Modulación mediada por recompensas de la actividad neuronal de la banda diagonal de Broca y la corteza visual primaria
- Autores
- Santos, María Florencia
- Año de publicación
- 2025
- Idioma
- español castellano
- Tipo de recurso
- tesis doctoral
- Estado
- versión publicada
- Colaborador/a o director/a de tesis
- Zold, Camila Lidia
- Descripción
- La corteza visual primaria (V1) constituye el primer nivel de procesamiento cortical de la información visual. Tradicionalmente se la ha considerado un detector pasivo e inmutable de estímulos visuales. Sin embargo, numerosos estudios han demostrado que V1 mantiene una notable plasticidad incluso en la adultez. En particular, se ha observado que, tras el aprendizaje de una asociación entre una clave visual y una recompensa futura, un subgrupo de neuronas de V1 comienza a codificar el intervalo temporal entre ambos eventos, indicando que funciones cerebrales complejas, como la codificación de la expectativa temporal de la recompensa, pueden surgir en etapas tempranas de las vías sensoriales. Por otro lado, se ha demostrado que las proyecciones colinérgicas del basal forebrain (BF) son necesarias y suficientes para inducir esta forma de codificación temporal en V1. El BF constituye uno de los sistemas neuromoduladores clave en la regulación de procesos como la atención, el aprendizaje, la memoria y la plasticidad sináptica. Sin embargo, aún se desconoce cómo responden sus neuronas durante el aprendizaje de tareas operantes recompensadas, y de qué manera estas señales pueden interactuar con la actividad de V1. Esta tesis busca comprender las propiedades de codificación de las neuronas de la banda diagonal de Broca (HDB), uno de los principales núcleos del BF con proyecciones hacia V1, durante el aprendizaje de una tarea operante recompensada guiada por una clave visual. En esta tesis, registramos la actividad neuronal en V1 y el HDB mientras ratones C57BL/6 aprendían una tarea operante recompensada, y analizamos la respuesta de sus neuronas a distintos eventos relevantes a lo largo del entrenamiento. Nuestros resultados muestran que los animales aprenden exitosamente la tarea, y que en V1 emerge la señal de expectativa temporal a la recompensa previamente reportada en bibliografía. Por su parte, las neuronas del HDB codifican tanto el estímulo visual como la entrega de la recompensa desde las primeras etapas del aprendizaje, y esta codificación se mantiene constante durante el entrenamiento. A medida que progresa el entrenamiento, emergen respuestas asociadas a la omisión de la recompensa, compatibles con una señal de error de predicción, así como una señal de expectativa temporal que refleja el intervalo entre la presentación de la clave visual y el momento de entrega de la recompensa. Esta señal del HDB podría estar modulando la actividad de las neuronas de V1 que manifiestan un patrón similar de codificación temporal. Nuestros resultados aportan un avance significativo en la comprensión del rol del HDB en funciones cognitivas, especialmente en el aprendizaje asociativo. Proponemos que las neuronas de esta estructura no sólo codifican y asocian estímulos relevantes mediante señales de refuerzo, sino que además podrían modular dinámicamente el procesamiento sensorial y ajustar las respuestas corticales según el contexto y la experiencia previa. Esto podría lograrse a través de la representación temporal del refuerzo y la codificación de señales de error de predicción, lo que posiciona al HDB como un nodo clave en la integración de información motivacional y temporal durante el aprendizaje.
