Decoding Distributed Neuronal Activity in Extrastriate Cortical Areas for the Visual Prosthetic Applications

Les prothèses visuelles corticales sont planifiées pour restaurer la vision chez les individus non-voyants en appliquant du courant électrique à des sites discrets sur le cortex visuel. À ce jour, la qualité de la vision rapportée dans la littérature est celle d'un petit nombre de phosphènes (percept de spots lumineux spatialement localisés) sans organisation pour générer un percept significatif. Le principal défi consiste à développer des méthodes pour transférer les informations d'une scène visuelle dans un schéma de stimulation compréhensible pour le cerveau. Une connaissance clé pour résoudre ce défi est de comprendre comment les caractéristiques du phosphène (ou en général, les caractéristiques visuelles) sont représentées dans le modèle distribué d'activité neuronale. Une approche pour obtenir ces connaissances consiste à déterminer dans quelle mesure les réponses neuronales bien réparties peuvent détecter les changements dans une caractéristique visuelle spécifique des stimuli. Pour atteindre cet objectif, nous avons étudié la capacité de discrimination des zones corticales extrastriées V4 chez les singes macaques. Ces zones extrastriées ont de petites régions rétinotopiques qui offrent la possibilité d'échantillonner une grande région de l'espace visuel à l'aide de réseaux de microelectrodes standard telles que celles de l'Université d'Utah. Cela aide à construire des prothèses mini-invasives. Notre contribution concerne la résolution spatiale des potentiels de champs locaux (LFP) dans la zone V4 pour déterminer les limites de la capacité des prothèses visuelles à induire des phosphènes à plusieurs positions. Les LFP ont été utilisés car ils représentent une activité neuronale sur une échelle de 400 microns, ce qui est comparable à la propagation de l'effet de microstimulation dans le cortex. La zone visuelle extrastriée V4 contient également une carte rétinotopique de l'espace visuel et offre la possibilité de récupérer l'emplacement des stimuli statiques. Nous avons appliqué la méthode «Support vector machine» (SVM) pour déterminer la capacité des LFP (par rapport aux réponses à plusieurs unités - MUA) à discriminer les réponses (phosphènes) aux stimuli à différentes séparations spatiales. Nous avons constaté que malgré les grandes tailles de champs récepteurs dans V4, les réponses combinées de plusieurs sites étaient capables de discrimination fine et grossière des positions. Nous avons proposé une stratégie de sélection des électrodes basée sur les poids linéaires des décodeurs (en utilisant les valeurs de poids les plus élevées) qui a considérablement réduit le nombre d'électrodes requis pour la discrimination avec une augmentation des performances. L'application de cette stratégie présente l'avantage potentiel de réduire les dommages tissulaires dans les applications réelles. Nous avons conclu que pour un fonctionnement correct des prothèses, la microstimulation électrique devrait générer un schéma d'activité neuronale similaire à l'activité évoquée correspondant à un percept attendu. De plus, lors de la conception d'une prothèse visuelle, les limites de la capacité de discrimination des zones cérébrales implantées doivent être prises en compte. Ces limites peuvent différer pour MUA et LFP.