A TWO-PHOTON IMAGING TALE: INTEGRATION AND SPECIALIZATION IN MOUSE VISUAL CORTEX DISS. ETH NO. 20725 A dissertation submitted to ETH ZURICH for the degree of Doctor of Sciences presented by Morgane Marguerite France ROTH Master in Neurosciences, Université Louis Pasteur Born May the 26th, 1985 Citizen of France accepted on the recommendation of Prof. Dr. Kevan A C Martin Dr. Björn M Kampa Prof. Dr. Fritjof Helmchen PD Dr. Daniel C Kiper 2013 AB STR A CT Vision is a preponderant sense. It has stimulated various domains such as literature, philosophy, art, media and even research to a great extent. The repercussion is that this system is the most studied in neuroscience. The amount of knowledge collected through centuries of visual research is the basis of numerous theories on cortical processing. Besides the classical models for studying vision such as cats for their impressive eyes and visual acuity and monkeys for their phylogenetic similarity to humans, mice are now a widely used and accepted model. Hierarchical theories assume that visual information is arriving in mouse primary visual cortex (V1) and is re-distributed to number of higher visual areas for specific processing. This traditional view implies a limited amount of computation happening in V1. However, recent evidence suggests that V1 computation is more complex than originally thought. Furthermore, the characterization of higher areas in mouse visual cortex is still at its infancy. Therefore, it is difficult to obtain a solid picture of visual information processing as well as the function of each visual area. The aim of this thesis is to understand the role and the computational capacities of the primary visual cortex of the mouse, first by comparing it to a higher visual area and second by investigating the functional properties and the connectivity of its local network. Recent technical advances in microscopy have brought new possibilities to investigate network properties. Effectively, two-photon calcium imaging permits the simultaneous recording of hundreds of neurons. It offers the possibility to characterize the properties of an entire local population and specifically its spatial organization. Chapter 3 focuses on the tuning properties of V1 and the posteromedial area (PM) of mice. Using two-photon imaging, we found that V1 and PM have distinct preferences in terms of spatial, temporal and speed tuning indicating specialization in mouse visual cortex. Furthermore, we showed that PM possesses the ideal properties to provide useful information for ····································· 9 spatial navigation. Additionally, speed tuned neurons were found in V1 pointing towards complex computation in this area. In Chapter 4 and 5 we further tested the integration implemented in V1 neurons by using complex stimuli like plaid patterns and natural movies. We found that at the level of single neurons, V1 integrates combined stimuli (Chapter 4). Using 3D imaging, we found stimulus-specific response patterns in neuronal subsets (Chapter 5). These sub-networks were also spatially clustered. In Chapter 6, we further analyzed the spatial organization of neurons sharing the same orientation tuning. We found that around 10 neurons sharing the same orientation preference were gathered within 15 to 45 m. This indicated the presence of a fine scale organization in mouse visual cortex. All these results suggested high specificity in mouse V1. In Chapter 7, we asked if the connectivity of excitatory neurons can as well present specific features. Using a combination of functional, light and electron microscopy as well as targeted electroporation, we achieved to reconstruct the proximal axon collaterals of excitatory cells described functionally and established the identity of the post-synaptic partners. We found a great specificity in the connections to surrounding interneurons clearly extending the expected random connectivity from available neighboring partners as well as queasily random connectivity. The general organization of sensory cortices across species and modalities is fairly similar. Consequently, these results on rodent visual cortex additionally provide tools to understand the computation happening in sensory cortices in general as well as apprehending the spatial organization and connectivity of neurons in mouse cortex. Furthermore, the findings presented in this thesis and in the appended publications provide a blueprint of neuronal function and organization in mouse neocortex that can be used for comparisons with mouse models of human pathologies. ·····································10 RÉ S UM É La vision est un sens prépondérant. Elle a stimulé des domaines variés comme la littérature, la philosophie, l’art et même la recherche scientifique. Une conséquence de cette influence est que la vision est le système le plus étudié