Eine Symmetrie der visuellen Welt in der Architektur des visuellen Kortex.
A Symmetry of the Visual World in the Architecture of the Visual Cortex.
by Michael Schnabel
Date of Examination:2008-12-18
Date of issue:2009-12-15
Advisor:Dr. Fred Wolf
Referee:Prof. Dr. Theo Geisel
Referee:Prof. Dr. Helmut Grubmüller
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
Neurons in the visual cortex respond best to oriented visual stimuli at a particular position in the visual field. Their selectivities for position and orientation vary systematically along the cortical surface and are organized in maps, called the visuotopic map and orientation map, respectively. Experimental and theoretical evidence suggests that orientation map development is a dynamical process guided by neural activity and sensitive to visual experience. Here we formulate a macroscopic model for orientation map development in primary visual cortex with a particular emphasis on identifying the appropriate symmetry class of the dynamics which is able to explain the patterns in an existing dataset of tree shrew orientation maps. Our statistical analysis reveals a novel coupling of the orientation map to the underlying map of space, which is consistent with the so called shift-twist representation of the Euclidean group. Our findings show that the representation of orientation and space in the visual cortex is not independent, and that the orientation map is locked to the visuotopic map. We develop quantitative tools which allow to assess the degree of this locking. Furthermore, we compare the spatial pairwise distribution of orientation detectors along the cortical surface to the distribution of pairs of edges in natural scenes. We find that on short distances collinear arrangements of orientation preferences are underrepresented, in striking contrast to the abundance of collinearity in natural scenes. In conclusion, less cortical area is recruited to code for an abundant feature of the sensory input, in line with redundancy reduction, a strategy encountered in many different parts of the brain.
Keywords: pattern formation; visual cortex; orientation map; orientation selectivity; development; pinwheels; shift-twist symmetry; visuotopic map; retinotopic map; Gaussian random fields; collinearity; natural scenes
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Neuronen in der Sehrinde sprechen am besten auf orientierte visuelle Stimuli an, die sich an einer bestimmen Position im Gesichtsfeld befinden. Ihre Orts- und Orientierungspräferenzen variieren sytematisch über der Sehrrinde und sind in Karten angeordnet, der sogenannten Visuotopie- und Orientierungskarte. Experimentelle und theoretische Befunde deuten darauf hin, dass sich Orientierungskarten in einem dynamischen Prozess entwickeln, der von neuronaler Aktivität getrieben wird und von der visuellen Erfahrung abhängt. In dieser Arbeit formulieren wir ein makroskopisches Modell für die Entwicklung von Orientierungskarten in der primären Sehrinde mit dem Ziel die passende Symmetrieklasse der Dynamik zu bestimmen, welche die Muster in einem Datensatz von gemessenen Orientierungskarten des Spitzhörnchens erklären kann. Unsere statistische Analyse bringt eine neuartige Kopplung der Orientierungskarte an die zugrundeliegende Visuotopie zum Vorschein, welche sich mit der sogenannten Shift-Twist Darstellung der Euklidischen Gruppe vereinbaren läßt. Unser Ergebnis zeigt dass die Repräsentationen von Orientierung und Ortskoordinate in der Sehrinde nicht unabhängig voneinander erfolgen, und dass die Orientierungskarte an die Visuotopie gekoppelt ist. Wir entwickeln quantitative Verfahren, um den Grad dieser Kopplung zu bestimmen. Im weiteren vergleichen wir die räumliche paarweise Anordung der Kantendetektoren in der Sehrinde mit der Verteilung von Kantenpaaren in natürlichen Bildern. Wir finden, dass kollineare Anordungen von Orientierungspräferenzen für kleine Abstände unterrepräsentiert sind, im Gegensatz zur ausgeprägten Kollinearität in natürlichen Bildern. Daraus folgt, dass zur Kodierung häufig auftretender Reizanteile weniger kortikale Resourcen rekrutiert werden - eine Strategie, die der Vermeidung von Redundanz dient, und auch in anderen Bereichen des Gehirnes anzutreffen ist.
Schlagwörter: Musterbildung; Visueller Kortex; Orientierungskarte; Orientierungsselektivität; Entwicklung; Pinwheels; Shift-Twist Symmetrie; Visuotopie; Retinotopie; Gaussche Zufallsfelder; Kollinearität; natürliche Bilder