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Duration tuning in the mammalian inferior colliculus (IC) is created by the interaction of excitatory and inhibitory synaptic inputs. We used extracellular recording and paired-tone stimulation to measure the strength and time-course of the contralateral inhibition and offset-evoked excitation underlying duration-tuned neurons (DTNs) in the IC of the awake bat. The onset time of a short, best duration (BD), excitatory probe tone was varied relative to the onset of a longer-duration, non-excitatory (NE) suppressor tone. Spikes evoked by the roving BD tone were suppressed or facilitated when the stationary NE tone was varied in frequency or amplitude. When the NE tone frequency was presented away from the cell’s best excitatory frequency (BEF) or at lower SPLs, the onset of inhibition was relatively constant whereas the offset and duration of inhibition decreased. Excitatory and inhibitory frequency response areas were measured and best inhibitory frequencies matched best excitatory frequencies; however, inhibitory bandwidths were broader than excitatory bandwidths. Excitatory rate-level and inhibitory suppression-level functions were also measured and the dynamic ranges and inflection points were similar, which is hypothesized to play a role in the level tolerance of responses measured from DTNs. We compared the latency of offset-locked facilitation to the onset or offset of inhibition as a function of frequency and amplitude; we found that the facilitation was more related to the onset of inhibition. Moreover, facilitation typically preceded the offset of inhibition – suggesting that it is a separate excitatory input to DTNs and not a rebound from inhibition. We conclude that DTNs receive inputs that generate and preserve temporal selectivity. / Dissertation / Doctor of Philosophy (PhD)

Résumé : Dans ce projet, un décodage neuronal bayésien est effectué sur le colliculus inférieur du cochon d'Inde. Premièrement, On lit les potentiels évoqués grâce aux électrodes et ensuite on en déduit les potentiels d'actions à l'aide de technique de classification des décharges des neurones. Ensuite, un modèle linéaire généralisé (GLM) est entraîné en associant un stimulus acoustique en même temps que les mesures de potentiel qui sont effectuées. Enfin, nous faisons le décodage neuronal de l'activité des neurones en utilisant une méthode d'estimation statistique par maximum à posteriori afin de reconstituer la représentation spectro-temporelle du signal acoustique qui correspond au stimulus acoustique. Dans ce projet, nous étudions l'impact de différents modèles de codage neuronal ainsi que de différentes représentations spectro-temporelles (qu'elles sont supposé représenter le stimulus acoustique équivalent) sur la précision du décodage bayésien de l'activité neuronale enregistrée par le système auditif central. En fait, le modèle va associer une représentation spectro-temporelle équivalente au stimulus acoustique à partir des mesures faites dans le cerveau. Deux modèles de codage sont comparés: un GLM et un modèle bilinéaire généralisé (GBM), chacun avec trois différentes représentations spectro-temporelles des stimuli d'entrée soit un spectrogramme ainsi que deux représentations bio-inspirées: un banc de filtres gammatones et un spikegramme. Les paramètres des GLM et GBM, soit le champ récepteur spectro-temporel, le filtre post décharge et l'entrée non linéaire (seulement pour le GBM) sont adaptés en utilisant un algorithme d'optimisation par maximum de vraisemblance (ML). Le rapport signal sur bruit entre la représentation reconstruite et la représentation originale est utilisé pour évaluer le décodage, c'est-à-dire la précision de la reconstruction. Nous montrons expérimentalement que la précision de la reconstruction est meilleure avec une représentation par spikegramme qu'avec une représentation par spectrogramme et, en outre, que l'utilisation d'un GBM au lieu d'un GLM augmente la précision de la reconstruction. En fait, nos résultats montrent que le rapport signal à bruit de la reconstruction d'un spikegramme avec le modèle GBM est supérieur de 3.3 dB au rapport signal à bruit de la reconstruction d'un spectrogramme avec le modèle GLM. / Abstract : In this project, Bayesian neural decoding is performed on the neural activity recorded from the inferior colliculus of the guinea pig following the presentation of a vocalization. In particular, we study the impact of different encoding models on the accuracy of reconstruction of different spectro-temporal representations of the input stimulus. First voltages recorded from the inferior colliculus of the guinea pig are read and the spike trains are obtained. Then, we fit an encoding model to the stimulus and associated spike trains. Finally, we do neural decoding on the pairs of stimuli and neural activities using the maximum a posteriori optimization method to obtain the reconstructed spectro-temporal representation of the signal. Two encoding models, a generalized linear model (GLM) and a generalized bilinear model (GBM), are compared along with three different spectro-temporal representations of the input stimuli: a spectrogram and two bio-inspired representations, i.e. a gammatone filter bank (GFB) and a spikegram. The parameters of the GLM and GBM including spectro-temporal receptive field, post spike filter and input non linearity (only for the GBM) are fitted using the maximum likelihood optimization (ML) algorithm. Signal to noise ratios between the reconstructed and original representations are used to evaluate the decoding, or reconstruction accuracy. We experimentally show that the reconstruction accuracy is better with the spikegram representation than with the spectrogram and GFB representation. Furthermore, using a GBM instead of a GLM significantly increases the reconstruction accuracy. In fact, our results show that the spikegram reconstruction accuracy with a GBM fitting yields an SNR that is 3.3 dB better than when using the standard decoding approach of reconstructing a spectrogram with GLM fitting.