en Neurosciences. La quantité de connaissances collectée à travers des siècles de recherche sur la vision est la base de nombreuses théories sur le fonctionnement cortical. Au-delà des modèles classiques pour étudier la vision comme le chat pour ces yeux impressionnants et son acuité visuelle ou le singe pour sa similarité phylogénétique avec l’être humain, la souris est maintenant un modèle largement utilisé et accepté. Les théories hiérarchiques affirment que l’information visuelle arrive dans le cortex visuel primaire (V1) de la souris et est redistribuée à de nombreuses aires visuelles supérieures pour un traitement plus spécifique de cette information. Cette vue traditionnelle implique qu’une quantité limitée de computation se passe dans V1. Cependant, de nouvelles preuves suggèrent que la computation dans V1 est plus complexe qu’originellement pensée. De plus, la caractérisation des aires supérieures dans le système visuel de la souris n’est encore qu’à son début. C’est pourquoi, il est compliqué d’obtenir une conviction solide sur le traitement de l’information visuelle ainsi que sur la fonction de chaque aire impliquée dans ce traitement. Le but de cette thèse est de comprendre le rôle et les capacités computationnelles du cortex primaire de la souris, d’abord en le comparant à une aire supérieure puis en examinant les propriétés fonctionnelles et la connectivité de son réseau local. De récentes avancées techniques en microscopie ont apporté de nouvelles possibilités pour étudier les propriétés du réseau. Effectivement, l’imagerie calcique à deux-photon permet d’enregistrer simultanément des centaines de neurones. Cette technique offre la possibilité de caractériser les propriétés d’une population locale mais entière et spécifiquement l’organisation spatiale de cette population. ·····································11 Le Chapitre 3 se concentre sur le type de propriétés observées dans V1 et dans l’aire visuelle posteromédiale (PM) de la souris. En utilisant l’imagerie à deux-photon, nous avons trouvé que V1 et PM ont des préférences distinctes en termes de sélection spatiale, temporelle et de vitesse indiquant une spécialisation dans le cortex de la souris. De plus, nous avons montré que PM possède les propriétés idéales pour fournir des informations utiles à la navigation spatiale. Qui plus est, des neurones codant pour la vitesse ont été observés dans V1 pointant dans la direction d’une computation complexe dans cette aire. Dans les Chapitres 4 et 5, nous avons testé plus loin l’intégration implémentée dans les neurones de V1 en utilisant des stimulations visuelles complexes comme le motif en plaid et des films naturalistes. Nous avons trouvé qu’au niveau même du neurone, V1 intègre des stimulations combinées (Chapitre 4). En utilisant l’imagerie en 3 dimensions, nous avons observé des patterns de réponses pour des stimulations spécifiques encodées dans un sous ensemble de neurones (Chapitre 5). Ces sous-ensembles neuronaux sont également rassemblés spatialement. Dans le Chapitre 6, nous avons analysé plus profondément l’organisation spatiale de ces neurones partageant la même préférence en orientation. Nous avons trouvé qu’approximativement 10 neurones partageant la même préférence en orientation étaient groupés dans un rayon de 15 à 45 m. Cela indique la présence d’une organisation à petite échelle dans le cortex visuel de la souris. Tous ces résultats suggèrent une grande spécificité dans l’aire V1 de la souris. Dans le Chapitre 7, nous nous sommes demandé si la connectivité des neurones excitateurs peut présenter un caractère spécifique. En utilisant une combinaison de microscopie fonctionnelle, optique et électronique ainsi que l’électroporation à action ciblée, nous sommes arrivés à reconstruire les collatérales proximales de l’axone de cellules excitatrices préalablement caractérisées fonctionnellement et à établir l’identité de leurs partenaires post-synaptique. Nous avons mis en évidence une grande spécificité dans les connections dirigées sur les ·····································12 interneurones environnants, allant bien au-delà de ce qui serait attendu dans le cas d’une connectivité aléatoire. L’organisation globale des cortex sensoriels est très similaire entre différentes espèces et modalités. Par conséquent, ces résultats sur le système visuel du rongeur apportent en plus des outils pour comprendre la computation qui a lieu dans les cortex sensoriels en général ainsi que pour appréhender l’organisation spatiale et la connectivité des neurones dans le cortex de la souris. De plus, les découvertes présentées dans cette thèse et dans les publications annexes apportent un schéma des fonctions neuronales et de leur organisation dans le néocortex de la souris qui pourra être comparé à des modèles murins de pathologies humaines. ·····································13