LV
Luca Vizioli
Author with expertise in Analysis of Brain Functional Connectivity Networks
Achievements
Cited Author
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
14
(64% Open Access)
Cited by:
440
h-index:
11
/
i10-index:
13
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

Contextual Feedback to Superficial Layers of V1

Lars Muckli et al.Oct 1, 2015
+5
L
F
L
Neuronal cortical circuitry comprises feedforward, lateral, and feedback projections, each of which terminates in distinct cortical layers [1Larkum M. A cellular mechanism for cortical associations: an organizing principle for the cerebral cortex.Trends Neurosci. 2013; 36: 141-151Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (399) Google Scholar, 2Markov N.T. Vezoli J. Chameau P. Falchier A. Quilodran R. Huissoud C. Lamy C. Misery P. Giroud P. Ullman S. et al.Anatomy of hierarchy: feedforward and feedback pathways in macaque visual cortex.J. Comp. Neurol. 2014; 522: 225-259Crossref PubMed Scopus (364) Google Scholar, 3Sillito A.M. Cudeiro J. Jones H.E. Always returning: feedback and sensory processing in visual cortex and thalamus.Trends Neurosci. 2006; 29: 307-316Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (188) Google Scholar]. In sensory systems, feedforward processing transmits signals from the external world into the cortex, whereas feedback pathways signal the brain’s inference of the world [4Bastos A.M. Usrey W.M. Adams R.A. Mangun G.R. Fries P. Friston K.J. Canonical microcircuits for predictive coding.Neuron. 2012; 76: 695-711Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (1177) Google Scholar, 5Bullier J. Integrated model of visual processing.Brain Res. Brain Res. Rev. 2001; 36: 96-107Crossref PubMed Scopus (747) Google Scholar, 6Clark A. Whatever next? Predictive brains, situated agents, and the future of cognitive science.Behav. Brain Sci. 2013; 36: 181-204Crossref PubMed Scopus (2520) Google Scholar, 7Gilbert C.D. Sigman M. Brain states: top-down influences in sensory processing.Neuron. 2007; 54: 677-696Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (594) Google Scholar, 8Meyer K. Another remembered present.Science. 2012; 335: 415-416Crossref PubMed Scopus (11) Google Scholar, 9Muckli L. Petro L.S. Network interactions: non-geniculate input to V1.Curr. Opin. Neurobiol. 2013; 23: 195-201Crossref PubMed Scopus (86) Google Scholar, 10Mumford D. On the computational architecture of the neocortex. II. The role of cortico-cortical loops.Biol. Cybern. 1992; 66: 241-251Crossref PubMed Scopus (752) Google Scholar, 11Park H.J. Friston K. Structural and functional brain networks: from connections to cognition.Science. 2013; 342: 1238411Crossref PubMed Scopus (1100) Google Scholar]. However, the integration of feedforward, lateral, and feedback inputs within each cortical area impedes the investigation of feedback, and to date, no technique has isolated the feedback of visual scene information in distinct layers of healthy human cortex. We masked feedforward input to a region of V1 cortex and studied the remaining internal processing. Using high-resolution functional brain imaging (0.8 mm3) and multivoxel pattern information techniques, we demonstrate that during normal visual stimulation scene information peaks in mid-layers. Conversely, we found that contextual feedback information peaks in outer, superficial layers. Further, we found that shifting the position of the visual scene surrounding the mask parametrically modulates feedback in superficial layers of V1. Our results reveal the layered cortical organization of external versus internal visual processing streams during perception in healthy human subjects. We provide empirical support for theoretical feedback models such as predictive coding [10Mumford D. On the computational architecture of the neocortex. II. The role of cortico-cortical loops.Biol. Cybern. 1992; 66: 241-251Crossref PubMed Scopus (752) Google Scholar, 12Friston K. A theory of cortical responses.Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 2005; 360: 815-836Crossref PubMed Scopus (2475) Google Scholar] and coherent infomax [13Phillips W.A. Clark A. Silverstein S.M. On the functions, mechanisms, and malfunctions of intracortical contextual modulation.Neurosci. Biobehav. Rev. 2015; 52: 1-20Crossref PubMed Scopus (46) Google Scholar] and reveal the potential of high-resolution fMRI to access internal processing in sub-millimeter human cortex.
1