The primary visual cortex (V1) constitutes the first cortical stage of visual information processing. Traditionally it has been regarded as a passive and immutable detector of sensory stimuli. However, numerous studies have demonstrated that V1 retains remarkable plasticity even in adulthood. In particular, it has been observed that, following the learning of an association between a visual cue and a future reward, a subset of V1 neurons begins to encode the temporal interval between these two events. This suggests that complex brain functions, such as the encoding of temporal reward expectancy, can emerge at early stages of sensory processing. On the other hand, cholinergic projections from the basal forebrain (BF) have been shown to be both necessary and sufficient to induce this form of temporal coding in V1. The BF constitutes one of the key neuromodulatory systems regulating processes such as attention, learning, memory, and synaptic plasticity. However, it remains largely unknown how BF neurons respond during the learning of operant tasks reinforced by reward, and how these signals might interact with activity in V1. This thesis aims to understand the coding properties of neurons in the horizontal limb of the diagonal band of Broca (HDB), one of the main BF nuclei projecting to V1, during the learning of a visually guided operant task. We recorded neuronal activity in V1 and the HDB while C57BL/6 mice learned a reward-based operant task, analyzing neuronal responses to various task-relevant events throughout training. Our results show that animals successfully learned the task, and that reward timing activity previously described in V1 emerges during learning. HDB neurons encoded both the visual stimulus and reward delivery from the earliest stages of learning, and this coding remains stable throughout training. As learning progresses, responses associated with reward omission emerge, consistent with a prediction error signal, along with a temporal expectation signal reflecting the time interval between the cue presentation and reward delivery. This HDB signal may modulate the activity of V1 neurons that exhibit a similar temporal coding profile. Taken together, our results provide significant advances in understanding the role of the HDB in cognitive functions especially associative learning. We propose that neurons in this structure not only encode and associate relevant stimuli via reinforcement signals, but may also dynamically modulate sensory processing and adjust cortical responses according to context and prior experience. This could be achieved through temporal representation of reinforcement and coding of prediction error signals, positioning the HDB as a key node in integrating motivational and temporal information during learning.
Fil: Santos, María Florencia. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. - Materia
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- Condiciones de uso
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Modulación mediada por recompensas de la actividad neuronal de la banda diagonal de Broca y la corteza visual primariaReward-mediated modulation of neural activity in the diagonal band of Broca and the primary visual cortexSantos, María FlorenciaCONDICIONAMIENTO OPERANTERECOMPENSASEÑAL DE EXPECTATIVA TEMPORALBASAL FOREBRAINCORTEZA VISUAL PRIMARIAELECTROFISIOLOGIAOPERANT CONDITIONINGREWARDTEMPORAL EXPECTANCY SIGNALBASAL FOREBRAINPRIMARY VISUAL CORTEXELECTROPHYSIOLOGYLa corteza visual primaria (V1) constituye el primer nivel de procesamiento cortical de la información visual. Tradicionalmente se la ha considerado un detector pasivo e inmutable de estímulos visuales. Sin embargo, numerosos estudios han demostrado que V1 mantiene una notable plasticidad incluso en la adultez. En particular, se ha observado que, tras el aprendizaje de una asociación entre una clave visual y una recompensa futura, un subgrupo de neuronas de V1 comienza a codificar el intervalo temporal entre ambos eventos, indicando que funciones cerebrales complejas, como la codificación de la expectativa temporal de la recompensa, pueden surgir en etapas tempranas de las vías sensoriales. Por otro lado, se ha demostrado que las proyecciones colinérgicas del basal forebrain (BF) son necesarias y suficientes para inducir esta forma de codificación temporal en V1. El BF constituye uno de los sistemas neuromoduladores clave en la regulación de procesos como la atención, el aprendizaje, la memoria y la plasticidad sináptica. Sin embargo, aún se desconoce cómo responden sus neuronas durante el aprendizaje de tareas operantes recompensadas, y de qué manera estas señales pueden interactuar con la actividad de V1. Esta tesis busca comprender las propiedades de