Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1323
Main Title: The computation of feature selective responses in the primary visual cortex
Translated Title: Modelle der Repräsentation in der visuellen Hirnrinde
Author(s): Wiesing, Peter
Advisor(s): Obermayer, Klaus
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In dieser Dissertation wird die Verarbeitung visueller Informationen innerhalb der ersten Verarbeitungsstufen des visuellen Systems untersucht. Augenscheinlich bilden Zellen der primären visuellen Gehirnrinde (V1) eine Summe der Lichtintensitäten des gezeigten visuellen Stimulus, die in ihr rezeptives Feld fallen. Ein lineares Modell dieser Zellen hat den Vorteil, dass es einfach ist und eine Reihe von Eigenschaften der Zellfunktion erklärt. Jedoch zeigt sich, dass dieses Modell nicht ausreichend ist, um wichtige Nichlinearitäten der Zellantworten zu erklären, die eher intrakortikaler Natur zu sein scheinen. Zu diesem Forschungsgebiet existieren viele theoretische und experimentelle Studien. Jedoch sind die Mechanismen, die von der Integration der einzelnen Zelleneingänge bis zur finalen Zellantwort führen, immer noch unklar und werden auch heute noch sehr häufig in der Literatur diskutiert. Anhand von theoretischen Ansätzen und experimentellen Messungen soll durch diese Arbeit zum weiteren Verständnis neuronaler Netzwerkdynamiken beitragen werden. Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir mit Hilfe eines abstrakten „Correlation-Based-Learning“ (CBL) Modells, das lateralen Wettbewerb berücksichtigt, die Rolle von intrakortikaler Rekurrenz in der Entwicklung von Augendominanz und topographischen Karten. Dieser Mechanismus entspricht dem Effekt eines variablen Grades von intrakortikaler Interaktion, in dem sich Neurone gegenseitig auf kurzen Distanzen erregen und sich auf langen Distanzen hemmen. Dieser Ansatz ist durch eine nichtlineare Transferfunktion realisiert, dem ein Normalisierungsprozess folgt. Des Weiteren untersuchen wir den Effekt dieses Mechanismus an verschieden Orten der Augendominanz Karte. Diese ändert sich in vielen Spezies vom abwechselnden Streifenmuster zu fleckenförmigen Gebieten in der Peripherie des visuellen Kortizes. Wir untersuchen, bis zu welchem Grad diese Änderungen von Änderungen des „Cortical Magnification Factor“, als auch von Änderungen der Unterschiede in der relativen Differenz der Projektionen vom linken und rechten Auge abhängen. In einer letzen Untersuchung dieses ersten Teils untersuchen wir, welche Rolle eine nichtlineare Transferfunktion ohne den zusätzlichen Normalisierungsmechanismus auf die Entwicklung von Augendominanz und topographischen Karten hat. Im zweiten Teil dieser Arbeit präsentieren wir Ergebnisse elektrophysiologischer Messungen von Neuronen in der visuellen Gehirnrinde der Katze. Diese Messungen wurden an verschiedenen Positionen der Orientierungskarte gemacht. Zusätzlich zeigen wir anatomische Messungen, die Aufschluss über die räumliche laterale Ausbreitung der Eingänge zu diesen Neuronen bringen. Mit Hilfe einer mathematischen Analyse und Computersimulationen untersuchen wir weiterhin, welche Einschränkungen diese Messungen bzgl. des kortikalen „Arbeitspunktes“ (afferente vs. rekurrente Verarbeitung) machen. In einem einfachen „Superpositionsmodell“, welches das Zusammenspiel vom afferenten und erregenden rekurreten Antrieb beschreibt, zeigen wir, dass die experimentellen Ergebnisse nur dann erklärt werden können, wenn ein scharf „getuneter“ afferenter Input zusammen mit einem kortikalem Netzwerk von mittlerer Stärke verarbeitet wird. Des Weiteren untersuchen wir ein geometrisches Feuerratenmodell, mithilfe dessen wir die Orientierungsselektivität von erregenden und hemmenden Eingängen in neuronale Zellen und die Feuerrate als Funktion von einer großen Anzahl von Modellparametern berechnen können. Als abschließende Analyse untersuchen wir auch Parameteränderungen innerhalb eines biologisch realistischeren Netzwerkmodells, durch das wir zusätzlich die Orientierungsselektivität des Membranpotentials berücksichtigen können.
We investigate the processing of visual input in the early visual system of mammals. Cells in the primary visual cortex (V1) often appear to compute a weighted sum of the light intensity distribution of the visual stimuli that fall on their receptive fields. A linear model of these cells has the advantage of simplicity and captures a number of basic aspects of cell function. On the other hand, it fails to account for important observed response nonlinearities which appear to have an intra-cortical origin. Much experimental and theoretical work has been published on this subject. However, the mechanisms that give rise to the integration of a cortical cell's input to its final response are still controversial and are still part of intense study and debate. In this manuscript, we illustrate the use of combined theoretical approaches and experimental measurements for understanding neuronal and circuit dynamics. Firstly, we use an abstract correlation-based learning (CBL) model to study the role of lateral interaction on the emergence of ocular dominance (OD) and topographic (TP) maps. In detail, this mechanism resembles the effect of a variable degree of intra-cortical competition in which neurons excite each other at short distances and inhibit each other at larger distances and is implemented through a nonlinear response function followed by divisive normalization mechanism. Furthermore, we explore the effect of this quantity at different locations of the OD map, which in many species dissolves in the periphery of the visual cortex. We investigate to what extent these OD pattern changes can be related - either as a cause or an effect - to changes in the cortical magnification factor as well as to changes in the relative strength of the projection from the left and the right eye. Secondly, we present electrophysiological measurements of the excitatory and inhibitory synaptic conductances in neurons at different orientation (OR) map positions - ranging from pinwheels to orientation domains - and anatomical measurements of the inputs to these neurons in the cat adult primary visual cortex. The local arrangement of cells with different response properties vary with spatial location in the OR map and influence information processing in local neuronal circuits. In a second step we investigate, using a combination of mathematical analysis and computer simulations, what constraints these experimental data imposes on the cortical "operating regime" (feed-forward, dominated inhibitory, dominated excitatory, intermediate recurrent or highly recurrent "marginal phase"). In a simple "superposition" model (describing the interplay of the afferent and the excitatory recurrent drive), we show that the experimental findings can only be explained if a sharply tuned feed-forward input is processed by a cortical network of intermediate recurrency. Using a geometrical firing rate network model we calculate the tuning curves of the total excitatory and inhibitory conductances and the output spike-rates as a function of a large range of model parameters.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-12471
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1620
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1323
Exam Date: 15-Dec-2005
Issue Date: 17-Mar-2006
Date Available: 17-Mar-2006
DDC Class: 004 Datenverarbeitung; Informatik
Subject(s): Neurobiologie
Neuroinformatik
Visueller Kortex
Neurobiology
Neuroscience
Visual cortex
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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