Studio della codifica neurale nella corteccia visiva primaria del ratto

Rodents are becoming increasingly popular models for the integrative study of the neural circuits underlying vision. To lay solid foundations for such investigations, a crucial step is the reconstruction of the receptive field (RF) spatiotemporal structure of neurons in primary visual cortex (V1), which is the first step in the cortical processing chain of visual information. Reverse correlation approaches, such as Spike Triggered Average (STA) and Spike Triggered Covariance (STC), have been successfully applied for this purpose in monkeys, cats, and, more recently, mice, but never in rats. These methods allow to probe visual neurons with random spatiotemporal luminance patterns (either white or structured noise) to infer the RF transfer function (or filter) underlying the unit's stimulus-response relationship. In our study, we first explored the impact of various experimental parameters on the ability of STA and STC to accurately retrieve the RF structure of simulated neurons. Subsequently, we performed neuronal recordings from anesthetized animals, passively exposed to Gaussian noise. Our experiments revealed a variety of RF spatiotemporal structures. In addition to simple-, complex- and end-stopped-like patterns, we also found a previously undocumented time evolution in the RF structures, in the guise of spatiotemporal inseparability and multiple inversions of excitatory and inhibitory lobes. These result speaks to the complexity of the computations performed by rat V1 neurons, going beyond what previous rodent studies have shown and highlighting the potential of rats as suitable test cases to investigate fundamental aspects of visual processing.

I roditori vengono ormai sempre più frequentemente adottati come modelli animali per lo studio integrativo dei circuiti neurali sottesi alla visione. Al fine di gettare solide basi per tali ricerche, un passo cruciale è la ricostruzione della struttura spazio-temporale dei campi recettivi (receptive fields o RF) dei neuroni appartenenti alla corteccia visiva primaria (V1) di questi animali, la quale costituisce il primo stadio nella catena corticale di elaborazione dell'informazione visiva. Approcci basati sulla correlazione inversa, quali la Spike Triggered Average (STA) e la Spike Triggered Covariance (STC), sono stati applicati con successo a questo problema nei primati, nei gatti e, più di recente, nei topi, ma non sono mai stati applicati ai ratti. Tali metodi consentono di sondare i neuroni visivi con pattern spazio-temporali casuali di luminanza (rumore bianco o strutturato) per inferire la loro funzione di trasferimento, ossia di stimare il filtro sotteso alla relazione stimolo-risposta dell'unità considerata, interpretabile come il suo campo recettivo. Nel presente studio ho dapprima esplorato l'influenza di vari parametri sperimentali sull'abilità della STA e STC di restituire accuratamente la struttura dei receptive field di neuroni simulati. Successivamente, ho eseguito registrazioni extracellulari di attività neuronale in animali anestetizzati, esposti passivamente a video di rumore Gaussiano da me prodotti. Questi esperimenti hanno rivelato una grande ricchezza e varietà nelle strutture spazio-temporali dei campi recettivi ricostruiti. Oltre a pattern del tipo ¿simple¿, ¿complex¿ e ¿end-stopped'¿, ho raccolto evidenze di inseparabilità nella evoluzione temporale delle strutture di RF con inversioni multiple dei relativi lobi eccitatori ed inibitori. Questo comportamento non era mai stato documentato in precedenza nel ratto. Tali risultati illustrano la complessità delle computazioni svolte dai neuroni della corteccia visiva primaria di questi animali, una complessità che va ben oltre quanto rivelato da precedenti studi sui roditori. Il lavoro descritto in questa tesi mette in luce il potenziale del ratto come modello animale per investigare i meccanismi fondamentali dell'elaborazione neurale dell'informazione visiva.