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Theofanis Panagiotaropoulos
Author with expertise in Neuronal Oscillations in Cortical Networks
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Cortical Microcircuit Dynamics Mediating Binocular Rivalry: The Role of Adaptation in Inhibition

Panagiota Theodoni et al.Jan 1, 2011
Perceptual bistability arises when two conflicting interpretations of an ambiguous stimulus or images in binocular rivalry (BR) compete for perceptual dominance. From a computational point of view competition models based on cross-inhibition and adaptation have shown that noise is a crucial force for rivalry and operates in balance with adaptation in order to explain the observed alternations in perception. In particular, noise-driven transitions and adaptation-driven oscillations define two dynamical regimes and the system operates near its boundary. In order to gain insights into the microcircuit dynamics mediating spontaneous perceptual alternations we used a reduced recurrent attractor-based biophysically realistic spiking network well known for working memory, attention and decision-making, where a spike-frequency adaptation mechanism is implemented to account for perceptual bistability. We, thus, derived a consistently reduced four-variable population rate model using mean-field techniques and tested it on BR data collected from human subjects. Our model accounts for experimental data parameters such as time dominance, coefficient of variation and gamma distribution. In addition, we show that our model also operates on the boundary between noise and adaptation and agrees with Levelt's second revised and fourth propositions. These results show for the first time that a consistent reduction of a biophysically realistic spiking network of integrate and fire neurons with spike frequency adaptation could account for BR. Moreover, we demonstrate that BR can be explained only through the dynamics of the competing neuronal pools, without taking into account the adaptation of inhibitory interneurons..However, adaptation of interneurons affects the optimal parametric space of the system, by decreasing the overall adaptation necessary for the bifurcation to occur.
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Decoding the contents of consciousness from prefrontal ensembles

Vishal Kapoor et al.Jan 28, 2020
ABSTRACT Multiple theories attribute to the primate prefrontal cortex a critical role in conscious perception. However, opposing views caution that prefrontal activity could reflect other cognitive variables during paradigms investigating consciousness, such as decision-making, monitoring and motor reports. To resolve this ongoing debate, we recorded from prefrontal ensembles of macaque monkeys during a no-report paradigm of binocular rivalry that instigates internally driven transitions in conscious perception. We could decode the contents of consciousness from prefrontal ensemble activity during binocular rivalry with an accuracy similar to when these stimuli were presented without competition. Oculomotor signals, used to infer conscious content, were not the only source of these representations since visual input could be significantly decoded when eye movements were suppressed. Our results suggest that the collective dynamics of prefrontal cortex populations reflect internally generated changes in the content of consciousness during multistable perception. One sentence summary Neural correlates of conscious perception can be detected and perceptual contents can be reliably decoded from the spiking activity of prefrontal populations.
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Bistability of prefrontal states gates access to consciousness

Abhilash Dwarakanath et al.Jan 30, 2020
Summary Access of sensory information to consciousness is thought to be mediated through ignition of neural activity in the prefrontal cortex (PFC). Ignition occurs once activity elicited by sensory input crosses a threshold, which has been shown to depend on brain state fluctuations. However, the neural correlates of fluctuations and their interaction with the neural representations of conscious contents within the PFC remain largely unknown. To understand the role of prefrontal state fluctuations in conscious access, we combined multielectrode intracortical recordings with a no-report binocular rivalry (BR) paradigm that induces spontaneously-driven changes in conscious perception. During BR, antagonistic coupling of two prefrontal states, characterised by dominance of low frequency (1-9Hz) or beta (20-40Hz) local field potentials (LFP), reflect competition between two states of visual consciousness; perceptual update and stability, respectively. Low frequency perisynaptic bursts precede spontaneous transitions in conscious perception, signalling upcoming perceptual update of conscious content. We therefore show that it is a global cortical state that seems to drive internal switches, rather than the spiking activity of selective neuronal ensembles, which subsequently, only report the active percept. Beta band bursts were found to be correlated with periods of stable conscious perception, and selectively synchronised the neural ensemble coding for the consciously perceived stimulus. Similar ongoing fluctuations in the LFPs, with dynamics resembling the distribution of perceptual dominance periods during BR, dominated the prefrontal cortex during resting-state, thus pointing to their default, endogenous nature. Our results suggest that the two modes of conscious perception: perceptual update, and stability, can be associated with distinct prefrontal cortical states.
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Spontaneously emerging internal models of visual sequences combine abstract and event-specific information in the prefrontal cortex