La fovéa est la seule zone de la rétine où l’acuité visuelle est maximale. Les mécanismes qui visent à déterminer à quels endroits vont avoir lieu les prochaines fixations restent débattus. Certains auteurs suggèrent que les yeux sont principalement attirés par les zones les plus saillantes de la scène. D’autres suggèrent qu’ils sont orientés vers les objets. Les propriétés du système oculomoteur contraignent également les mouvements oculaires. L’objectif de cette thèse était de départager ces différents points de vue en examinant la contribution respective et le décours temporel des facteurs visuo-moteurs de bas niveau et des facteurs cognitifs de plus haut niveau dans la détermination des mouvements oculaires. Nous nous sommes focalisés sur trois phénomènes comportementaux clés : la tendance à bouger les yeux à proximité du centre des objets (Prefered-Viewing Location), les répercussions qu’ont ces positions d’atterrissage sur les durées initiales des fixations (Inverted Optimal-Viewing-Position) et les probabilités de refixation (Optimal-Viewing-Position). Nous avons observé que ces trois effets émergeaient, et ce, quel que soit le type de stimulus testé: des objets, des mots ou des objets sans signification. Cela suggère que ces effets reflètent les propriétés de bas niveau des systèmes visuel et oculomoteur. Par ailleurs, nous avons observé que l’endroit où les yeux atterrissaient au sein de l’objet était également influencé au fil du temps par les traitements de plus haut-niveau des propriétés du stimulus. Les saccades initiées plus tardivement atterrissaient plus proches de la zone la plus informative de l’objet. / High-quality vision is restricted to the fovea - a small region at the center of gaze. The mechanisms that determine which locations in a scene are selected for fixation remain debated. Some suggest that eye movements are mainly driven by the salient features in a scene. Others suggest that eye guidance is object based. The properties of the oculomotor system also strongly constrain eye behavior, but these have been neglected in most existing models. The purpose of this thesis was to disentangle between these different views, by investigating how low-level visuomotor factors versus higher-level cognitive factors contribute to eye movements towards and within isolated objects, and with which time course. We focused on three viewing-position effects: the tendency to move the eyes near the centers of objects (the PVL effect), and the repercussions these initial landing positions have on initial fixation durations (the I-OVP effect) and refixation probabilities (the OVP effect). We found that these three viewing-position effects emerged, and were comparable, in all stimulus types that we tested in this thesis: objects, words and even meaningless non-objects. This suggests that the effects reflect low-level properties of the visual and oculomotor systems. Furthermore, we found that where the eye moved within objects became influenced by ongoing processing of higher-level stimulus properties (e.g., object affordances) over time. Later- compared to early-triggered initial saccades, and even more so within-object refixations, were biased towards the most informative part of the objects, and away from their center of gravity.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les neurones des couches superficielles du collicule supérieur et du cortex visuel primaire du rat adulte sont sensibles à de basses fréquences spatiales de haut contraste défilant à des vitesses élevées. Entre les jours post-nataux 27-30 et l’âge adulte, les fréquences temporelles optimales des neurones du cortex visuel primaire augmentent, tandis que leurs seuils de contraste diminuent. Cependant, les fréquences spatiales optimales, les valeurs de résolution spatiale et les bandes passantes spatiales de ces neurones sont, dès l’ouverture des paupières, similaires à celles observées chez le rat adulte. Ces profils de réponse neuronale suggèrent que les projections rétino-colliculaires et rétino-géniculo-corticales sont essentiellement issues de neurones ganglionnaires rétinofuges magnocellulaires et koniocellulaires. Les neurones du cortex visuel primaire du rat ayant subi des convulsions hyperthermiques présentent, dès l’ouverture des paupières, de basses fréquences spatiales optimales, de larges bandes passantes directionnelles et temporelles ainsi que des seuils de contraste élevés par rapport aux neurones du rat normal. À l’âge adulte, de basses fréquences temporelles optimales et de larges bandes passantes spatiales sont également observées chez le rat ayant subi des convulsions hyperthermiques. L’altération des profils de réponse des neurones du cortex visuel primaire du rat ayant subi de convulsions hyperthermiques suggère un déséquilibre entre les mécanismes neuronaux excitateurs et inhibiteurs de cette aire corticale. Ces résultats suggèrent également qu’un épisode unique de convulsions fébriles infantiles suffit à altérer le développement des propriétés spatio-temporelles des champs récepteurs des neurones du cortex visuel primaire. / Neurons in superficial layers of the rat superior colliculus and primary visual cortex are sensitive to highly contrasted low spatial frequencies drifting at fast speeds. Between post-natal days 27-30 and adulthood, the optimal temporal frequencies of neurons in the primary visual cortex increase, whereas their contrast thresholds decrease. However, the optimal spatial frequencies, spatial resolution values and spatial bandwidths of these neurons are, soon after eyelid opening, similar to those observed in the adult rat. These neuronal response profiles suggest that the retino-collicular and retino-geniculo-cortical projections are mainly innervated by magnocellular and koniocellular retinal ganglion cells. Neurons in the primary visual cortex of rats having experienced hyperthermic seizures are, soon after eyelid opening, sensitive to low optimal spatial frequencies and show broad directional and temporal bandwidths, as well as elevated contrast thresholds when compared to neurons of normal rats. At adulthood, low optimal temporal frequencies and broad spatial bandwidths are also observed in rats having experienced hyperthermic seizures. The alteration of response profiles of neurons in the primary visual cortex of rats having experienced hyperthermic seizures suggests an unbalance between excitatory and inhibitory mechanisms in this cortical structure. These results also suggest that a single episode of febrile seizures could be sufficient to impede the development of the spatio-temporal receptive field properties of neurons in the primary visual cortex.

