Abstract We employed high-resolution functional MRI (fMRI) to distinguish the impacts of anisometropia and strabismus (the two most frequent causes of amblyopia) on the evoked ocular dominance (OD) response. Sixteen amblyopic participants (8 females), comprising 8 individuals with strabismus, 7 with anisometropia, 1 with deprivational amblyopia, along with 8 individuals with normal visual acuity (1 female), participated in this study for whom, we measured the difference between the response to stimulation of the two eyes, across early visual areas (V1-V4). In controls, as expected from the organization of OD columns, the evoked OD response formed a striped pattern that was mostly confined to V1. Compared to controls, the OD response in amblyopic participants formed larger fused patches that extended into downstream visual areas. Moreover, both anisometropic and strabismic participants showed stronger OD responses in V1, as well as in downstream visual areas V2-V4. Although this increase was most pronounced in V1, the correlation between the OD response level and the interocular visual acuity difference (measured behaviorally) was stronger in higher-level visual areas (V2–V4). Beyond these common effects, and despite similar densities of amblyopia between the anisometropic and strabismic participants, we found a greater increase in the size of V1 portion that responded preferentially to fellow eye stimulation in anisometropic compared to strabismic individuals. We also found a greater difference between the amplitudes of the response to binocular stimulation, in those regions that responded preferentially to the fellow vs. amblyopic eye, in anisometropic compared to strabismic subjects. In contrast, strabismic subjects demonstrated increased correlation between the OD responses evoked within V1 superficial and deep cortical depths, whereas anisometropic subjects did not. These results provide some of the first direct functional evidence for distinct impacts of strabismus and anisometropia on the mesoscale functional organization of the human visual system, thus extending what was inferred previously about amblyopia from animal models.

Multivariate pattern analysis (MVPA) methods are a versatile tool to retrieve information from neurophysiological data obtained with functional magnetic resonance imaging (fMRI) techniques. Since fMRI is based on measuring the hemodynamic response following neural activation, the spatial specificity of the fMRI signal is inherently limited by contributions of macrovascular compartments that drain the signal from the actual location of neural activation, making it challenging to image cortical structures at the spatial scale of cortical columns and layers. By relying on information from multiple voxels, MVPA has shown promising results in retrieving information encoded in fine-grained spatial patterns. We examined the spatial specificity of the signal exploited by MVPA. Over multiple sessions, we measured ocular dominance columns (ODCs) in human primary visual cortex (V1) with different acquisition techniques at 7 T. For measurements with blood oxygenation level dependent contrast (BOLD), we included both gradient echo- (GE-BOLD) and spin echo-based (SE-BOLD) sequences. Furthermore, we acquired data using the vascular-space-occupancy (VASO) fMRI technique, which is sensitive to cerebral blood volume (CBV) changes. We used the data to decode the eye-of-origin across cortical depth. While ocularity information can be decoded with all imaging techniques, the macrovascular contributions in GE- and SE-BOLD limit their use for discriminating signals between cortical layers. However, the cortical profile of decoded ocularity information from VASO measurements better reflects the expected profile of neural activity, suggesting the combination of VASO and MVPA to be a promising approach for investigating the mesoscopic circuitry of the human cerebral cortex.

The primary visual cortex (V1) in humans and many animals is comprised of fine-scale neuronal ensembles that respond preferentially to the stimulation of one eye over the other, also known as the ocular dominance columns (ODCs). Despite its importance in shaping our perception, to date, the nature of the functional interactions between ODCs has remained poorly understood. In this work, we aimed to improve our understanding of the interaction mechanisms between fine-scale neuronal structures distributed within V1. To that end, we applied high-resolution functional MRI to study mechanisms of functional connectivity between ODCs. Using this technique, we quantified the level of functional connectivity between ODCs as a function of the ocular preference of ODCs, showing that alike ODCs are functionally more connected compared to unalike ones. Through these experiments, we aspired to contribute to filling the gap in our knowledge of the functional connectivity of ODCs in humans as compared to animals.

Abstract In humans and non-human primates (NHPs), motion and stereopsis are processed within fine-scale cortical sites, including V2 thick stripes and their extensions into areas V3 and V3A that are believed to be under the influence of magnocellular stream. However, in both species, the functional organization (overlapping vs. interdigitated) of these sites remains unclear. Using high-resolution functional MRI (fMRI), we found evidence for two interdigitated channels within human extrastriate areas that contribute to processing motion and stereopsis. Across multiple experiments that included different stimuli (random dots, gratings, and natural scenes), the functional selectivity of these channels for motion vs. stereopsis remained consistent. Furthermore, an analysis of resting state functional connectivity revealed stronger functional connectivity within the two channels rather than between them. This finding provides a new perspective toward the mesoscale organization of the magnocellular stream within the human extrastriate visual cortex, beyond our previous understanding based on animal models.

Abstract The characterization of cortical myelination is essential for the study of structure-function relationships in the human brain. However, knowledge about cortical myelination is largely based on post mortem histology, which generally renders direct comparison to function impossible. The repeating pattern of pale-thin-pale-thick stripes of cytochrome oxidase (CO) activity in the primate secondary visual cortex (V2) is a prominent columnar system, in which histology also indicates different myelination of thin/thick versus pale stripes. We used quantitative magnetic resonance imaging (qMRI) in conjunction with functional magnetic resonance imaging (fMRI) at ultra-high field strength (7 T) to localize and study myelination of stripes in four human participants at sub-millimeter resolution in vivo . Thin and thick stripes were functionally localized by exploiting their sensitivity to color and binocular disparity, respectively. Resulting functional activation maps showed robust stripe patterns in V2 which enabled further comparison of quantitative relaxation parameters between stripe types. Thereby, we found lower longitudinal relaxation rates ( R 1 ) of thin and thick stripes compared to surrounding gray matter in the order of 1–2%, indicating higher myelination of pale stripes. No consistent differences were found for effective transverse relaxation rates . The study demonstrates the feasibility to investigate structure-function relationships in living humans within one cortical area at the level of columnar systems using qMRI.

Amblyopia is a developmental disorder associated with reduced performance in visually guided tasks, including binocular navigation within natural environments. To help understand the underlying neurological disorder, we used fMRI to test the impact of amblyopia on the functional organization of scene-selective cortical areas, including the posterior intraparietal gyrus scene-selective (PIGS) area, a recently discovered region that responds selectively to ego-motion within naturalistic environments (Kennedy et al., 2024). Nineteen amblyopic adults (10 female) and thirty age-matched controls (12 female) participated in this study. Amblyopic participants spanned a wide range of amblyopia severity, based on their interocular visual acuity difference and stereoacuity. The visual function questionnaire (VFQ-39) was used to assess the participants' perception of their visual capabilities. Compared to controls, we found weaker scene-selective activity within the PIGS area in amblyopic individuals. By contrast, the level of scene-selective activity across the occipital place area (OPA), parahippocampal place area (PPA), and retrosplenial cortex (RSC)) remained comparable between amblyopic and control participants. The subjects' scores on "general vision" (VFQ-39 subscale) correlated with the level of scene-selective activity in PIGS. These results provide novel and direct evidence for amblyopia-related changes in scene-processing networks, thus enabling future studies to potentially link these changes across the spectrum of documented disabilities in amblyopia.