, eles não expressam colunas como os gatos. Correlacionamos a preferencia de orientação dos disparos com a potência do low-γ do mesmo eletrodo. Essa análise revelou que as unidades que exibem tanto a seletividade de orientação em disparos quanto a potência do low-γ (OSI > 0,1) apresentam preferência semelhante nos gatos (n = 95, correlação circular = 0,56, p = 1,44e-12), mas muito menos em agouti (n = 39, correlação circular = 0,40, p = 0,0067). Além disso, avaliamos se a atividade de pico de unidade única é coordenada com o LFP na faixa gama registrada do eletrodo como refletida em eventos de fase bloqueada. Em gatos, os eventos fixados em fase freqüentemente ocorriam de forma seletiva de orientação e com orientação semelhante à da atividade de disparos (n = 33, correlação circular = 0.57, p = 0,0035). Em contraste, agouti apresentou poucos eventos fixados por fases e estes não estavam correlacionados com a seletividade da orientação por pico (n = 6, coeficiente de correlação circular = 0.11, p = 0.79). Nossos resultados suportam a noção de que a coordenação dos disparos e a potência em gama no LFP em gatos pode estar relacionada ao seu layout colunar ordenado. Na mesma linha de argumentação, propomos que a menor semelhança entre o spiking e a preferência em gama e a falta de eventos seletivos fixados em fases em agouti refletem uma menor ou ausente organização da preferência de orientação em um layout colunar contíguo nesta espécie.
Abstract: Even though several mammalian orders have orientation-selective neurons, these neurons can be organized in different functional cortical layouts. A prominent example is the columnar orientation preference map found in carnivores (cats, ferrets, tree shrews) and all primates (e.g. human, macaque, mouse lemur) studied so far, as opposed to the seemingly random arrangements commonly referred to as salt-and-pepper configurations, observed in rodents. Orientation selectivity is generally deduced from stimulus-driven spiking activity. However, it has also been observed in oscillations of the local field potential (LFP), especially in the gamma band. In several of the species expressing a columnar map, preference orientation of spiking activity and gamma power are similar. This is compatible with the interpretation that the LFP samples activity from contiguous cortical patches responding to the same orientation. Spikes can be strongly locked to certain phases of LFP oscillations, and the latter are thought to not only establish temporal windows coordinating spiking activity of local neuronal populations but to also enable communication between distant neuronal populations. We thus hypothesized that a columnar/non-columnar functional layout might also be reflected in spike-field interactions. In the present thesis, we examined spikes and LFP oscillations in the low gamma (low-γ) band of +/-30-50 Hz obtained from multiple parallel recordings in visual cortex during grating stimulation in two representatives of different mammalian order and similar V1 size but different functional layouts – the domestic cat for carnivores, and the Amazonian agouti for rodents. Previously, we observed that although agoutis possess orientation selective neurons they do not express columns as cats do. We correlated the orientation tuning of spikes with that of the low-γ power of the same electrode. This analysis revealed that units exhibiting both orientation selectivity in spikes and LG power (OSI > 0.1) exhibit similar preference in cats (n = 95, circular correlation = 0.56, p = 1.44e-12), but much less in agouti (n = 39, circular correlation = 0.40, p = 0.0067). Further, we evaluated if single unit spiking activity is coordinated with the LFP in the Gamma range recorded from the electrode as reflected in phase-locked events. In cats, phase-locked events frequently occurred in an orientation selective manner and with similar orientation preference as the spiking activity (n = 33, circular correlation = 0.57, p = 0.0035). In contrast, agouti showed only very few phase-locked events and those were not correlated with spike orientation selectivity (n = 6, circular correlation coefficient = 0.1093, p = 0.78756). Our results support the notion that the coordination of spiking and LFP gamma power in cats could be related to their orderly columnar layout. Along the same line of argumentation, we propose that the lower similarity of spike and gamma tuning and the lack of selective phase-locked events in agouti reflects a lesser or absent organization of orientation preference in a contiguous columnar layout in this species.
URI: https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/26869
Appears in Collections:PPGNEURO - Mestrado em Neurociências

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