Cytochrom Oxidase Blobs und Orientierungsselektivität. Eine funktional-anatomische Studie am primären visuellen Kortex von Primaten

Abstract

Eine der herausragenden Eigenschaften des visuellen Kortex in Primaten ist seine ausgeprägte Tendenz zur Musterbildung, die sich in seiner anatomischen und funktionellen Struktur zeigt. Durch histologische Färbungen lässt sich diese Musterbildung auf anatomischer Ebene bei der Verteilung von Zelltypen, thalamischer Afferenzen, neurochemischer Gradienten und Blutgefäßdichten aufzeigen. Für die Darstellung der funktionellen Strukturen hat sich die Optical-Imaging-Technik hervorgetan. Sie ermöglicht, topographische Karten von dem Verlauf funktioneller Bereiche wie etwa Okulärer Dominanzkolumnen (ODK) oder farb- und orientierungsselektiver Gewebebereiche zu erstellen. Verschiedene Modelle sind in den letzten Jahrzenten entwickelt worden, um die Informationsverarbeitungsmechanismen des visuellen Systems zu erklären und dabei die Topographie der funktionellen Strukturen mit anatomischen Strukturen wie z.B. den thalamischen Eingangsbereichen (zB. Blob- und Zwischenblobbereiche) und darüber wiederum mit den verschiedenen Informationspfaden des visuellen Systems (Magno-, Parvo-, Koniopfade) in Übereinstimmung zu bringen. Solche Untersuchungen werden durch eine Reihe von methodischen Schwierigkeiten beeinträchtigt, die es notwendig machen, dass ein verlässlicher methodischer Ansatz genutzt wird, der die Genauigkeit des anatomisch-funktionellen Abgleichs in dem Maß gewährleistet, wie es die Größe der zu untersuchenden Strukturen erfordert.

Am Tiermodell Callithrix jacchus wurde von uns eine Stimulationsmethode entwickelt, die es ermöglicht, mittels der Optical-Imaging-Technik die Blobs in vivo darzustellen. Dadurch ist es möglich geworden, die Aktivierung von Blob- und Interblobbereichen in Weissbüschelaffen durch verschiedene visuelle Reize zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass Blobs in Weissbüschelaffen mit dem parvozellulären System assoziiert sind und durch Farbreize aktiviert werden. Diese Funde bestätigen frühere Daten, die an Makaken erhoben wurden, und lassen vermuten, dass die Blobs auch in Neuweltaffen spezielle funktionelle Bereiche für die Wahrnehmung von Farbe darstellen.

Um den verlässlichen Abgleich zwischen den funktionell dargestellten Blobs und ihren histologischen Gegenstücken durchführen zu können, wurde ein Alignierungsverfahren entwickelt, das eine 3D Rekonstruktion des geschnittenen Gewebes erlaubt und darüber einen präzisen Abgleich gewährleistet, der den Alignierungsfehler in bisherigen Studien um ~50% reduziert.

Des Weiteren wurde von uns ein Phänomen untersucht, das sich in den topographischen Orientierungskarten zeigt und das gemeinhin als "Pinwheels" bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um eine spezielle Anordnung von orientierungsselektiven Bereichen um nulldimensionale Zentren herum. In Makaken korreliert das Vorkommen von Pinwheels mit dem Verlauf der ODK. Wir konnten zeigen, dass in Weissbüschelaffen, die keine ODK aufweisen, Pinwheelzentren grundsätzlich auf den Rändern von Orientierungskolumnen liegen. Dadurch konnten wir nachweisen, dass das intrinsische Signal in Pinwheelzentren eine ähnlich gute Auflösung der dort vorliegenden zellulären Kompartmentisierung bietet, wie es durch 2-Photonenmikroskop-Studien gezeigt wurde. Zudem ergaben sich Hinweise dafür, dass Pinwheelzentren durch spezielle Blutgefäßstrukturen gebildet werden.

One of the most intriguing properties of the primary visual cortex of primates is its tendency to form patterns on the level of its functional and anatomical organization. Histological preparations of the distribution of neuronal subpopulations, thalamic afferents, neurochemical gradients or vascular densities allow researchers to visualize those patterns anatomically. Optical imaging has played a key role in the investigation of the functional organization. Topographic maps of orientation selectivity, color domains or ocular dominance columns generated by this technique reveal a strikingly regular organization of functional columns in V1. Over the last decades several models have been proposed to explain the functional organization of the visual cortex and its fundamental principles of information processing. Most of them suggest a link between the topography of the functional columns and neuronal anatomical structures like regions of thalamic inputs (e.g. blob- and interblob regions or, in particular, the magno-, parvo-, and koniocellular pathways). However, investigating this linkage is commonly impaired by severe methodological difficulties. Thus, sophisticated methodological protocols are required in order to ensure high spatial precision in aligning functional and anatomical datasets.

Here we present a study performed on the common marmoset (Callithrix jacchus), a small New World primate known for its sex-linked polymorphism of cone pigment expression that results in dichromatic and trichromatic phenotypes, rendering most male and a subpopulation of female marmosets color-blind. We examined the intrinsic signal response in V1 and V2 of three female marmosets to chromatic and achromatic stimuli, using intrinsic optical imaging. In order to activate visual pathways separately, we used a novel set of visual stimuli. In contrast to previous studies, we were able to show clear formation of columnar patterns in functional maps under stimulus conditions that lead to activation of the parvocelluar pathway. Histological preparation of the extracted cortices proofs that these color domains are tightly co-localized with cytochrome oxidase blobs in V1 and with thin stripes in V2. In addition, a genetic analysis performed on the three animals confirmed trichromacy in all animals used in this study.

In order to ensure an accurate alignment of our functional data and histological preparations, we developed a new methodological protocol. Our approach makes use of a set of different processing techniques for multimodal visualization of the superficial cortical vasculature in IOI (intrinsic optical imaging) data, as well as in microscopic preparations of the extracted visual cortex and in histological preparations. The vessel maps gained at the three distinct processing levels are used within a computational protocol for a virtual 3D reconstruction of the imaged tissue architecture. Based on this reconstruction, a registration of the histological datasets to functional optical imaging maps is achieved that shows a reduction of the mean dislocation error by more than 50% compared to previous studies.

Furthermore, we investigated a phenomenon that is likely to be the most prominent feature of functional maps of orientation selectivity, the so-called pinwheel. Pinwheels have been considered in the past to indicate regions of low orientation selectivity. Despite its popularity, little is known about the functional role of these entities. The spatial relationship between pinwheels and other cortical features such as orientation preference has been investigated intensely in macaque monkeys. There pinwheels were shown to correlate with the topology of ocular dominance columns. We show that in marmosets that do not express ocular dominance columns under optical imaging conditions, the location of pinwheel centres is fundamentally determined by the course of orientation column borders. We here provide new insights in the formation of pinwheel singularities and we discuss indications of a correlation between pinwheel centres and the angioarchitecture of the visual cortex.