Psilocybin desynchronizes the human brain

Joshua Siegel et al.Jul 17, 2024
+30
G
A
J
Abstract A single dose of psilocybin, a psychedelic that acutely causes distortions of space–time perception and ego dissolution, produces rapid and persistent therapeutic effects in human clinical trials 1–4 . In animal models, psilocybin induces neuroplasticity in cortex and hippocampus 5–8 . It remains unclear how human brain network changes relate to subjective and lasting effects of psychedelics. Here we tracked individual-specific brain changes with longitudinal precision functional mapping (roughly 18 magnetic resonance imaging visits per participant). Healthy adults were tracked before, during and for 3 weeks after high-dose psilocybin (25 mg) and methylphenidate (40 mg), and brought back for an additional psilocybin dose 6–12 months later. Psilocybin massively disrupted functional connectivity (FC) in cortex and subcortex, acutely causing more than threefold greater change than methylphenidate. These FC changes were driven by brain desynchronization across spatial scales (areal, global), which dissolved network distinctions by reducing correlations within and anticorrelations between networks. Psilocybin-driven FC changes were strongest in the default mode network, which is connected to the anterior hippocampus and is thought to create our sense of space, time and self. Individual differences in FC changes were strongly linked to the subjective psychedelic experience. Performing a perceptual task reduced psilocybin-driven FC changes. Psilocybin caused persistent decrease in FC between the anterior hippocampus and default mode network, lasting for weeks. Persistent reduction of hippocampal-default mode network connectivity may represent a neuroanatomical and mechanistic correlate of the proplasticity and therapeutic effects of psychedelics.
1

Lowering the Thermal Noise Barrier in Functional Brain Mapping with Magnetic Resonance Imaging

Luca Vizioli et al.Nov 5, 2020
+4
L
S
L
Abstract Functional magnetic resonance imaging (fMRI) has become one of the most powerful tools for investigating the human brain. However, virtually all fMRI studies have relatively poor signal-to-noise ratio (SNR). Here we introduce a novel fMRI denoising technique, which suppresses noise that is indistinguishable from zero-mean, Gaussian-distributed noise. Thermal noise, falling in this category, is a major source of noise in fMRI, particularly, but not exclusively, at high spatial and/or temporal resolutions. Using 7-Tesla high-resolution data, we demonstrate improvements in temporal-SNR, the detection of stimulus-induced signal changes, and functional maps, while leaving stimulus-induced signal change amplitudes, image spatial precision, and functional point-spread-function unaltered. We also show that the method is equally applicable when using supra-millimeter resolution 3- and 7-Tesla fMRI data, different cortical regions, stimulation/task paradigms, and acquisition strategies. This denoising approach improves key metrics of functional activation detection while preserving spatial precision.
1
Citation7
0
Save
11

Characterizing top-down microcircuitry of complex human behavior across different levels of the visual hierarchy

Logan Dowdle et al.Dec 3, 2022
+3
S
G
L
Abstract FMRI has become a key tool for human neuroscience. At ultra-high field (=> 7 Tesla) it is possible to acquire images with submillimeter spatial precision, which allows examinations of mesoscale functional organization. Studying the brain at this scale does not come without its challenges, however. To tackle some of these challenges, we propose an approach that builds upon task modulations to identical visual stimuli and the simultaneous imaging of distal areas of varying complexity across the cortical hierarchy. Specifically, we record BOLD responses elicited by face stimuli during a stimulus relevant and a stimulus irrelevant task across cortical depths in V1, Occipital Face (OFA) and Fusiform Face area (FFA). We observed that task-related top-down modulations were larger in the inner compared to the outer layers of V1; and in the outer compared to the inner layers in the FFA. Our findings are consistent with animal reports of feedback exchange between deeper and superficial layers and with the notion of apical dendritic amplification as a key mechanism of conscious perception. Our approach showcases the potential of “laminar-fMRI” to explore large scale network activity and represents a promising step towards characterizing laminar functional profiles in humans for complex, cognitively meaningful, and socially relevant stimuli such as faces.
0