Spontaneous travelling waves of neuronal activity are a prominent feature throughout the developing brain and have been shown to be essential for achieving normal function, but the mechanism of their action on post-synaptic connections remains unknown. A well-known and widespread mechanism for altering synaptic strengths is spike-timing dependent plasticity (STDP), whereby the temporal relationship between the pre- and post-synaptic spikes determines whether a synapse is strengthened or weakened. Here, I answer the theoretical question of how these two phenomenon interact: what types of connectivity patterns can emerge when travelling waves drive a downstream area that implements STDP, and what are the critical features of the waves and the plasticity rules that shape these patterns? I then demonstrate how the theory can be applied to the development of the visual system, where retinal waves are hypothesised to play a role in the refinement of downstream connections. My major findings are as follows. (1) Mathematically, STDP translates the correlated activity of travelling waves into coherent patterns of synaptic connectivity; it maps the spatiotemporal structure in waves into a spatial pattern of synaptic strengths, building periodic structures into feedforward circuits. This is analogous to pattern formation in reaction diffusion systems. The theory reveals a role for the wave speed and time scale of the STDP rule in determining the spatial frequency of the connectivity pattern. (2) Simulations verify the theory and extend it from one-dimensional to two-dimensional cases, and from simplified linear wavefronts to more complex realistic and noisy wave patterns. (3) With appropriate constraints, these pattern formation abilities can be harnessed to explain a wide range of developmental phenomena, including how receptive fields (RFs) in the visual system are refined in size and topography and how simple-cell and direction selective RFs can develop. The theory is applied to the visual system here but generalises across different brain areas and STDP rules. The theory makes several predictions that are testable using existing experimental paradigms.

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La stimulation à haute fréquence (SHF) du noyau sous-thalamique (NST) permet de traiter l'ensemble des symptômes moteurs de la maladie de Parkinson (MP), mais aussi d'atténuer l'apparition les dyskinésies L-Dopa induites, grâce notamment à une réduction massive, voire complète, des prises de L-Dopa chez les patients stimulés. Toutefois, les mécanismes in fine qui sous-tendent l'efficacité thérapeutique de la SHF du NST chez l'homme ne sont pas encore élucidés, tout comme les possibles interactions pouvant exister entre les effets induits par la SHF du NST et ceux (synergiques ou non) d'un traitement à la L-DOPA.<br />Notre travail a porté principalement sur l'animal anesthésié, sain ou hémiparkinsonien, traité de manière chronique ou aiguë à la L-Dopa, et soumis ou non à la SHF du NST. Dans une première partie expérimentale, nous avons analysé chez le rat sain les modifications neurochimiques (variations des contenus en glutamate et en GABA mesurées par microdialyse intracérébrale) induites par la SHF du NST sur des structures situées à distance du NST mais impliquées directement ou indirectement dans les circuits moteurs, comme la region Fr3 du cortex moteur, le colliculus supérieur et le noyau ventro-médian du thalamus.Dans une deuxième partie, nous avons essayé de déterminer si la SHF du NST pouvait modifier la réponse à la L-Dopa (suite à un traitement chronique ou aigu) sur les contenus en dopamine (et ses métabolites DOPAC et HVA), en glutamate et en GABA. Les principaux résultats obtenus mettent en exergue une interaction synergique entre les effets d'une injection unique de L-Dopa et ceux induits par la SHF du NST. En effet, il apparaît que cette stimulation stabilise les taux élevés de dopamine suite au traitement L-Dopa, retardant ainsi son métabolisme. Ces résultats pourraient donc apporter de arguments intéressants concernant les effets bénéfiques de la SHF du NST observés chez les malades parkinsoniens, notamment dans la stabilisation des fluctuations motrices. <br />Les données obtenues au cours de ce travail doctoral apportent de nouveaux arguments pour la compréhension des mécanismes de la SHF du NST, et amènent de nouvelles perspectives justifiant l'intérêt thérapeutique de la SHF dans la maladie de Parkinson.