on contrast adaptation and normalization in the - ETH E

DISS. ETH NO. 23057
ON CONTRAST ADAPTATION AND NORMALIZATION
IN THE PRIMARY VISUAL CORTEX
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
ANDREAS JAKOB KELLER
MSc ETH Physics
born on 03.12.1985
citizen of
Amriswil TG
accepted on the recommendation of
Kevan A. C. Martin
Fritjof Helmchen
Botond Roska
2015
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ZUSAMMENFASSUNG
Sensorische Neuronen signalisieren die Zunahme der Intensität eines Stimulus (Licht,
Schall, Berührungen, etc.) mit der Erhöhung der Rate mit der sie Aktionspotentiale
produzieren. Die Spannweite der Intensitäten, die in der Natur vorkommen, ist
normalerweise gross und Neuronen können nicht
mehr
als einige
hundert
Aktionspotentiale pro Sekunde abfeuern, deshalb kann ein ‘Raten-Code’ nur eine
limitierte Spannweite der Intensitäten des Stimulus abdecken. Im visuellen Kortex wird
diese Limitation durch einen Mechanismus überwunden, der die abgedeckte Spannweite
der Neuronen langsam verschiebt und dem durchschnittlichen Kontrast der visuellen
Umgebung anpasst. Erhöht sich der Kontrast in der Umgebung, antworten die Neuronen
mit einer schnellen Erhöhung der Feuerrate, die dann langsam wieder abnimmt während
der Kontrast stark bleibt. Wie dieser letztere Prozess, den man ‘Kontrastadaptation’
nennt, funktioniert, ist unbekannt. Indem wir die Aktivität vieler Neuronen mit optischen
Methoden aufgezeichnet haben, haben wir entdeckt, dass lokale Netzwerke von
Neuronen gemeinsam eine viel grössere Spannweite von Kontrasten abdecken als
individuelle Neuronen. Während die meisten Neuronen im visuellen Kortex der Katze als
Antwort auf eine aufrechterhaltene Erhöhung des Kontrasts adaptieren, zeigen zwei
GABA-Zelltypen
(i.e.
vermeintlich
inhibitorisch)
keine
Adaptation,
jedoch
paradoxerweise eine Erhöhung ihrer Feuerrate. Diese GABA-Neuronen könnten folglich
die inhibitorischen Elemente im Netzwerk sein, die die Reduktion der Feuerrate anderer
Neuronen verursachen. Wir haben dann den primären visuellen Kortex der Maus als
Modellsystem für Kontrastadaptation etabliert und haben gezeigt, dass Adaptation ein
kortikaler Prozess ist. Wir haben gezeigt, dass Neuronen, die im anästesierten Tier
adaptieren im wachen unbeschäftigten Tier ihre Aktiviät beibehalten. Zudem werden
wesentliche Bruchteile der Neuronen von dem Stimulus underdrückt und verringern ihre
Aktiviät gegenüber der spontanen Feuerrate. Schluessendlich haben wir gezeigt, dass
Kontrastadaptation wiederauftritt, wenn die Mäuse sich einer Aufgabe widmen und dabei
lernen die visuelle Information ausserhalb des Teststimulus zu verwenden. Wir haben
konnten nachweisen, dass die Kontrastadaptation im wachen Tier moduliert wird, und
spekulieren, dass dies durch höhere Hirnfunktionen, wie die Relevanz des Stimulus oder
Aufmerksamkeit des Tiers, auftritt.
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SUMMARY
Sensory neurons signal increases in the intensity of a stimulus (light, sound, touch etc.)
by increasing the rate at which they produce action potentials (spikes). Since the range of
intensities encountered in nature is typically wide and neurons cannot fire at rates higher
than a few hundred spikes per second, ‘rate coding’ alone can only represent a limited
range of stimulus intensities. In the visual cortex, this limitation is overcome by a
mechanism that slowly shifts the operating range of neurons to match the mean contrast
of the visual scene. If the contrast of the scene increases, the neurons respond by rapidly
increasing their rate of spiking, but then slowly decrease their rate if the contrast stays
high. How this latter phenomenon, called ‘contrast adaptation’, works is unknown. By
optically recording many neurons simultaneously, we discovered that networks of
neurons collectively code for a much wider range of contrasts than individual neurons.
While most neurons in the cat’s visual cortex adapt their firing rate in response to
increases in contrast, two types of GABAergic (i.e. putative inhibitory) neurons show no
adaptation, but paradoxically increase their firing rate. These GABAergic neurons could
thus be the inhibitory elements in the circuit that cause other neurons to reduce their
firing. We then established mouse primary visual cortex as a model system to study
contrast adaptation, and showed that adaptation is a cortical phenomenon. We showed
that neurons that adapt under anesthesia maintain their activity in the non-engaged
mouse. Moreover, substantial fractions of neurons are suppressed by the stimulus and
decrease their activity from baseline. Finally, we showed that adaptation reappears if the
mice are engaged in a task and learn to use visual information away from the probe
stimulus. We have demonstrated that cortical contrast adaptation is modulated in the
awake animal, and we speculate that this might occur via a top-down mechanism such as
the relevance of a stimulus or attention.