A Rewarding View on the Mouse Visual Cortex. Effects of

A Rewarding View on the Mouse Visual Cortex. Effects of Associative Learning
and Cortical State on Early Visual Processing in the Brain
P.M. Goltstein
Proefschrift samenvatting in het Nederlands. Geschreven door Pieter M. Goltstein
ZICHT OP DE VISUELE CORTEX VAN DE MUIS
Effecten van associatief leren en algehele veranderingen in de alertheids-status van de
neocortex op initiële visuele verwerking in het brein
Wanneer we naar iets kijken, valt visuele informatie in de vorm van lichtdeeltjes (of
lichtgolven; fotonen) op de retina in het oog. Via de oogzenuw en de visuele thalamus
(Laterale geniculate nucleus; LGN) wordt deze informatie in gecomprimeerde vorm
doorgegeven aan de cerebrale hersenschors (neocortex) waar het in meer detail verwerkt
wordt. Het neocorticale hersengebied waar zulke informatie binnenkomt heet de primaire
visuele cortex. In dit gebied hebben de eerste bewerkingen van visuele informatie plaats door
hersencellen (neuronen). Deze neuronen kunnen door middel van synaptische plasticiteit, het
aanpassen van de sterkte van hun onderlinge connectiviteit, veranderen in de manier waarop
ze de visuele informatie coderen. Hoewel de cellen in deze ‘initiële’ gebieden van de
neocortex niet per sé het eindstadium van visuele verwerking zijn, kunnen ze, juist omdat ze
bij de eerste verwerkingsstadia betrokken zijn, een grote invloed uitoefenen op de
uiteindelijke perceptie. Het centrale doel van dit proefschrift is om bij te dragen aan een beter
begrip van hoe de dagelijkse routines van ‘zien’, ‘ervaren’ en ‘leren’ van invloed zijn op de
hersencircuits die het sensorische deel van deze taken in eerste instantie uitvoeren.
In de inleiding van dit proefschrift wordt een algemene beschrijving gegeven van hoe beelden
uit de wereld om ons heen gerepresenteerd worden door neuronale activiteit van de cellen in
de visuele cortex. Hierbij wordt bijvoorbeeld ook aandacht gegeven aan de mogelijkheid dat
neuronen in de visuele cortex gemoduleerd kunnen worden door aandacht en/of alertheid, en
dat er ook op lange termijn veranderingen in informatie verwerking kunnen optreden als iets
nieuws geleerd wordt. Omdat de studies in dit proefschrift met muizen zijn uitgevoerd is er in
de inleiding specifiek aandacht gegeven aan de verschillen en overeenkomsten tussen de
visuele systemen van muis en mens. In de experimenten die in dit proefschrift worden
beschreven wordt veel gebruik gemaakt van de techniek ‘twee-fotonen microscopie’ dat een
plaatje of film van de biologische situatie binnenin de neocortex kan construeren, en daarmee
ook de activiteit en locatie van grote groepen hersencellen kan meten. Deze techniek en de
bijbehorende mogelijkheden worden in het laatste deel van de inleiding behandeld.
Het experimentele werk in dit proefschrift is gericht om antwoord te geven op de vraag hoe
leerervaringen en onze interne staat invloed kunnen uitoefenen op de manier waarop de
hersenen sensorische informatie representeren. In het eerste experimentele hoofdstuk (2)
onderzoeken we hoe verwerking van visuele informatie in de neurale circuits van de visuele
cortex verandert als een visuele stimulus geassocieerd is met een positieve ervaring, zoals het
krijgen van een beloning. Om dit te bewerkstelligen hebben we eerst een
conditioneringskamer voor muizen gebouwd. In deze ruimte was, achter een bakje waar
automatisch een stukje voedsel in kon vallen, een videoscherm zo geplaatst dat de muis deze
goed kon zien. Een visuele stimulus werd vervolgens met het verkrijgen van een beloning
geassocieerd, door na de presentatie van een bepaald visueel lijnen patroon (met bijvoorbeeld
een horizontale oriëntatie) altijd een voedsel stukje te geven. Na de presentatie van een ander
controle patroon (met bijvoorbeeld een verticale oriëntatie) werd echter nooit iets gegeven.
Deze procedure werd dagelijks herhaald totdat de muizen de associatie tussen de oriëntatie
van het lijnen patroon en de beloning geleerd hadden.
