Neural processing at the sensitivity limit of vision: from retinal circuits to behavior

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7923-4
Title: Neural processing at the sensitivity limit of vision: from retinal circuits to behavior
Author: Smeds, Lina
Other contributor: Helsingin yliopisto, bio- ja ympäristötieteellinen tiedekunta
Helsingfors universitet, bio- och miljövetenskapliga fakulteten
University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences
Aivot ja mieli tohtoriohjelma (B&M)
Doktorandprogrammet i hjärn- och medvetandeforskning
Doctoral Programme Brain and Mind
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2022-03-25
Language: en
Belongs to series: URN:ISSN:2342-317X
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7923-4
http://hdl.handle.net/10138/341300
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Understanding the connection between neural circuit function and animal behavior (including human) is a fundamental goal in neuroscience. This is generally a daunting challenge due to the complexity of neural circuits and behaviors, and the difficulty of quantifying the relevant behavior. In this thesis, I tackle these challenges by studying vision in a highly simplified situation, near the absolute sensitivity limit, where only a limited number of retinal cell types—the most sensitive ones—can contribute to seeing. The ability of the visual system to deal with sparse signals is remarkable. Rod photoreceptors can reliably detect single photons, and humans can detect just a handful of photons in darkness. Such visual sensitivity requires well-optimized signal and noise discrimination mechanisms in the neural circuits processing single-photon signals. The dimmest light signals traverse the retina through a well-known circuitry, the primary rod pathway. The output neurons of this circuitry—the most sensitive ON and OFF retinal ganglion cells—send the information to the brain encoded in patterns of discrete action potentials (spikes). ON ganglion cells respond to light with increases in spikes, OFF ganglion cells by decreasing their maintained spiking. The overall goal of my dissertation is to resolve end-to-end, from photons through retinal circuits to behavior, how the mammalian visual system detects the dimmest lights in darkness. In particular, I aim to understand the link between retinal outputs (i.e., retinal ganglion cells) and behavior using the mouse as my main model species. The thesis is comprised of three separate studies (papers I–III). First, we analyzed the how differences in signal transmission between the most sensitive ON and OFF retinal pathways affect visual computations at the dimmest light levels. The ON pathway, but not the OFF pathway, has a thresholding nonlinearity in the inner retina which reduces the neural noise in the ON ganglion cell. By analyzing spike responses and input currents of the most sensitive mouse and primate ON and OFF ganglion cells we show in paper I that the nonlinearity in the ON pathway comes with a cost, slightly reducing the sensitivity and delaying the signal transmission to ON ganglion cells. On the other hand, the ability to discriminate between dim light intensities was considerably better based on the most sensitive ON compared to OFF ganglion cell responses. Second, we studied the origin of intrinsic neural noise in the most sensitive ON ganglion cells at the lowest light levels, where signals traverse the retina solely via the primary rod pathway. Neural noise is highly relevant when it comes to detection of the dimmest lights, as sparse signals might be buried in the noise. It has been hypothesized that the detection is limited by spontaneous activations of the visual pigment (i.e., pigment noise) in rod photoreceptors. However, noise arises at all stages of the retinal circuitry, and how different sources of noise contribute to the total noise in retinal ganglion cells has not been rigorously quantified. In paper II, we performed electrophysiological voltage-clamp recordings and quantified different sources of noise in the excitatory inputs of the most sensitive, and behaviorally relevant, mouse ON ganglion cell type (ON sustained alpha). We show that half of the total noise (integrated across all frequencies) reaching the most sensitive ON ganglion cells originates from the outer retina (photoreceptors and their synapses) and the other half from the inner retina (from and downstream of bipolar cells). However, only 2–3% of the total neural noise in ON ganglion cell inputs originated from pigment noise. Third, we established a behavioral paradigm that let us link visually guided behavior to the population spike code of well-defined retinal output neurons (paper III). We used electrophysiological methods to measure the absolute sensitivities of mouse rod photoreceptors and retinal ganglion cells. Our ganglion cell recordings showed that the ON sustained alpha (ON-S) and OFF sustained alpha (OFF-S) ganglion cell types are among the most sensitive ganglion cells in the mouse retina. We were able to separate the contributions of the ON-S and OFF-S ganglion cells by utilizing a transgenic mouse line with a clear difference in the sensitivities of these cells. We asked which of these retinal outputs underlies detection of the dimmest lights. The visual sensitivity of freely swimming mice in darkness was measured by a task where the mice had to locate a dimly lit window in one arm of a six-armed water maze. The search behavior was quantified by markerless head- and eye-tracking, and modeling was used to link behavior to the population spike codes of ON-S and OFF-S ganglion cells. Our results show that detection performance in this task gets remarkably close to a perfect readout of the responses of ON-S ganglion cells, which thanks to nonlinear filtering mechanisms provide a low-noise, high-fidelity readout of the light signal. Intriguingly, the more sensitive but less reliable responses of OFF-S ganglion cells appear not to be used for this task. This indicates that even for detecting the dimmest lights in darkness, the brain utilizes distinct decoding mechanisms relying on