Perceptual Learning of Lateral Interactions in the near-periphery of the visual field: New Perspectives for patients with Macular Degeneration

One way in which peripheral vision may acquire the functional role of the fovea, a part of the retina preferentially used for complex visual tasks (such as reading and face recognition) is by modulating the strength of intracortical connections in the humans’ visual areas with perceptual learning. Perceptual learning is a practice-dependent improvement in a visual task performance that can persist for several months, and is specific for stimulus, task, eye presentation and retinal locus of stimulation. These specificity effects have been explained on the basis of neural plasticity, consisting in long-term modifications of a number of mechanisms in the early visual cortices, that are selective for basic stimulus attributes (Karni & Sagi, 1991, 1993; Ahissar & Hochstein, 1993, 1996; Casco & Campana, 2001). Perceptual learning experiments with stimuli involving lateral masking (Polat & Sagi, 1994b, 1995; Polat, Ma-Naim, Belkin & Sagi, 2004) have suggested that practice is able to modulate short- and long-range lateral interactions between neurons responding to collinear elements. These studies showed that contrast thresholds for a target are modulated by the presence collinear flankers, and the type of modulation depends on the distance between the central target and the flankers: inhibitory for short target-to-flankers distance, and facilitatory for longer distances. With the training the suppression from the short target-flanker separation can be reduced and facilitation at relatively long target-flanker separation increases. These studies suggest that practice on lateral interactions increases the efficacy of the collinear interactions between neighbouring neurons, an effect that enhances connectivity with remote neurons via a cascade of local interactions. Most importantly, perceptual learning on lateral interactions has been showed to be useful for improving contrast sensitivity in people with normal low vision (Tan & Fong, 2008; Polat, 2009) or with impaired lateral interactions such as amblyopia (Polat et al., 2004). Notably, these studies showed that, differently from previous perceptual learning experiments where non transfer of learning to different stimulus attributes was observed, the effect of training on lateral interactions transferred to higher level visual tasks, like visual acuity (VA) (Tan & Fong, 2008) producing a long-lasting perceptual benefit in everyday visual tasks. However, in all these studies stimuli were presented in the fovea. This thesis aimed at investigating the possibility that the effect of training also improves lateral interaction in retinal regions eccentric with respect to the fovea. Lateral interactions strongly depend on eccentricity: in the periphery they are mostly inhibitory (Petrov, Carandini & McKee, 2005; Cavanaugh et al., 2002). These evidence leads to the hypothesis that peripheral vision may acquire some of the functional role of the fovea only if inhibition is reduced. Shani & Sagi (2005) showed that collinear facilitation in the near-periphery is weak and that perceptual learning seems not to be effective in modulating lateral interactions. However, in their study the training was very short, and only one target-to-flanker distance was tested. If lateral interactions could be modulated in the near periphery, and transfer to visual tasks such as VA and crowding was possible, this could be extremely important for rehabilitation of individuals with loss of central vision, such as in macular degeneration. These type of patients, after the loss of central vision, are forced to use the periphery of the visual field for the most demanding visual tasks like face recognition and reading. In Experiment 1, we were interested in verifying whether inhibitory lateral interactions in the near-periphery (4 degrees of eccentricity) may be reduced by training and if training transfers to other visual functions. Eight subjects were trained with different spatial frequencies (1, 2, 4, and 8 cycles per degree - cpd) and different target-to-flankers separations (2, 3, 4, and 8). Before the practice sessions subjects performed a series of pre-tests aimed at measuring their peripheral contrast sensitivity function (CSF), peripheral visual acuity (VA) and crowding effect. Consistently with