Pattern selection in the visual cortex
Musterselektion im visuellen Kortex
Matthias Kaschube
Doctoral thesis
Date of Examination:
2005-12-22
Date of issue:
2006-04-25
Advisor:
Wolf, Fred Prof. Dr.
Referee:
Geisel, Theo Prof. Dr.
Referee:
Zippelius, Annette Prof. Dr.
Persistent Address: http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B58C-4
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Name:
kaschube.pdf
Size:
10,1 MB
Format:
PDF
Description:
Dissertation
Abstract
English
The orientation map in the primary visual cortex is an important model system for studying cortical development. By quantifying large sets of functional brain imaging data we find that the statistics of topological defects in orientation maps, the so-called pinwheels, exhibit universal properties in phylogenetically widely separated species. We show that these universal statistics are quantitatively reproduced and explained by a pattern formation model of Swift-Hohenberg type generalized to include key features of the visual cortical organization. Using this model we derive several predictions about the dynamics of the orientation map during normal development and under external stimulation. In particular, we introduce the novel concept of soft spots. Soft spots are specific locations in the orientation map at which a stimulation can induce widespread and persistent reorganization. As a proof of concept we analyze in experiment the reorganization of the orientation map following direct electrical stimulation in the adult visual cortex. Our results strongly support the hypothesis that the development of the orientation map is governed by a process of activity-dependent self-organization.
Keywords: pinwheels; pattern formation; visual cortex; orientation map; ICMS; development
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Die Orientierungskarte im primären visuellen Kortex ist ein wichtiges Modellsystem für die Untersuchung kortikaler Entwicklung. Anhand eines grossen Satzes funktionaler bildgebender Daten zeigen wir, dass die Statistik topologischer Defekte in Orientierungskarten, so genannter Pinwheels, in phylogenetisch weit entfernten Spezies universelle Eigenschaften aufweist. Wir zeigen, dass diese universelle Statistik quantitativ von einem Modell aus der Theorie der Musterbildung reproduziert und erklärt wird. Dieses Modell, vom Swift-Hohenberg Typ, berücksichtigt grundlegende Eigenschaften der Organisation des visuellen Kortex. Anhand dieses Modells entwickeln wir Vorhersagen über die Dynamik der Orientierungskarte während ihrer normalen Entwicklung sowie unter äusserer Stimulation. Insbesondere führen wir das Konzept der Soft Spots ein. Diese sind spezifische Orte in der Orientierungskarte, an denen elektrische Stimulation eine grossflächige und persistente Reorganisation des Musters hervorrufen kann. Als Proof of Concept analysieren wir im Experiment die Reorganisation der Orientierungskarte infolge direkter elektrischer Stimulation im erwachsenen visuellen Kortex. Unsere Ergebnisse bestätigen die Hypothese, dass der Entwicklung der Orientierungskarte ein Prozess aktivätsabhängiger Selbstorganisation zugrunde liegt.
Schlagwörter: Pinwheel; Musterbildung; visueller Kortex; Orientierungskarte; ICMS; Entwicklung