RF coil design strategies for improving SNR at the ultrahigh magnetic field of 10.5 Tesla

Matt Waks et al.May 26, 2024
+16
E
R
M
To develop multichannel transmit and receive arrays towards capturing the ultimate-intrinsic-SNR (uiSNR) at 10.5 Tesla (T) and to demonstrate the feasibility and potential of whole-brain, high-resolution human brain imaging at this high field strength.
0
Paper
Citation1
0
Save
5

NORDIC Increases the Sensitivity and Preserves the Spatiotemporal Precision of fMRI Responses

Logan Dowdle et al.Aug 28, 2021
+5
S
L
L
Abstract As the neuroimaging field moves towards detecting smaller effects at higher spatial resolutions, and faster sampling rates, there is increased attention given to the deleterious contribution of unstructured, thermal noise. Here, we critically evaluate the performance of a recently developed reconstruction method, termed NORDIC, for suppressing thermal noise using datasets acquired with various field strengths, voxel sizes, sampling rates, and task designs. Following minimal preprocessing, statistical activation (t-values) of NORDIC processed data was compared to the results obtained with alternative denoising methods. Additionally, we examined the consistency of the estimates of task responses at the single-voxel, single run level, using a finite impulse response (FIR) model. To examine the potential impact on effective image resolution, the overall smoothness of the data processed with different methods was estimated. Finally, to determine if NORDIC alters or removes important temporal information, we employed an exhaustive leave-p-out cross validation approach, using FIR task responses to predict held out timeseries, quantified using R 2 . After NORDIC, the t-values are increased, an improvement comparable to what could be achieved by 1.5 voxels smoothing, and task events are clearly visible and have less cross-run error. These advantages are achieved in the absence of large changes in estimates of spatial smoothness. Cross-validated R 2 s based on the FIR models show that NORDIC is not measurably distorting the temporal structure of the data and is the best predictor of non-denoised time courses. The results demonstrate that analyzing 1 run of data after NORDIC produces results equivalent to using 2 to 3 original runs and that NORDIC performs equally well across a diverse array of functional imaging protocols. Significance Statement For functional neuroimaging, the increasing availability of higher field strengths and ever higher spatiotemporal resolutions has led to concomitant increase in concerns about the deleterious effects of thermal noise. Historically this noise source was suppressed using methods that reduce spatial precision such as image blurring or averaging over a large number of trials or sessions, which necessitates large data collection efforts. Here, we critically evaluate the performance of a recently developed reconstruction method, termed NORDIC. Across datasets varying in field strength, voxel sizes, sampling rates, and task designs, NORDIC produces substantial gains in data quality. Both conventional t-statistics derived from general linear models and coefficients of determination for predicting unseen data are improved, while avoiding meaningful increases in typical estimates of image smoothness or substantial losses of temporal information.
2

Statistical Power or More Precise Insights into Neuro-Temporal Dynamics? Assessing the Benefits of Rapid Temporal Sampling in fMRI

Logan Dowdle et al.Jun 7, 2021
+3
C
G
L
Abstract Functional magnetic resonance imaging (fMRI), a non-invasive and widely used human neuroimaging method, is most known for its spatial precision. However, there is a growing interest in its temporal sensitivity. This is despite the temporal blurring of neuronal events by the blood oxygen level dependent (BOLD) signal, the peak of which lags neuronal firing by 4 to 6 seconds. Given this, the goal of this review is to answer a seemingly simple question – “What are the benefits of increased temporal sampling for fMRI?”. To answer this, we have combined fMRI data collected at multiple temporal scales, from 323 to 1000 milliseconds, with a review of both historical and contemporary temporal literature. After a brief discussion of technological developments that have rekindled interest in temporal research, we next consider the potential statistical and methodological benefits. Most importantly, we explore how fast fMRI can uncover previously unobserved neuro-temporal dynamics – effects that are entirely missed when sampling at conventional 1 to 2 second rates. With the intrinsic link between space and time in fMRI, this temporal renaissance also delivers improvements in spatial precision. Far from producing only statistical gains, the array of benefits suggest that the continued temporal work is worth the effort.
2
Paper
Citation1
0
Save
0

