Neural Correlates of Neon Color Spreading Illusion in Mouse Visual Cortex

Abstract

Die Dissertation ist gesperrt bis zum 01. September 2026 !

"Illusions are a powerful tool for studying the single-neuron correlates of perception. Here, we introduce an achromatic version of the neon color spreading (NCS) illusion in mice and report the neuronal correlates of illusory brightness, which has been studied using human fMRI. We designed a novel NCS paradigm to generate an illusory drifting grating, and in a series of experiments, we recorded nearly six thousand single units in mouse cortical visual areas. We recorded 636 single units in the mouse primary visual cortex (V1) for the first experiment. A substantial proportion of V1 single units (60.5%) responded to illusory gratings. Moreover, by presenting luminance-defined gratings (LDG) with a 180° phase shift relative to NCS gratings, we show that spatial phase tuning shifted 180° for most single units. This finding conclusively demonstrates that V1 single units respond to illusory brightness. Using this novel mouse paradigm, we show that responses to illusory gratings have a lower magnitude and are delayed relative to physical gratings. We determined what types of V1 single units contribute more to the illusion processing mechanism in V1. We found that NCS-preferring cells are more likely to receive surround suppression, to be classified as fast-spiking putative interneurons, and to have complex receptive field properties. We then expanded our search for the neuronal correlates of NCS to higher lateral visual areas of the mouse. We recorded 5058 single units from four areas, namely V1, LM (lateromedial), LI (laterointermediate), and LL (laterolateral), simultaneously. We found that LM has an essential role in illusion processing as the NSC-evoked responses in LM were stronger and appeared earlier than in other visual areas. Lastly, optogenetics inhibition of higher visual areas reduced the V1 single unit response to the NCS stimulus but not the LDG stimulus, implicating top-down feedback specifically in processing optical illusions by V1 neurons in mice. These findings reveal a hierarchical organization in which higher-level neurons are pivotal to processing illusory qualities, such as brightness."

Illusionen sind ein leistungsfähiges Instrument zur Untersuchung der Korrelate einzelner Neuronen in der Wahrnehmung. Hier stellen wir eine achromatische Version der Neon Color Spreading (NCS) Illusion bei Mäusen vor und berichten über die neuronalen Korrelate der illusorischen Helligkeit, die mit menschlicher fMRT untersucht wurde. Wir haben ein neuartiges NCS-Paradigma entwickelt, um ein illusorisches Driftgitter zu erzeugen, und in einer Reihe von Experimenten haben wir fast sechstausend einzelne Einheiten in den kortikalen visuellen Bereichen der Maus aufgezeichnet. Für das erste Experiment haben wir 636 einzelne Einheiten im primären visuellen Kortex (V1) der Maus aufgezeichnet. Ein beträchtlicher Anteil der einzelnen V1-Einheiten reagierte auf illusorische Gitter. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass die räumliche Phasenabstimmung bei den meisten einzelnen Einheiten um 180° verschoben war, wenn wir Luminanz-definierte Gitter (LDG) mit einer Phasenverschiebung von 180° relativ zu NCS-Gittern präsentierten. Dieser Befund beweist eindeutig, dass einzelne V1-Einheiten auf illusorische Helligkeit reagieren. Mit diesem neuen Mausparadigma zeigen wir, dass die Reaktionen auf illusorische Gitter eine geringere Größe haben und im Vergleich zu physikalischen Gittern verzögert sind. Wir haben ermittelt, welche Arten von V1-Einzelzellen mehr zum Mechanismus der Illusionsverarbeitung in V1 beigetragen haben. Wir fanden heraus, dass NCS-präferierende Zellen eher eine Surround-Suppression erhalten, als schnell-spikende mutmaßliche Interneuronen klassifiziert werden und komplexe rezeptive Feldeigenschaften haben. Anschließend weiteten wir unsere Suche nach den neuronalen Korrelaten von NCS auf höhere laterale visuelle Areale der Maus aus. Wir haben 5058 einzelne Einheiten aus vier Bereichen, nämlich V1, LM (lateromedial), LI (laterointermediär) und LL (laterolateral), gleichzeitig aufgezeichnet. Wir fanden heraus, dass LM eine wesentliche Rolle bei der Verarbeitung von Illusionen spielt, da die durch NCS ausgelösten Reaktionen in LM stärker waren und früher auftraten als in anderen visuellen Bereichen. Schließlich verringerte die optogenetische Hemmung höherer visueller Areale die Reaktion der einzelnen V1-Einheiten auf den NCS-Reiz, nicht aber auf den LDG-Reiz, was darauf hindeutet, dass die Verarbeitung optischer Täuschungen durch V1-Neuronen bei Mäusen spezifisch von oben nach unten gesteuert wird. Diese Ergebnisse zeigen eine hierarchische Organisation, bei der höherstufige Neuronen eine zentrale Rolle bei der Verarbeitung von Täuschungsqualitäten, wie z.B. Helligkeit, spielen.