“Multisensory integration in superior colliculus and primary visual cortex of awake behaving mice”

Doerenkamp, Kerstin; Kampa, Björn M.; Grün, Sonja Annemarie

doi:10.18154/RWTH-2024-10606

“Multisensory integration in superior colliculus and primary visual cortex of awake behaving mice”

Doerenkamp, Kerstin^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M. Sc. Kerstin Doerenkamp

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Grün, Sonja Annemarie (Thesis advisor)^RWTH* ; Kampa, Björn M. (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-09-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-10606
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/996426/files/996426.pdf

Einrichtungen

Projekte

GRK 2416 - GRK 2416: MultiSenses-MultiScales: Neue Ansätze zur Aufklärung neuronaler multisensorischer Integration (368482240) (368482240)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
electrophysiological recordings (frei) ; multisensory integration (frei) ; neuropixels (frei) ; superior colliculus (frei) ; visual cortex (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Über mehrere Sinne zu verfügen, ist entscheidend für das Überleben, da jeder Sinn darauf spezialisiert ist eine andere Art von Stimulus zu erfassen. Wenn die Informationen von mehreren Sinnen kombiniert werden, wird mehr über ein Objekt enthüllt. Die Reaktion auf solch eine multisensorische Kombination kann oft sogar die Summe ihrer Bestandteile überschreiten. Diese Synergie von sensorischen Antworten wurde beispielsweise in dem multisensorischen Areal Colliculus superior (SC) gezeigt. Bisherige Experimente haben gezeigt, dass die Kombination mehrerer sensorischer Modalitäten die Performance in Verhaltensexperimenten verbessern kann. Diese Arbeit strebt danach die neurale Ursache für diese verbesserte Performance zu finden. Als ersten Schritt, um herauszufinden wie multisensorische Stimuli im Gehirn repräsentiert und integriert werden, wird diese Arbeit sich auf das visuelle System konzentrieren. Drei essenzielle Areale des visuellen Systems der Maus werden untersucht: der primäre visuelle Kortex (V1), der optische Teil des Colliculus superior (optic SC) und der tiefe Teil des Colliculus superior (deep SC). Sowohl der V1 als auch der optic SC werden als unisensorische visuelle Areale erachtet, wogegen der deep SC als multisensorisches Areal anerkannt wird.Im ersten Teil dieser Arbeit wurden multisensorische Antworten in verschiedenen Arealen des visuellen Systems verglichen. Mäusen wurden visuelle, taktile und auditorische Stimuli vorgespielt während neuronale Aktivität simultan in V1 und SC aufgenommen wurde mittels Neuropixels Elektroden. Die unisensorischen Areale V1 und optic SC zeigten ein überraschend hohes Auftreten von multisensorischer Integration, beinahe vergleichbar mit dem multisensorischen deep SC. Allerdings waren Antworten auf einzeln präsentierte nichtvisuelle Stimuli deutlich seltener und hatten oft längere Latenzen in V1 und optic SC. Das deutet darauf hin, dass crossmodale Antworten in unisensorischen Arealen weniger bedeutsam sind als in multisensorischen Arealen wie dem deep SC. Im zweiten Teil wird untersucht, wie multisensorische Antworten beeinflusst werden durch das Training von Mäusen auf eine visuotaktile Unterscheidungsaufgabe. Training sorgte für eine Reduktion der Antwortstärke sowie eine Minderung der Anzahl antwortender Neurone im SC. Außerdem war multisensorisches Enhancement stark reduziert in trainierten Mäusen, währen multisensorische Depression unverändert blieb. Diese Änderungen suggerieren, dass Training die Präzision der Stimulus Erfassung verbessert indem Antworten die nicht von Belang für die Aufgabe sind, vermindert werden.

Having multiple senses is essential for survival, since each sense is optimally suited to detect a different type of stimulus. When combining the information gained from multiple senses, more is revealed about the nature of an object. The response to such a multisensory combination can often even exceed the sum of its unimodal components. This synergy of sensory responses has been shown repeatedly in the multisensory area superior colliculus (SC). Previous experiments have shown that combining multiple sensory modalities can result in an increased performance in behavioural tasks. This thesis aims to investigate the neural origin for this increased performance. As a first step to unravelling how multisensory stimuli are represented and integrated in the brain, this study will focus on sensory responses in the visual system. Three essential areas of the mouse visual system are investigated: the primary visual cortex (V1), the superficial part of the superior colliculus (optic SC), and the deep part of the superior colliculus (deep SC). While the V1 and the optic SC are considered unisensory visual areas, the deep SC has been acknowledged as a multisensory area. In the first part of this study, multisensory responsiveness was compared between different areas of the visual system. Mice were presented with visual, tactile and auditory stimuli, while neuronal activity was recorded in V1 and SC simultaneously using high-density Neuropixels electrodes. The unisensory areas V1 and optic SC showed a surprisingly high occurrence of multisensory integration that was almost on par with the multisensory area deep SC. However, responses to nonvisual stimuli alone were much rarer and often had longer latencies in V1 and optic SC, indicating that crossmodal responses in unisensory areas were not as meaningful as in a multisensory area like the deep SC. In the second part, the effect of training mice on a visuotactile discrimination task on the multisensory responsiveness was investigated. Training caused a general reduction of the response strength, coupled with a decrease of the amount of responsive neurons in the SC. Additionally, multisensory enhancement was strongly reduced in trained mice, while multisensory depression was not affected by training. These changes suggest that training improves the accuracy of the stimulus detection by decreasing sensory responses that are not necessary for solving the behavioural task.

OpenAccess:
PDF
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