codificación de las neuronas de la banda diagonal de Broca (HDB), uno de los principales núcleos del BF con proyecciones hacia V1, durante el aprendizaje de una tarea operante recompensada guiada por una clave visual. En esta tesis, registramos la actividad neuronal en V1 y el HDB mientras ratones C57BL/6 aprendían una tarea operante recompensada, y analizamos la respuesta de sus neuronas a distintos eventos relevantes a lo largo del entrenamiento. Nuestros resultados muestran que los animales aprenden exitosamente la tarea, y que en V1 emerge la señal de expectativa temporal a la recompensa previamente reportada en bibliografía. Por su parte, las neuronas del HDB codifican tanto el estímulo visual como la entrega de la recompensa desde las primeras etapas del aprendizaje, y esta codificación se mantiene constante durante el entrenamiento. A medida que progresa el entrenamiento, emergen respuestas asociadas a la omisión de la recompensa, compatibles con una señal de error de predicción, así como una señal de expectativa temporal que refleja el intervalo entre la presentación de la clave visual y el momento de entrega de la recompensa. Esta señal del HDB podría estar modulando la actividad de las neuronas de V1 que manifiestan un patrón similar de codificación temporal. Nuestros resultados aportan un avance significativo en la comprensión del rol del HDB en funciones cognitivas, especialmente en el aprendizaje asociativo. Proponemos que las neuronas de esta estructura no sólo codifican y asocian estímulos relevantes mediante señales de refuerzo, sino que además podrían modular dinámicamente el procesamiento sensorial y ajustar las respuestas corticales según el contexto y la experiencia previa. Esto podría lograrse a través de la representación temporal del refuerzo y la codificación de señales de error de predicción, lo que posiciona al HDB como un nodo clave en la integración de información motivacional y temporal durante el aprendizaje.The primary visual cortex (V1) constitutes the first cortical stage of visual information processing. Traditionally it has been regarded as a passive and immutable detector of sensory stimuli. However, numerous studies have demonstrated that V1 retains remarkable plasticity even in adulthood. In particular, it has been observed that, following the learning of an association between a visual cue and a future reward, a subset of V1 neurons begins to encode the temporal interval between these two events. This suggests that complex brain functions, such as the encoding of temporal reward expectancy, can emerge at early stages of sensory processing. On the other hand, cholinergic projections from the basal forebrain (BF) have been shown to be both necessary and sufficient to induce this form of temporal coding in V1. The BF constitutes one of the key neuromodulatory systems regulating processes such as attention, learning, memory, and synaptic plasticity. However, it remains largely unknown how BF neurons respond during the learning of operant tasks reinforced by reward, and how these signals might interact with activity in V1. This thesis aims to understand the coding properties of neurons in the horizontal limb of the diagonal band of Broca (HDB), one of the main BF nuclei projecting to V1, during the learning of a visually guided operant task. We recorded neuronal activity in V1 and the HDB while C57BL/6 mice learned a reward-based operant task, analyzing neuronal responses to various task-relevant events throughout training. Our results show that animals successfully learned the task, and that reward timing activity previously described in V1 emerges during learning. HDB neurons encoded both the visual stimulus and reward delivery from the earliest stages of learning, and this coding remains stable throughout training. As learning progresses, responses associated with reward omission emerge, consistent with a prediction error signal, along with a temporal expectation signal reflecting the time interval between the cue presentation and reward delivery. This HDB signal may modulate the activity of V1 neurons that exhibit a similar temporal coding profile. Taken together, our results provide significant advances in understanding the role of the HDB in cognitive functions especially associative learning. We propose that neurons in this structure not only encode and associate relevant stimuli via reinforcement signals, but may also dynamically modulate sensory processing and adjust cortical responses according to context and prior experience. This could be achieved through temporal representation of reinforcement and coding of prediction error signals, positioning the HDB as a key node in integrating motivational and temporal information during learning.Fil: Santos, María Florencia. