An investigation of sub-cortical contributions to self-motion perception

Our ability to navigate the world around us requires that the brain maintain a representation of ongoing self-motion. In order for this to occur, vestibular sensory information about rotational and linear movement of the head in space is relayed via vestibular afferents in the VIIIth cranial nerve to the vestibular nuclei in the brainstem. From there, vestibular signals contribute to gaze and posture-stabilizing reflexes through projections to oculomotor neurons and the spinal cord, as well as to cortical processing of spatial orientation and perception of self-motion. Through recordings in rhesus monkey, the goal of my thesis work is to investigate the encoding of these signals in ascending vestibulo-thalamic pathways that contribute to self-motion perception.My first focus was the vestibular projection through the nucleus prepositus to the anterior thalamus. This pathway has been suggested as a potential relay for vestibular signals to the head direction network, which provides an estimate of spatial orientation. I demonstrate that this is not the case. Instead, burst-tonic neurons, which make up the vast majority of neurons in the nucleus prepositus, exhibit activity related to eye position and eye velocity, even during concurrent head motion. These results are consistent with the role of the nucleus prepositus as the velocity-to-position neural integrator providing premotor control for horizontal eye movements. To understand the mechanism by which the ensemble of burst-tonic neurons achieves encoding of eye position from eye velocity inputs, I next performed ipsilateral pairwise recordings in the nucleus prepositus. I observed that the responses of these premotor neurons were highly correlated; moreover, neuronal activities were synchronized to a level exceeding what would be predicted from their firing rates and eye position sensitivities. Interestingly, I observed the magnitude of the excess synchrony was both behaviorally and anatomically dependent, consistent with the effects of common inhibitory input from the contralateral nucleus prepositus targeting burst-tonic neurons within a confined area. Together, my findings provide new insights into the intrinsic circuitry of the nucleus prepositus, while highlighting predominant eye position encoding in a key component of the anterior vestibulo-thalamic pathway.The second focus of my thesis was the vestibular processing pathway through the posterior thalamus, particularly the ventral posterior lateral nucleus, which projects directly to widespread cortical areas. I first identified two populations of vestibular sensitive neurons based on their sensitivities to neck proprioception. I then found that both populations selectively respond to externally-generated self-motion, and with greater selectivity than their input neurons. These results reveal that the vestibular thalamus relays vestibular sensory information to cortex in a behaviorally dependent manner.Finally, I analyzed simultaneously recorded pairs of vestibular afferents and pairs of vestibular nuclei neurons to understand how target neurons in the vestibular thalamus might integrate their inputs. By measuring noise correlations, I demonstrated that the activities of pairs of vestibular neurons exhibit uncorrelated variability both in the resting state and in responses to passive and active head movements. Thus, the vestibulo-thalamic projections discussed here receive largely independent inputs from the vestibular nuclei. This, in turn, suggests that variability in sensory responses can be averaged away by neurons in the thalamus, leading to a more accurate representation of ongoing head motion. Taken together, the results of this PhD thesis provide new understanding of sensory processing in ascending vestibular pathways. My findings suggest the need to reevaluate the coding of vestibular information in higher-order centers, especially to address potential differences in processing across behavioral conditions.Notre capacité à naviguer dans le monde qui nous entoure requière que le cerveau maintienne une représentation précise de nos déplacements. Pour ce faire, les informations vestibulaires issues des mouvements angulaires et linéaires de la tête sont relayées via les afférents vestibulaires contenus dans le nerf crânien VIII jusqu'au noyau vestibulaire situé dans le tronc cérébral. Le signal vestibulaire contribue aux reflexes de stabilisation de la posture et du regard grâce aux projections vers la moelle épinière ainsi celles vers les neurones oculomoteurs. De plus, le signal vestibulaire contribue aux processus corticaux de l'orientation spatiale et de la perception de nos propres déplacements. Le but de mon travail de thèse est d'explorer de quelle façon le signal vestibulaire est encodé dans la voie ascendante vestibulo-thalamique, laquelle contribue à la perception de ces propres déplacements.Mon premier objectif était de caractériser les projections vestibulaires en provenance du noyau prepositus vers le thalamus antérieur. Cette voie a été suggérée comme étant un relais potentiel pour les signaux vestibulaires vers le réseau neuronal encodant la direction de la tête. Ultimement, cette voie permet d'effectuer une estimation de l'orientation spatiale. Cependant, les résultats de cette thèse ne supportent pas cette suggestion. Plutôt, je démontre que les neurones "burst-tonic", qui constituent la grande majorité des neurones dans le noyau prepositus, ont une activité liée à la position et la vitesse des yeux, et ce, même lors un mouvement simultané de la tête. Pour comprendre le mécanisme par lequel l'ensemble des neurones "burst-tonic" réalisent le codage de la position des yeux à partir des informations de vitesse oculaire, j'ai réalisé des enregistrements ipsilatéraux par paires dans le noyau prepositus. J'ai observé que les réponses de ces neurones pré-moteurs étaient fortement corrélées. De plus, les activités neuronales sont synchronisées à un niveau dépassant ce qui serait prévu à partir de leurs vitesses de déclenchement et de leur sensibilité à la position des yeux. De façon intéressante, j'ai observé que l'amplitude de l'excès de synchronie était dépendante du comportement et de l'anatomiquement. Ce qui est cohérent avec les effets de l'entrée inhibitrice commune du noyau controlatéral prepositus ciblant les neurones "burst-tonic" à l'interieur d'une zone confinée. Le deuxième axe de ma thèse portait sur la voie du traitement des informations vestibulaires à travers le thalamus postérieur, en particulier, le noyau latéral postérieur ventral, lequel projette directement vers d'importantes zones corticales. J'ai d'abord identifié deux populations de neurones vestibulaires en fonction de leur sensibilité à la proprioception du cou. J'ai alors trouvé que les deux populations répondaient sélectivement aux mouvements passifs de la tête. Cette sélectivité est supérieure à celle des neurones projetant au thalamus. Finalement, j'ai analysé simultanément des paires de neurones afférents vestibulaires et des paires de neurones du noyau vestibulaire pour comprendre comment les neurones cibles du thalamus vestibulaire intégraient les signaux entrants. En mesurant les corrélations du bruit neuronal, j'ai démontré que la variabilité des réponses vestibulaires n'est pas corrélée à la décharge de repos ni à la modulation neuronale pendant les mouvements actifs et passifs de la tête. Ainsi, les projections vestibulo-thalamiques discutées ici reçoivent des informations indépendantes des noyaux vestibulaires. Dans l'ensemble, les résultats de cette thèse de doctorat fournissent une nouvelle compréhension du traitement sensoriel des voies vestibulaires ascendantes. Mes résultats mettent en évidence la nécessité de réévaluer le codage de l'information vestibulaire dans centres d'ordre supérieur, en particulier pour traiter les différences potentielles dans le traitement des diverses conditions comportementales