Marie Bellet et al.Oct 5, 2021
SUMMARY When exposed to sensory sequences, do macaque monkeys spontaneously form abstract internal models that generalize to novel experiences? Here, we show that neuronal populations in macaque ventrolateral prefrontal cortex encode visual sequences by factorizing them into separate codes for the specific pictures presented and for their abstract sequential structure. Ventrolateral prefrontal neurons were recorded while macaque monkeys passively viewed visual sequences and sequence mismatches in the local-global paradigm. Even without any overt task or response requirements, prefrontal populations spontaneously built up representations of sequence structure, serial order, and image identity within distinct but superimposed neuronal subspaces. Representations of sequence structure rapidly updated following single exposure to a mismatch sequence, while orthogonal populations represent mismatches for sequences of different complexity. Finally, those representations generalized across sequences following the same structure but comprising different images. These results suggest that prefrontal populations spontaneously encode rich internal models of visual sequences that reflect both content-specific and abstract information.
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Uncovering the Organization of Neural Circuits with Generalized Phase Locking Analysis

Shervin Safavi et al.Dec 10, 2020
Abstract Despite the considerable progress of in vivo neural recording techniques, inferring the biophysical mechanisms underlying large scale coordination of brain activity from neural data remains challenging. One obstacle is the difficulty to link high dimensional functional connectivity measures to mechanistic models of network activity. We address this issue by investigating spike-field coupling (SFC) measurements, which quantify the synchronization between, on the one hand, the action potentials produced by neurons, and on the other hand a mesoscopic “field” signals, reflecting subthreshold activities at possibly multiple recording sites. As the number of recording sites gets large, the amount of pairwise SFC measurements becomes overwhelmingly challenging to interpret. We develop Generalized Phase Locking Analysis (GPLA) as a dimensionality reduction of this multivariate SFC. GPLA describes the dominant coupling between field activity and neural ensembles across space and frequencies, thereby providing rich yet interpretable information. In particular, we show that GPLA features are biophysically interpretable when used in conjunction with appropriate network models, such that we can identify the influence of underlying circuit properties on these features. We demonstrate the statistical benefits and interpretability of this approach in various computational models and Utah array recordings. The results suggest that GPLA used jointly with biophysical modeling can help uncover the contribution of recurrent microcircuits to the spatio-temporal dynamics observed in multi-channel experimental recordings.
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An adversarial collaboration to critically evaluate theories of consciousness

Oscar Ferrante et al.Jun 26, 2023
Summary Different theories explain how subjective experience arises from brain activity 1,2 . These theories have independently accrued evidence, yet, confirmation bias and dependence on design choices hamper progress in the field 3 . Here, we present an open science adversarial collaboration which directly juxtaposes Integrated Information Theory (IIT) 4,5 and Global Neuronal Workspace Theory (GNWT) 6–10 , employing a theory-neutral consortium approach 11,12 . We investigate neural correlates of the content and duration of visual experience. The theory proponents and the consortium developed and preregistered the experimental design, divergent predictions, expected outcomes, and their interpretation 12 . 256 human subjects viewed suprathreshold stimuli for variable durations while neural activity was measured with functional magnetic resonance imaging, magnetoencephalography, and electrocorticography. We find information about conscious content in visual, ventro-temporal and inferior frontal cortex, with sustained responses in occipital and lateral temporal cortex reflecting stimulus duration, and content-specific synchronization between frontal and early visual areas. These results confirm some predictions of IIT and GNWT, while substantially challenging both theories: for IIT, a lack of sustained synchronization within posterior cortex contradicts the claim that network connectivity specifies consciousness. GNWT is challenged by the general lack of ignition at stimulus offset and limited representation of certain conscious dimensions in prefrontal cortex. Beyond challenging the theories themselves, we present an alternative approach to advance cognitive neuroscience through a principled, theory-driven, collaborative effort. We highlight the challenges to change people’s mind 13 and the need for a quantitative framework integrating evidence for systematic theory testing and building.
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Non-monotonic spatial structure of inter-neuronal correlations in prefrontal microcircuits

Shervin Safavi et al.Apr 19, 2017
Correlated fluctuations of single neuron discharges, on a mesoscopic scale, decrease as a function of lateral distance in early sensory cortices, reflecting a rapid spatial decay of lateral connection probability and excitation. However, spatial periodicities in horizontal connectivity and associational input as well as an enhanced probability of lateral excitatory connections in the association cortex could theoretically result in non-monotonic correlation structures. Here we show such a spatially non-monotonic correlation structure, characterized by significantly positive long-range correlations, in the inferior convexity of the macaque prefrontal cortex. This functional connectivity kernel was more pronounced during wakefulness than anesthesia and could be largely attributed to the spatial pattern of correlated variability between functionally similar neurons during structured visual stimulation. These results suggest that the spatial decay of lateral functional connectivity is not a common organizational principle of neocortical microcircuits. A non-monotonic correlation structure could reflect a critical topological feature of prefrontal microcircuits, facilitating their role in integrative processes.