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y NaturalesZold, Camila Lidia2025-07-14info:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionhttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06info:ar-repo/semantics/tesisDoctoralapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7768_Santosspainfo:eu-repo/semantics/openAccesshttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/arreponame:Biblioteca Digital (UBA-FCEN)instname:Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturalesinstacron:UBA-FCEN2026-10-01T10:15:36Ztesis:tesis_n7768_SantosInstitucionalhttps://digital.bl.fcen.uba.ar/Universidad públicaNo correspondehttps://digital.bl.fcen.uba.ar/cgi-bin/oaiserver.cgiana@bl.fcen.uba.arArgentinaNo correspondeNo correspondeNo correspondeopendoar:18962026-10-01 10:15:40.236Biblioteca Digital (UBA-FCEN) - Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturalesfalse |
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La corteza visual primaria (V1) constituye el primer nivel de procesamiento cortical de la información visual. Tradicionalmente se la ha considerado un detector pasivo e inmutable de estímulos visuales. Sin embargo, numerosos estudios han demostrado que V1 mantiene una notable plasticidad incluso en la adultez. En particular, se ha observado que, tras el aprendizaje de una asociación entre una clave visual y una recompensa futura, un subgrupo de neuronas de V1 comienza a codificar el intervalo temporal entre ambos eventos, indicando que funciones cerebrales complejas, como la codificación de la expectativa temporal de la recompensa, pueden surgir en etapas tempranas de las vías sensoriales. Por otro lado, se ha demostrado que las proyecciones colinérgicas del basal forebrain (BF) son necesarias y suficientes para inducir esta forma de codificación temporal en V1. El BF constituye uno de los sistemas neuromoduladores clave en la regulación de procesos como la atención, el aprendizaje, la memoria y la plasticidad sináptica. Sin embargo, aún se desconoce cómo responden sus neuronas durante el aprendizaje de tareas operantes recompensadas, y de qué manera estas señales pueden interactuar con la actividad de V1. Esta tesis busca comprender las propiedades de codificación de las neuronas de la banda diagonal de Broca (HDB), uno de los principales núcleos del BF con proyecciones hacia V1, durante el aprendizaje de una tarea operante recompensada guiada por una clave visual. En esta tesis, registramos la actividad neuronal en V1 y el HDB mientras ratones C57BL/6 aprendían una tarea operante recompensada, y analizamos la respuesta de sus neuronas a distintos eventos relevantes a lo largo del entrenamiento. 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Proponemos que las neuronas de esta estructura no sólo codifican y asocian estímulos relevantes mediante señales de refuerzo, sino que además podrían modular dinámicamente el procesamiento sensorial y ajustar las respuestas corticales según el contexto y la experiencia previa. Esto podría lograrse a través de la representación temporal del refuerzo y la codificación de señales de error de predicción, lo que posiciona al HDB como un nodo clave en la integración de información motivacional y temporal durante el aprendizaje. The primary visual cortex (V1) constitutes the first cortical stage of visual information processing. Traditionally it has been regarded as a passive and immutable detector of sensory stimuli. However, numerous studies have demonstrated that V1 retains remarkable plasticity even in adulthood. In particular, it has been observed that, following the learning of an association between a visual cue and a future reward, a subset of V1 neurons begins to encode the temporal interval between these two events. This suggests that complex brain functions, such as the encoding of temporal reward expectancy, can emerge at early stages of sensory processing. On the other hand, cholinergic projections from the basal forebrain (BF) have been shown to be both necessary and sufficient to induce this form of temporal coding in V1. The BF constitutes one of the key neuromodulatory systems regulating processes such as attention, learning, memory, and synaptic plasticity. However, it remains largely unknown how BF neurons respond during the learning of operant tasks reinforced by reward, and how these signals might interact with activity in V1. This thesis aims to understand the coding properties of neurons in the horizontal limb of the diagonal band of Broca (HDB), one of the main BF nuclei projecting to V1, during the learning of a visually guided operant task. We recorded neuronal activity in V1 and the HDB while C57BL/6 mice learned a reward-based operant task, analyzing