Vervolgens werd door middel van twee-fotonen microscopie onder anesthesie onderzocht hoe
de cellen in de primaire visuele cortex op deze lijnen patronen regeerden. Cellen in dit
hersengebied hebben over het algemeen één oriëntatie waar ze het beste op reageren, de
voorkeursoriëntatie. Tot onze verassing bleek er geen groot verschil in het aantal cellen dat de
geconditioneerde oriëntatie als voorkeursoriëntatie had en de aantallen cellen die andere
oriëntaties prefereerden. Wat wel veranderd was, was dat de cellen die een
voorkeursoriëntatie hadden die niet exact gelijk was aan de geconditioneerde oriëntatie, maar
ook niet al te verschillend hiervan, over het algemeen op sterker op de geconditioneerde,
beloonde oriëntatie reageerden. Verder bleken deze cellen met een voorkeursoriëntatie die
grofweg hetzelfde was als de met beloning geassocieerde oriëntatie, vaker in paren (groepjes
van twee) voor te komen in de visuele cortex. De voornaamste conclusie van deze studie was
dat het leren van een associatie tussen een visuele stimulus en het verkrijgen van een beloning,
een specifiek effect heeft op de cellen die de geassocieerde stimulus verwerken, zelfs al op
het niveau van initiële informatieverwerking in de primaire visuele cortex.
In het tweede experimentele hoofdstuk (3) wordt dieper in gegaan op twee vragen: 1. Is de
neuronale representatie van geconditioneerde visuele stimuli in primaire sensorische
netwerken kwalitatief anders vergeleken met de representatie van niet geassocieerde stimuli?
2. Leidt het associëren van verschillende locaties in het visuele zichtveld tot een verschuiving
van de algehele ruimtelijke organisatie in de visuele cortex? Hiertoe werden muizen getraind
om de locatie, maar niet de oriëntatie, van een visueel lijnen patroon te associëren met
beloning. Als het patroon, met bijvoorbeeld een horizontale oriëntatie, in één specifieke
locatie werd getoond, werd dit altijd door een kleine hoeveelheid vanille vla gevolgd, terwijl
wanneer hetzelfde horizontaal georiënteerde lijnen patroon in een nabijgelegen deel van het
visuele zichtveld werd getoond, er nooit een beloning volgde.
Intrinsieke optische signalen in het brein kunnen een indicatie geven van middelgrote
activatie-regio’s in een hersengebied. Door deze signalen met een camera in beeld te brengen
kan worden vastgelegd in hoeverre er overlap is tussen bijvoorbeeld het gebied dat de metbeloning-geassocieerde stimulus verwerkt en het gebied dat de niet-met-beloninggeassocieerde stimulus verwerkt. Door deze overlap op verschillende tijdspunten te meten,
namelijk voor aanvang van de conditionering, na 6 dagen van conditionering en na 12 – 17
dagen van conditionering, konden we aantonen dat de activatie patronen van
geconditioneerde visuele stimuli in de beloonde en niet beloonde stimulus locaties minder
overlap vertoonden in de visuele cortex. De hersenen leken dus op deze middelgrote schaal
beter onderscheid te maken tussen de geconditioneerde stimuli.
Na de laatste conditioneringssessie werd middels twee-fotonen microscopie onder anesthesie
gekeken in hoeverre kleine groepjes van individuele hersencellen, door met elkaar samen te
werken, de locatie van de geconditioneerde lijnen patronen beter konden onderscheiden. Dit
werd vergeleken met hoe dezelfde neuronen onderscheid maakten tussen lijnen patronen in
dezelfde locaties, maar die een oriëntatie hadden die de muis nog niet eerder had gezien. Het
bleek dat, in de muizen die in de conditioneringssessies het meest duidelijk lieten zien dat ze
de geconditioneerde associatie begrepen hadden, de neuronen ook beter waren in het
onderscheiden van de locatie van de geconditioneerde lijnpatronen, vergeleken met neuronen
in slechter presterende muizen. Individuele hersencellen verschilden van elkaar in hoe ze op
de geconditioneerde visuele stimuli reageerden, maar in het algemeen bleek dat neuronen
sterker reageerden op de stimulus oriëntaties die belangrijk waren tijdens conditionering.
Door in meer detail te analyseren hoe de cellen met elkaar samenwerkten tijdens het
verwerken van de gepresenteerde visuele stimuli vonden we indicaties dat de cellen inderdaad
beter met elkaar samenwerkten wanneer het ging om de geconditioneerde visuele stimulus
oriëntaties. De conclusie van deze studie was dat het leren van de relatie tussen een visuele
stimulus en het verkrijgen van een beloning, het onderscheid tussen de met-beloninggeassocieerde stimulus en andere niet relevante stimuli verbetert. Deze effecten werden
gevonden op zowel het niveau van individuele cellen, het niveau van kleine groepjes cellen
en op het niveau van globale activatie patronen.