Evaluating the effect of denoising submillimeter auditory fMRI data with NORDIC

Lonike Faes et al.Jan 25, 2024
+6
G
A
L
Functional magnetic resonance imaging (fMRI) has emerged as an essential tool for exploring human brain function. Submillimeter fMRI, in particular, has emerged as a tool to study mesoscopic computations. The inherently low signal to noise ratio (SNR) at submillimeter resolutions warrants the use of denoising approaches tailored at reducing thermal noise; the dominant contributing noise component in high resolution fMRI. NORDIC PCA is one of such approaches, and has been benchmarked against other approaches in several applications. Here, we investigate the effects that two versions of NORDIC denoising have on auditory submillimeter data. As investigating auditory functional responses poses unique challenges, we anticipated that the benefit of this technique would be especially pronounced. Our results show that NORDIC denoising improves the detection sensitivity and the reliability of estimates in submillimeter auditory fMRI data. These effects can be explained by the reduction of the noise-induced signal variability. However, we also observed a reduction in the average response amplitude (percent signal), which may suggest that a small amount of signal was also removed. We conclude that, while evaluating the effects of the signal reduction induced by NORDIC may be necessary for each application, using NORDIC in high resolution auditory fMRI studies may be advantageous because of the large reduction in variability of the estimated responses.
0

Clarifying the role of higher-level cortices in resolving perceptual ambiguity using Ultra High Field fMRI

Logan Dowdle et al.May 30, 2020
+2
K
G
L
Abstract The brain is organized into distinct, flexible networks. Within these networks, cognitive variables such as attention can modulate sensory representations in accordance with moment-to-moment behavioral requirements. These modulations can be studied by varying task demands; however, the tasks employed are often incongruent with the postulated functions of a sensory system, limiting the characterization of the system in relation to natural behaviors. Here we combine domain-specific task manipulations and ultra-high field fMRI to study the nature of top-down modulations. We exploited faces, a visual category underpinned by a complex cortical network, and instructed participants to perform either a stimulus-relevant/domain-specific or a stimulus-irrelevant task in the scanner. We found that 1. perceptual ambiguity (i.e. difficulty of achieving a stable percept) is encoded in top-down modulations from higher-level cortices; 2. the right inferior-temporal lobe is active under challenging conditions and uniquely encodes trial-by-trial variability in face perception.
0

Multivoxel Pattern of Blood Oxygen Level Dependent Activity can be sensitive to stimulus specific fine scale responses

Luca Vizioli et al.Oct 8, 2019
+4
L
F
L
At ultra-high field, fMRI voxels can span the sub-millimeter range, allowing the recording of blood oxygenation level dependent (BOLD) responses at the level of fundamental units of neural computation, such as cortical columns and layers. This sub-millimeter resolution, however, is only nominal in nature as a number of factors limit the spatial acuity of functional voxels. Multivoxel Pattern Analysis (MVPA) may provide a means to detect information at finer spatial scales that may otherwise not be visible at the single voxel level due to limitations in sensitivity and specificity. Here, we evaluate the spatial scale of stimuli specific BOLD responses in multivoxel patterns exploited by linear Support Vector Machine, Linear Discriminant Analysis and Naive Bayesian classifiers across cortical depths in V1. To this end, we artificially misaligned the testing relative to the training portion of the data in increasing spatial steps, then investigated the breakdown of the classifiers performances. A one voxel shift led to a significant decrease in decoding accuracy (p<.05) across all cortical depths, indicating that stimulus specific responses in a multivoxel pattern of BOLD activity exploited by multivariate decoders can be as precise as the nominal resolution of single voxels (here .8 mm isotropic). Our results further indicate that large draining vessels, prominently residing in proximity of the pial surface, do not, in this case, hinder the ability of MVPA to exploit fine scale patterns of BOLD signals. We argue that tailored analytical approaches can help overcoming limitations in high-resolution fMRI and permit studying the mesoscale organization of the human brain with higher sensitivities.
Load More