previous studies (Petrov et al., 2005; Cavanagh et al., 2002), results of the Experiment 1 showed that, in the near periphery, lateral interactions are inhibitory even at target-to-flanker distances (4) where facilitatory interactions are found in central vision. Facilitation was reported for a target-to-flankers distance of 8, consistently with the most recent investigation on peripheral lateral interactions (Lev & Polat, 2011). Most importantly, Experiment 1 showed that lateral interactions in parafoveal vision can be modulated by training, reducing the inhibition, and that perceptual learning transfers to other visual abilities, leading to a reduction of crowding. Since learning specificity is viewed as the main indicator of the level of processing at which learning takes place, and since learning of lateral interaction has been shown to transfer to different visual functions, in Experiment 2 we tested the specificity of learning to basic stimulus features such as target-flankers local and global orientation and retinal position. We trained 4 new subjects in contrast detection of a collinearly flanked vertical target, and found a significant learning effect for the trained configuration but no transfer of learning to either the same stimulus presented in a symmetrical retinal location, nor to a 45 deg oriented collinear target-flankers configuration, presented in the same retinal position as the learning stimulus. The finding that these transfer stimuli are immune to perceptual learning of vertical orientations strongly suggests that the modulation of lateral interactions through perceptual learning is functionally specific, and that transfer to different visual functions can only occur when these are based on the specific early mechanism that is learned. In Experiment 3, we aimed at exploiting the effects of the perceptual learning of lateral interactions for improving peripheral vision in patients affected by macular degeneration. Training consisted in a contrast detection of a Gabor target with collinear high contrast Gabor flankers, at different target-to-flankers separations, located in their preferential retinal locus (PRL, the new fixation point that spontaneously emeges in this type of patients) and in a symmetrical location. The rationale behind the measuring or lateral interactions and the training in the PRL and in another retinal location was to point out possible differences in intracortical connectivity for this new fixation point respect to other retinal spots. Consistently with other studies (Dilks, Baker, Peli and Kanwisher, 2009), we did not find major differences in terms of lateral interactions and perceptual learning effects between PRL and the symmetrical locus. Training increased contrast sensitivity, and, despite not having any effect on crowding, improved visual acuity in the maculopathy subjects. The absence of crowding reduction could be due to a “roof effect”, since this type of patients naturally train their peripheral view, probably reaching their maximal performance even before the training.. Nevertheless, the improvement of visual acuity opens new perspectives for the rehabilitation of patients with macular degeneration, but also for improving peripheral vision in normal-sighted subjects, since recent studies showed the important role of the periphery of the visual field in tasks such as postural stability, locomotion and driving. In Experiment 4, we investigated the architecture of peripheral lateral interactions in a maculopathy patients, finding collinear facilitation at shorter target-to-flankers separation respect to normal-sighted subjects. Interestingly, collinear facilitation was reported for target presentation in the PRL but not in the No-PRL, where collinear interactions were only inhibitory. Moreover, perceptual learning training appeared to be effective in modulating lateral interactions only in the PRL, questioning the hypothesis of a “use-dependent” cortical reorganization, supported, among the others, by Dilks et al. (2009).