specific outputs rather than the total information across cell types.Ett centralt mål inom neurovetenskapen är att förstå hur djurens (inklusive människans) beteende bestäms av aktiviteten hos nätverk av nervceller. Att uppnå detta mål är i allmänhet en stor utmaning. Dels kan nervcellsnätverken vara mycket komplexa, dels är mångfalden av beteenden stor, och att finna relevanta kvantitativa mått för specifika beteenden är en utmaning i sig. I min doktorsavhandling antar jag dessa utmaningar genom att studera hur ett djurs (musens) förmåga att orientera enligt svaga ljussignaler i mörker, nära synens absoluta känslighetsgräns, beror på funktionen hos näthinnans nervnät. Detta förenklar situationen avsevärt, eftersom endast de känsligaste syncellerna och nervcellskretsarna i näthinnan då kan bidra till beteendet. Synsinnets förmåga att uppfatta svaga ljussignaler är otrolig. Fotoreceptorerna (stavcellerna) kan tillförlitligt reagera på enskilda ljuskvanta (fotoner), och människan kan uppfatta ljus som består av endast ett fåtal fotoner. Denna imponerande känslighet kräver neurala mekanismer som förmår urskilja ytterst svaga ljussignaler bland oundvikligt neuralt brus. De allra svagaste ljussignalerna behandlas i ett alldeles specifikt och väldefinierat nervcellsnätverk i däggdjurens näthinna, det s.k. primära stavcellsnätverket. Outputsignalen från detta nätverk kodas av de känsligaste ON- och OFF-gangliecellerna i mönster av elektriska impulser, s.k. aktionspotentialer, och skickas i den formen via synnerven från näthinnan till hjärnan. ON-gangliecellerna reagerar på ljus genom att öka mängden aktionspotentialer, medan OFF-gangliecellerna, som har hög elektrisk aktivitet i mörker, reagerar genom att minska på mängden av aktionspotentialer. Målet med min avhandling är att klarlägga de mekanismer som möjliggör urskiljandet av svaga signaler i näthinnans nervceller, samt att förstå hur hjärnan läser och tolkar de mönster av nervimpulser den får från näthinnan, så musen eller vi uppfattar svaga ljus. Avhandlingen är baserad på tre separata studier (artiklarna, ”papers”, I–III). I den första studien (”paper I”) granskade vi, hur en skillnad i förmedlingen av svaga ljussignaler till de känsligaste ON och OFF gangliecellerna tar sig uttryck i egenskaperna hos dessa cellers elektriska svar. Vi analyserade elektriska signaler mätta från de känsligaste ON och OFF cellerna hos möss och apor. På vägen till ON-gangliecellen finns i den inre näthinnan en tröskel (en icke-linearitet) som filtrerar bort neuralt brus, men också de allra svagaste ljussignalerna. Motsvarande mekanism finns inte i signaleringsrutten till OFF-gangliecellen. Vi visade att denna mekanism ökar tillförlitligheten i ON-cellernas ljussvar på bekostnad av känslighet och snabbhet: ON-gangliecellerna var aningen mindre känsliga för ljus och reagerade långsammare på ljuset än OFF-gangliecellerna. I stället var ON-gangliecellerna bättre på att skilja mellan olika svaga ljusintensiteter. I den andra studien tog vi reda på varifrån det neurala brus som når de känsligaste ON-gangliecellerna härstammar. Vi undersökte detta under ljusförhållanden där endast det primära stavcellsnätverket är aktivt (i totalt mörker samt under mycket svagt bakgrundsljus). Neuralt brus är högst relevant då det gäller upptäckt av mycket svaga signaler, eftersom en svag signal lätt kan drunkna bruset. Man har länge ansett att den bruskomponent som uppkommer då synpigmentet i stavcellerna aktiveras spontant, det s.k. pigmentbruset, begränsar synkänsligheten. Brus uppkommer dock på alla nivåer i näthinnan och det finns ingen forskning som entydigt visar varifrån det brus som når gangliecellerna i dessa svaga ljusförhållanden huvudsakligen härstammar. I denna studie (”paper II”) mätte vi bruset i den excitatoriska input-strömmen i den känsligaste, och beteendemässigt relevanta, ON-gangliecelltypen (”ON sustained alpha”) i musens näthinna. Bruskomponenternas ursprung och styrka karakteriserades med hjälp av farmakologiska manipulationer och analys av frekvensspektra. Resultaten visar att hälften av det totala bruset (integrerat över alla frekvenser) härstammar från den yttre näthinnan (fotoreceptorerna och deras synapser), och att den andra hälften av bruset härstammar från den inre näthinnan (från och efter bipolärcellerna). Endast ca 2–3 % av det totala bruset i ON gangliecellerna härstammade från stavcellernas pigmentbrus. I den tredje studien etablerade vi en beteendeexperimentuppställning där den absoluta känsligheten hos musens synsystem kunde mätas kvantitativt och strikt relateras till känsligheten hos väldefinierade ganglieceller (”paper III”). Våra gangliecellmätningar visade att de s.k. ”ON sustained alpha” (ON-S) och ”OFF sustained alpha” (OFF-S) ganglicelltyperna var bland de allra känsligaste gangliecellerna. För att särskilja dessa två celltypers bidrag till upptäckten av svaga ljus använde vi en genmodifierad musstam med tydlig skillnad i känsligheten mellan ON-S och OFF-S gangliecellerna. Beteendeexperimenten utfördes i en vattenlabyrint, där fritt simmande möss hade som uppgift att lokalisera ett svagt upplyst fönster i en av totalt sex korridorer. Sökbeteendet kvantifierades genom videotracking av musens huvud- och ögonrörelser. Därefter användes modellering för att förstå hur beteendet styrs av ganglicellernas elektriska signaler. Våra resultat visar att beteende-prestationen kommer påfallande nära en perfekt tolkning av ON-S gangliecellernas elektriska signaler – de signaler som tack vare det icke-lineära filtret förser hjärnan med mycket tillförlitlig information gällande svaga ljus. Slående nog verkade det som om signalerna från OFF-S gangliecellerna – de känsligare men även mindre tillförlitliga signalerna – inte utnyttjades för utförandet av denna uppgift. Detta tyder på att hjärnan inte ens då det gäller att upptäcka de svagaste ljussignalerna i mörker använder all den information den har tillgång till, utan avläser signaler endast från specifika celltyper.
Subject: neuroscience
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
smeds_lina_dissertation_2022.pdf 2.456Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record