Egocentric tuning to objects in the primary visual cortex cells during two-photon calcium imaging in freely moving mice

Abstract

Synen är central för människor och de flesta djur att förlita sig till för att navigera och orientera i sin omgivning. Nyligen genomförda studier har visat att hjärnans visuella region har en mer aktiv roll i navigeringen än att bara tillhandahålla visuell information och att enkel rumslig bearbetning även sker i primära synbarken (den kortikala visuella regionen som först får input från näthinnan).

Hjärnans navigering definieras vanligtvis ur två olika perspektiv, en egocentrisk referensram, där observatören står i centrum [biblioteket är till vänster om mig], och en allocentrisk referensram, som är observatörsoberoende [biblioteket ligger norr om sjukhuset och kommer göra det oavsett vart min kropp är vänd i förhållande till den]. Allocentrisk tuning hittas vanligtvis i hippocampus och parahippocampal cortex, inklusive den entorinala barken, i vad som ofta ses som hjärnans navigeringsnav (där man finner gitterceller och platsceller) medan egocentrisk processering har hittats i mer basala barkregioner, såsom den retrospleniala-barken – en närliggande region till den primära synbarken med många visuella kopplingar. Att förklara hur vi uppfattar plats och rum inom dessa referensramar gör att vi kan särskilja cellulär input och förstå hur navigationsberäkning sker i olika delar av hjärnan.

Celler i den primära synbarken definieras vanligtvis baserat på deras respons på klassisk stimulering, där specifik visuell stimulans ges till djuret vilket resulterar i mycket stereotyp cellulär aktivitet. Dessa undersökningar görs vanligtvis på huvudfixerade djur (djur där huvudet hålls fast). Det visuella systemet utvecklades dock inte för att endast reagera på ljusfläckar på en kontrasterande bakgrund utan snarare urskilja former och föremål i den verkliga världen, ofta med en rörig bakgrund. Vi ville se hur celler reagerar i hjärnans visuella region när djuret istället presenteras med mer verklighetstrogen visuell stimulans samtidigt som de är fria att bete sig och interagera som de skulle ha gjort i frihet när de är i kontakt med t.ex. ett enkelt föremål.

Med hjälp av miniatyrmikroskopet MINI2P med två fotons kalciummikroskopi, registrerade vi cellaktivitet i primära synbarken både hos huvudfixerade djur med klassisk visuell stimulering och därefter i försök där djuren var fria att ströva runt en 80 x 80 cm arena med eller utan närvaron av ett enkelt föremål. För att bestämma var på cortex de funktionella gränserna för den primära synbarken var belägna, som sedan användes som en guide, använde vi ”widefield” en fotons mikroskopi tillsammans med en analys av näthinnans topografi. Vi hittade cirka 3% celler, med hög egocentrisk tuning, som endast var aktiva när ett objekt upptog en mycket specifik del av djurets synfält, reflekterat av specifik kroppsorientering till, och avstånd från, objektet. Dessa celler reagerar huvudsakligen på visuell input men har ett mer komplext receptivt fält än det klassiska gallerstimulanssvar.

Navigation for most animals, humans included, relies heavily on visual input of the world around us. Recent studies have shown that the visual region of the brain has a more active role in navigation than only supplying visual information and that simple spatial processing also occurs in the primary visual cortex (the cortical visual region that first receives input from the retina).

Navigation throughout the brain is usually defined from two different perspectives, an observer-centered (egocentric) reference frame [the library is on my left] and an observer-independent (allocentric) reference frame [the library is north of the hospital and it does not matter how my body is turned in relation to it]. Allocentric tuning is commonly found in the hippocampal and the parahippocampal cortices, including the entorhinal cortex, in what is often seen as the navigational hub of the brain (such as the grid cells and place cells) whilst egocentric tuning has been found in “earlier” processing cortical areas, such as the retrosplenial cortex – a neighboring region to the visual cortex with a lot of visual connections. Understanding spatial processing in terms of these reference frames allows us to differentiate cellular input and understand how navigational processing is computed across different brain regions.

Cells in the primary visual cortex are commonly defined by their response to classical stimulation, where very specific visual input is given to the animal resulting in very stereotypic cellular activity. These investigations are commonly done in head fixed animals. However, the visual system did not evolve to simply react to spots of light on a contrasting background but rather discern shapes and objects in the real world, often with a noisy and messy background. We wanted to see how cells respond in the visual region of the brain when the animal instead is presented with more life-like visual input whilst free to behave and interact as they would have naturally in the real world when in contact with, for example, a simple object.

Using the miniature two-photon calcium imaging microscope the MINI2P, we recorded cell activity in the primary visual cortex in headfixed animals using classical visual stimulations and subsequently in trials where the animals were free to roam around an 80 x 80 cm arena with or without the presence of a simple object. To determine where on the cortex the functional borders of the primary visual cortex was located, used as a guide for recording, we used widefield one photon imaging and retinotopic analysis. We found around 3% cells, with high egocentric tuning, that were selectively active when an object occupied a very specific part of the animal’s visual field, reflected by specific body orientation to and distance away from the object. These cells respond mainly to visual input but have a more complex receptive field than the normal grating stimulus response.