Un modo in cui la visione periferica può acquisire il ruolo funzionale della fovea, la parte della retina preferenzialmente utilizzata per compiti visivi complessi (come la lettura e il riconoscimento dei volti) è tramite la modulazione della forza delle connessioni intracorticali presenti nelle aree visive umane tramite apprendimento percettivo. L’apprendimento percettivo è un miglioramento della prestazione n un compito visivo in seguito alla pratica, può mantenersi per diversi mesi ed è specifico per lo stimolo, il computo e l’occhio utilizzato nel training e per il locus retinico in cui è avvenuta la stimolazione. Questi effetti di specificità sono stati spiegati sulla base della plasticità neurale, che consiste in una modifica a lungo termine di alcuni meccanismi presenti nelle prime aree visive corticali, selettive per caratteristiche basilari dello stimolo (Karni & Sagi, 1991, 1993; Ahissar & Hochstein, 1993, 1996; Casco & Campana, 2001). Esperimenti di apprendimento percettivo con stimoli di mascheramento laterale (Polat & Sagi, 1994b, 1995; Polat, Ma-Naim, Belkin & Sagi, 2004) hanno dimostrato che la pratica può modulare interazioni laterali a breve e lungo raggio tra neuroni che rispondono ad elementi collineari. Questi studi mostrano che le soglie di contrasto per un target centrale sono modulate dalla presenza di elementi vicini, orientati col linearmente, e che il tipo di modulazione dipende dalla distanza tra il target centrale e gli elementi vicini (flankers): inibitoria per brevi distanze tra target e flankers, facilitatoria per distanze maggiori. Con la pratica, l’inibizione per le brevi distanze target-flankers può essere ridotta e la facilitazione a maggiori distanze aumenta. Questi studi suggeriscono che la pratica sulle interazioni laterale può aumentare l’efficacia delle interazioni collineari tra neuroni vicini, un effetto che aumenta la connettività con neuroni più lontani in seguito ad una cascata di interazioni locali. Inoltre, è stato dimostrato che l’applicazione dell’apprendimento percettivo sulle interazioni laterali produce risultati effettivi nel miglioramento della sensibilità al contrasto in individui con miopia (Tan & Fong, 2008; Polat, 2009) o con interazioni laterali abnormali, come nel caso dell’ambliopia (Polat et al., 2004). Questi studi dimostrano che, a differenza dai precedenti esperimenti sull’apprendimento percettivo che non riportavano il trasferimento del miglioramento ad altri compiti, l’effetto della pratica sulle interazioni laterali si trasferisce ad abilità visive di più alto livello, come l’acuità visiva (Tan & Fong, 2008), dando luogo a benefici percettivi a lungo termine nella quotidianità di questi soggetti. Tuttavia, negli studi finora condotti, gli stimoli venivano presentati in fovea. In questa tesi, l’obiettivo è stato quello di studiare la possibilità che gli effetti del training possano migliorare le interazioni laterali in regioni retiniche periferiche rispetto alla fovea. Le interazioni laterali dipendono fortemente dall’eccentricità: nella periferia del campo visivo sono principalmente inibitorie (Petrov, Carandini & McKee, 2005; Cavanaugh et al., 2002). Questa evidenza porta ad ipotizzare che la visione periferica possa acquisire il ruolo funzionale della fovea solo se l’inibizione viene ridotta. Shani & Sagi (2005) hanno dimostrato che la facilitazione collineare nella periferia del campo visivo è debole e che l’apprendimento percettivo non sembra efficace nel modulare le interazioni laterali. Tuttavia, nel loro studio il periodo di pratica era molto breve, in più le distanze target-flankers testate erano ridotte. Se le interazioni laterali possono essere modulate nella periferia del campo visivo, e trasferire il miglioramento ad abilità visive come l’acuità visiva o il crowding (affollamento visivo), questo risultato sarebbe estremamente importante per la riabilitazione di individui con perdita della visione centrale, come nel caso della maculopatia. Questo tipo di pazienti, dopo la perdita della visione centrale, sono obbligati ad usare la periferia del campo visivo per i compiti visivi più complessi, come la lettura ed il riconoscimento dei volti. Nell’Esperimento 1, l’obiettivo era verificare se le interazioni laterali inibitorie nella periferia del campo visivo (4 gradi di eccentricità) potevano essere ridotte dall’apprendimento e se l’eventualmente miglioramento si trasferiva ad altre funzioni visive. I soggetti sono stati allenati con diverse frequenze spaziali (1, 2, 4, and 8 cicli per grado) e diverse distanze target-flankers (2, 3, 4 e 8). Prima delle sessioni di pratica, ai soggetti venivano misurate le prestazioni di base in una serie di compiti visivi, come la sensibilità al contrasto periferica (CSF), l’acuità visiva periferica (VA) e l’effetto di crowding (affollamento visivo).Coerentemente con studi precedenti (Petrov et al., 2005; Cavanagh et al., 2002), i risultati dell’Esperimento 1mostrano che, nella periferia del campo visivo, le interazioni laterali sono inibitorie anche a distanze target-flankers che producono facilitazione in visione centrale (4). La distanza alla quale è stata trovata la facilitazione in periferia (8), è coerente coi più recenti studi sulle interazioni laterali nella periferia del campo visivo (Lev & Polat, 2011). Soprattutto, l’Esperimento 1 mostra che le interazioni laterali in parafovea possono essere modulate dalla pratica, riducendo l’inibizione, e che l’apprendimento percettivo trasferisce il miglioramento ad altre abilità visive, portando alla riduzione del fenomeno di affollamento visivo (crowding). Dato che la specificità dell’apprendimento è considerata l’indicatore principale del livello di processamento dell’informazione in entrata a cui l’apprendimento si verifica, nell’Esperimento 2 abbiamo testato la specificità dell’apprendimento per caratteristiche base dello stimolo come l’orientamento locale e globale degli elementi utilizzati durante il training e la loro posizione spaziale. Un nuovo gruppo di soggetti è stato allenato in un compito di detezione del contrasto per uno stimolo centrale affiancato da elementi collineari, mostrano un effetto di apprendimento significativo per la configurazione allenata, ma non riportando alcun trasferimento per lo stesso stimolo presentato in una posizione retinica simmetrica, né per configurazioni con orientamento locale (tra gli elementi) o globale differente. L’evidenza che questi stimoli sono immuni all’apprendimento percettivo suggerisce in maniera decisa che la modulazione delle interazioni laterali tramite apprendimento percettivo sia specifica per la funzione, e che il trasferimento a diverse funzioni visive può avere luogo solo quando queste sono basate su specifici meccanismi precoci. Nell’Esperimento 3, abbiamo testato la possibilità di utilizzare gli effetti dell’apprendimento percettivo delle interazioni laterali per migliorare la vision periferica in pazienti affetti da degenerazione maculare. Il training consisteva in un compito di detezione del contrasto per uno stimolo centrale affiancato da elementi collineari, collocati a diverse distanze target-flankers, presentati nel locus retinico preferenziale (PRL, il nuovo punto di fissazione che spontaneamente questi pazienti sviluppano) ed in una posizione simmetrica. L’idea alla base della misurazione delle interazioni laterali e dell’apprendimento nel PRL ed in un’altra posizione retinica era di verificare se vi siano differenze nella connettività intracorticale tra il nuovo punto di fissazione periferico ed un altro locus retinico. Coerentemente con altri studi ((Dilks, Baker, Peli and Kanwisher, 2009), non abbiamo riscontrato evidenti differenze in termini di interazioni laterali ed effetti di apprendimento percettivo tra PRL e il locus retinico simmetrico.Il training ha migliorato la sensibilità al contrasto e, pur non avendo avuto effetto sul crowding, ha migliorato l’acuità visiva nei soggetti maculopatici. L’assenza di riduzione del crowding può essere dovuta ad un “effetto tetto”, dato che questo tipo di pazienti allenano “naturalmente”, nella quotidianità, la loro visione periferica, e probabilmente hanno raggiunto la massima prestazione possibile nella visione periferica prima di iniziare il training. Nondimeno, il miglioramento nell’acuità visiva apre nuove prospettive per la riabilitazione di pazienti con maculopatia, ma anche per migliorare la visione periferica in soggetti normovedenti, dato che studi recenti hanno mostrato l’importante ruolo della periferia del campo visivo in attività come la stabilità posturale, la locomozione e la guida. Nell’Esperimento 4, abbiamo studiato l’architettura delle interazioni laterali periferiche in un soggetto maculopatico, trovando facilitazione collineare a distanze target-flankers minori rispetto ai soggetti normovedenti. Il dato interessante è che la facilitazione collineare emerge solo per la presentazione del target nel PRL, mentre nel PRL le interazioni collineari sono solo inibitorie. Inoltre, l’apprendimento percettivo sembra efficace nel modulare le interazioni laterali solo nel PRL, mettendo in discussione l’ipotesi “uso-dipendente” per la riorganizzazione corticale, supportata, tra gli altri, da Dilks et al. (2009).