neuronal responses to various task-relevant events throughout training. Our results show that animals successfully learned the task, and that reward timing activity previously described in V1 emerges during learning. HDB neurons encoded both the visual stimulus and reward delivery from the earliest stages of learning, and this coding remains stable throughout training. As learning progresses, responses associated with reward omission emerge, consistent with a prediction error signal, along with a temporal expectation signal reflecting the time interval between the cue presentation and reward delivery. This HDB signal may modulate the activity of V1 neurons that exhibit a similar temporal coding profile. Taken together, our results provide significant advances in understanding the role of the HDB in cognitive functions especially associative learning. We propose that neurons in this structure not only encode and associate relevant stimuli via reinforcement signals, but may also dynamically modulate sensory processing and adjust cortical responses according to context and prior experience. This could be achieved through temporal representation of reinforcement and coding of prediction error signals, positioning the HDB as a key node in integrating motivational and temporal information during learning. Fil: Santos, María Florencia. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. |
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La corteza visual primaria (V1) constituye el primer nivel de procesamiento cortical de la información visual. Tradicionalmente se la ha considerado un detector pasivo e inmutable de estímulos visuales. Sin embargo, numerosos estudios han demostrado que V1 mantiene una notable plasticidad incluso en la adultez. En particular, se ha observado que, tras el aprendizaje de una asociación entre una clave visual y una recompensa futura, un subgrupo de neuronas de V1 comienza a codificar el intervalo temporal entre ambos eventos, indicando que funciones cerebrales complejas, como la codificación de la expectativa temporal de la recompensa, pueden surgir en etapas tempranas de las vías sensoriales. Por otro lado, se ha demostrado que las proyecciones colinérgicas del basal forebrain (BF) son necesarias y suficientes para inducir esta forma de codificación temporal en V1. El BF constituye uno de los sistemas neuromoduladores clave en la regulación de procesos como la atención, el aprendizaje, la memoria y la plasticidad sináptica. Sin embargo, aún se desconoce cómo responden sus neuronas durante el aprendizaje de tareas operantes recompensadas, y de qué manera estas señales pueden interactuar con la actividad de V1. Esta tesis busca comprender las propiedades de codificación de las neuronas de la banda diagonal de Broca (HDB), uno de los principales núcleos del BF con proyecciones hacia V1, durante el aprendizaje de una tarea operante recompensada guiada por una clave visual. En esta tesis, registramos la actividad neuronal en V1 y el HDB mientras ratones C57BL/6 aprendían una tarea operante recompensada, y analizamos la respuesta de sus neuronas a distintos eventos relevantes a lo largo del entrenamiento. Nuestros resultados muestran que los animales aprenden exitosamente la tarea, y que en V1 emerge la señal de expectativa temporal a la recompensa previamente reportada en bibliografía. Por su parte, las neuronas del HDB codifican tanto el estímulo visual como la entrega de la recompensa desde las primeras etapas del aprendizaje, y esta codificación se mantiene constante durante el entrenamiento. A medida que progresa el entrenamiento, emergen respuestas asociadas a la omisión de la recompensa, compatibles con una señal de error de predicción, así como una señal de expectativa temporal que refleja el intervalo entre la presentación de la clave visual y el momento de entrega de la recompensa. Esta señal del HDB podría estar modulando la actividad de las neuronas de V1 que manifiestan un patrón similar de codificación temporal. Nuestros resultados aportan un avance significativo en la comprensión del rol del HDB en funciones cognitivas, especialmente en el aprendizaje asociativo. Proponemos que las neuronas de esta estructura no sólo codifican y asocian estímulos relevantes mediante señales de refuerzo, sino que además podrían modular dinámicamente el procesamiento sensorial y ajustar las respuestas corticales según el contexto y la experiencia previa. Esto podría lograrse a través de la representación temporal del refuerzo y la codificación de señales de error de predicción, lo que posiciona al HDB como un nodo clave en la integración de información motivacional y temporal durante el aprendizaje. |
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