In het laatste experimentele hoofdstuk (4) wordt de vraag gesteld wat voor een invloed een
verandering in algehele hersenstatus, bijvoorbeeld het verschil tussen wakker zijn of onder
anesthesie zijn, heeft op de activatie patronen van individuele cellen en kleine groepen van
samenwerkende cellen in de visuele cortex. In dit experiment werd, middels twee-fotonen
microscopie, de activiteit van groepen cellen in de visuele cortex gemeten, zowel tijdens het
presenteren van bewegende georiënteerde lijnpatronen, als tijdens een periode voorafgaand
hieraan waarin geen visuele stimuli getoond werden. Dit experiment werd één keer
uitgevoerd onder anesthesie, en één keer wanneer de muis wakker was en op een miniatuur
loopbandje stond. De volgorde van de experimenten was willekeurig bepaald in verschillende
dieren. Omdat twee-fotonen microscopie de cellen direct in beeld brengt konden we twee keer
exact dezelfde cellen vinden en meten in de hersenen; iets dat veel lastiger is met andere
technieken.
In dit experiment vonden we dat, in absentie van visuele stimuli, activiteitspatronen van
neuronen gemeten onder anesthesie veel sterker met elkaar samen hingen dan dat ze in
wakkere muizen deden. Dit was vooral zichtbaar als een sterke samenhang van activiteit in
een lage frequentie band (0.5 – 1 Hz), alsof de activiteit van cellen gesynchroniseerd was met
één dominant ritme. De manier waarop cellen de oriëntatie van visuele stimuli codeerden was
niet beïnvloed, maar de selectiviteit van individuele cellen voor de specifieke richting van
beweging (van lijnenpatronen die de voorkeursoriëntatie van de onderzochte cellen hadden)
was wel verminderd. Tot onze verassing was de vermindering van selectiviteit niet het gevolg
van een lagere respons sterkte van cellen onder anesthesie, maar juist het omgekeerde. Cellen
reageerden sterker op de niet dominante bewegingsrichting, maakten daarom in hun activiteit
minder onderscheid tussen de dominante en niet dominante bewegingsrichting en hadden dus
een lagere richtingsselectiviteit. Er bleek verder geen relatie tussen, aan de ene kant de
versterkte activiteits-samenhang van neuronen, en aan de andere kant de reductie in
bewegingsrichting selectiviteit. Dit kwam mede doordat de samenhang van neuronale
activiteit tijdens het presenteren van visuele stimuli onder anesthesie nauwelijks verschilde
van de samenhang gemeten in de wakkere toestand. De algemene conclusie van dit
experiment was dat de activiteitspatronen in de primaire visuele cortex worden beïnvloed
door processen die kunnen verschillen als gevolg van de algehele staat van het brein
(bijvoorbeeld alertheid of onder anesthesie) en dat activiteit in de visuele cortex dus niet
exclusief verklaard kan worden door een eenvoudige directe representatie van visuele
patronen die op de retina vallen.
In het laatste hoofdstuk (5) van dit proefschrift, de discussie, worden de resultaten van de
experimentele hoofdstukken in een bredere context geplaatst, om zo een completer beeld te
kunnen geven van hoe leerervaringen en de algehele staat van de cortex van invloed zijn op
de verschillende functies waarin het visuele systeem voorziet. Zoals aangetoond in de
experimentele hoofdstukken, kunnen activiteitspatronen van cellen in de visuele cortex
inderdaad acuut worden gemoduleerd door de interne toestand van het brein, en vervolgens
ook veranderen op lange termijn als gevolg van leren. Men kan redelijkerwijs aannemen dat
het aanpassingsvermogen van de visuele cortex het doel heeft om een organisme beter te laten
zien. In die context kunnen de resultaten van hoofdstuk 2 en 3 suggereren dat het leren van
een associatie tussen een visuele stimulus en het verkrijgen van een beloning kan leiden tot
verbeterde detective, generalisatie en discriminatie van de belonings-voorspellende stimuli.
De resultaten van hoofdstuk 4 voegen toe dat de visuele cortex zeer waarschijnlijk
mechanismen bevat die wakkere/alerte visuele informatieverwerking complexer en
selectiever maken. Als ik de resultaten van dit proefschrift in maar één enkele zin zou moeten
samenvatten, zou dat zijn dat de primaire visuele cortex van de muis een dynamisch systeem
is, waarin informatieverwerking afhankelijk is van de algehele staat van de hersenen en zich
zo nodig aanpast, om de visuele omgeving van de muis optimaal te representeren.