Computational models of contrast and orientation processing in primary visual cortex [article]

Marcel Stimberg, Technische Universität Berlin, Technische Universität Berlin, Klaus Obermayer
2011
Der primäre visuelle Kortex (V1) ist das erste kortikale Areal, das in der Verarbeitung visueller Informationen involviert ist. Die Zellen dieses Areals reagieren auf grundlegende Stimuluseigenschaften wie Kontrast oder Orientierung. Auch wenn es sich um den meistuntersuchten Teil des visuellen Systems – und um einen der meistuntersuchten Teile des Gehirns insgesamt – handelt, sind viele Fragen über die beteiligten neuronalen Mechanismen bis heute offen. Anatomische Studien zeigen, dass der
more » ... te Teil der Eingaben, den Neuronen in V1 erhalten, nicht von den früheren visuellen Strukturen sondern aus dem Kortex selbst stammen. Die Antwort von Neuronen ist in einem großen Maße von der Aktivität der umgebenden Neuronen im lokalen kortikalen Netzwerk bestimmt. In dieser Arbeit verwenden wir Computermodelle dieser Netzwerke, um deren Beitrag zur visuellen Verarbeitung zu klären und vergleichen die Simulationsergebnisse mit elektrophysiologischen Ableitungen aus dem V1 der Katze. Wir untersuchen zunächst die Rolle des lokalen Schaltkreis in der Erzeugung von Orientierungsselektivität. Die Orientierungspräferenzen von Neuronen im V1 höherer Säugetiere sind nicht zufällig verteilt sondern variieren kontinuierlich und resultieren in einer Orientierungskartenstruktur. Durch systematische Untersuchungen zweier Klassen von Netzwerkmodellen zeigen wir, dass sich die experimentell beobachteten Abhängigkeit der Selektivität von der Kartenposition am besten in einem Netzwerk, das in einem stark rekurrenten Regime arbeitet, erklären lässt. In diesem Netzwerk sind die rekurrenten exzitatorischen und inhibitorischen Ströme annähernd ausbalanciert und dominieren die afferenten Ströme. Diese Resultate werden in einer zweiten Studie bestätigt, in der wir zeigen das ein solches Netzwerk auch experimentell beobachtete Unterschiede in der Variabilität der zeitlichen Antwort erklären kann. Wir untersuchen dann einen weiteren Aspekt der Verarbeitung in V1, die nichtlineare Normalisierung von Zellantworten: Anstatt die Antwort kontinuierlic [...]
doi:10.14279/depositonce-2961 fatcat:hrtconup5vfgheudg6sttrmjza