Cross-Modal Plasticity in the Auditory Cortex of the Congenitally Deaf: an fMRI study using population receptive field analysis

Abstract

Neuroplasticity is the ability of the human brain to reorganize and modify its activity throughout life. It involves changes in the structure, function, and connections within the brain, typically acquired following external or internal stimuli (such as learning a new skill), or as a result of traumatic lesions or sensorial deprivation. The latter is present in the case of profound blindness or deafness, where the sensory-deprived cortex can be recruited to represent sensory information belonging to other modalities. This process, known as cross-modal plasticity, is the core subject of this thesis. Specifically, previous studies indicated that the auditory cortex of congenitally deaf, but not of hearing individuals, is recruited during visual tasks. However, it is not clear if and to what extent these cross-modal responses in the deprived auditory cortex represent visual spatial information or map the visual field. In this work, these questions were addressed directly in an fMRI set of case-studies, aiming to search and map retinotopy features in the auditory cortex, similarly to the well-known organization of neural representations in the visual system. Two congenitally deaf and one hearing participant went through a conventional retinotopy fMRI experiment with visual stimuli designed to map the visual system. We applied both traditional traveling-wave analysis and a biologically inspired population receptive field (pRF) technique, which have been substantially used to map topographic gradients in the brain, including retinotopy. Results reveal retinotopic-related responses in the auditory cortex of the deaf, but not in the hearing, locked to the visual presentation of stimuli. These responses, that were mostly lateralized to the right hemisphere, represented the contralateral visual field and were characterized by large receptive fields, centered to near foveal areas. Interestingly, we found that these responses to visual stimuli predominantly reflected negative BOLD signals in the auditory cortex of the deaf, suggesting that visual information might be represented through cross-modal deactivation signals. The meaning and features of these neuroplastic representations and neuronal deactivations will be discussed, as well the behavioural, functional, and anatomical effects of cross-modal plasticity in the congenitally deaf.

A neuroplasticidade é a capacidade manifestada pelo cérebro humano em reorganizar-se e modificar a sua atividade ao longo da vida. Envolve mudanças na estrutura, função, e ligações do cérebro, habitualmente derivadas da exposição a estímulos externos ou internos (como aprender uma nova capacidade), ou como resultado de lesões traumáticas ou privação sensorial. Esta última está presente no caso da perda de visão ou surdez profunda, onde o córtex sensorial privado pode ser recrutado para representar informações sensoriais pertencentes a outras modalidades. Este processo, conhecido como plasticidade intermodal, é o tema central desta tese. Em estudos anteriores, verificou-se que o córtex auditivo de surdos congénitos, mas não de ouvintes, é recrutado durante tarefas visuais. No entanto, não é claro se e até que ponto essas respostas intermodais no córtex auditivo privado representam informações espaciais visuais ou mapeiam o campo visual. Este trabalho aborda essa questão diretamente através de um estudo de caso de IRMf, com o objetivo de pesquisar e mapear características de retinotopia no córtex auditivo, similarmente à forma de organização das representações neurais no sistema visual. Dois surdos congénitos e um ouvinte participaram numa experiência de IRMf com estímulos tradicionalmente utilizados para mapear o processamento visual. Foi aplicado um método de retinotopia por ondas progressivas (TWR) e de seguida uma técnica de análise de campos recetivos populacionais (pRF), que tem sido substancialmente usada para mapear gradientes topográficos no cérebro, incluindo retinotopia. Os resultados revelam respostas visuais no córtex auditivo dos surdos congénitos, associadas à apresentação dos estímulos, mas não no participante ouvinte. Estas respostas, predominantemente laterizadas no hemisfério direito, representam o campo visual contralateral e são caracterizadas por grandes campos recetivos, centrados nas proximidades da fóvea. Curiosamente, descobrimos que essas respostas a estímulos visuais refletiam principalmente sinais BOLD negativos no córtex auditivo dos surdos, sugerindo uma representação da informação visual através de sinais de desativação intermodal. Será discutida a interpretação e características dessas representações neuroplásticas e desativações neuronais, assim como os efeitos comportamentais, funcionais e anatómicos da plasticidade intermodal em surdos congénitos.