Saccade-Related Modulations of Neuronal Excitability Support Synchrony of Visually Elicited Spikes

During natural vision, primates perform frequent saccadic eye movements, allowing only a narrow time window for processing the visual information at each location. Individual neurons may contribute only with a few spikes to the visual processing during each fixation, suggesting precise spike timing as a relevant mechanism for information processing. We recently found in V1 of monkeys freely viewing natural images, that fixation-related spike synchronization occurs at the early phase of the rate response after fixation-onset, suggesting a specific role of the first response spikes in V1. Here, we show that there are strong local field potential (LFP) modulations locked to the onset of saccades, which continue into the successive fixation periods. Visually induced spikes, in particular the first spikes after the onset of a fixation, are locked to a specific epoch of the LFP modulation. We suggest that the modulation of neural excitability, which is reflected by the saccade-related LFP changes, serves as a corollary signal enabling precise timing of spikes in V1 and thereby providing a mechanism for spike synchronization

Kódování feromonového signálu olfaktorními neurony motýla Agrotis ipsilon

i Abstract The main objective of the thesis is to describe differences in the activity of male A. ipsilon olfactory receptor neurons (ORNs) when stimulated by different temporal dynamics of the concentration of the conspecific female pheromone. First, under the artificial situation of constant pulse stimulation, and second, with a fluctuating signal resembling the natural situation. For this purpose, the experimental data were collected in the collaborating laboratory (Dr. P. Lucas, INRAe, Versailles, France) by employing a novel olfactometer system that enables precise temporal control of the pheromone delivery to individual sensilla. Using the R programming language, we analyzed various descriptors of the response reliability, randomness, and variability, as well as the information content of the evoked activity. The results are interpreted in the context of the classical efficient coding hypothesis, which states that sensory neurons are evolutionarily adapted to natural stimuli. The main finding is that although the response variability is widely spread across the ORN population, sometimes with no visible difference between the constant and fluctuating stimulation types, the fluctuating stimulus is usually encoded with systematically higher reliability, as revealed by the inspection of individual ORNs....Hlavním cílem této diplomové práce je popsat, zdali a jak se liší aktivita olfaktorních recepčních neuronů u samců A. ipsilon při stimulaci samičím pohlavním feromonem s různou časovou dynamikou koncentrace, tedy buďto umělým konstantním pulsem nebo přerušovaným signálem podobným přirozené stimulaci. Za tímto účelem byla ve spolupracující laboratoři (Dr. P. Lucas, INRAe, Versailles, France) získána experimentální data za použití nového olfaktometrického systému umožňujícího přesnou kontrolu nad časováním dodávek feromonu k sensillu. Byla provedena analýza odpovědi pomocí řady různých kvantifikátorů spolehlivosti, náhodnosti a variability v programovacím jazyce R. Výsledky byly interpretovány v kontextu klasické hypotézy efektivního kódování, která říká, že senzorické neurony jsou evolučně adaptovány na přirozenou stimulaci. Hlavní zjištění je, že ačkoli variabilita odpovědi celé populace ORN na fluktuující nebo konstantní stimulaci se ne vždy liší, na úrovni individuálních neuronů je odpověď na fluktuující stimulaci zpravidla méně variabilní, a tedy spolehlivější, než na stimulaci konstantní. Diplomová práce rovněž shrnuje důležitá fakta a hypotézy týkající se neuronálního kódování a olfakce u Lepidoptera.Department of PhysiologyKatedra fyziologiePřírodovědecká fakultaFaculty of Scienc

Konzeptionelle Modellierung geometrischer Invarianzen in der visuellen Wahrnehmung von Primaten - Situativ gesteuerte Complex-Bildung als Grundlage invarianter Zellantworten

Unser Sehsinn vermittelt uns eine stabile Wahrnehmung der Umwelt. Objekte darin erkennen wir unabhängig von der Position, die wir ihnen gegenüber einnehmen. Diese invariante Wahrnehmung ist im Rahmen der verfügbaren neuronalen Modelle nur mit Einschränkungen zu erklären. Die Standardmodelle basieren auf einer hierarchischen Anordnung von Nervenzellen, deren Ziel es ist, spezifische neuronale Antworten für komplexe visuelle Reize aus Antworten auf einfache Reizkomponenten zu konstruieren. Ein wesentliches Konzept ist dabei die neuronale Oder-Bildung (Complex-Bildung) durch konvergente Verschaltung. Die Generierung von Invarianz für bestimmte Reizvariationen läuft hierbei der Formierung reizspezifischer Antworten entgegen -- auf Ebene des Signalflusses im Netzwerk, wie auch als Denkmodell. Die klassischen Modelle zur invarianten visuellen Formerkennung weisen daher Schwächen auf, etwa das Binde-Problem oder die Ununterscheidbarkeit von Objekten mit überlappenden Repräsentantenmengen. Die vorliegende Arbeit nähert sich dieser Problematik vom Blickwinkel der konzeptionellen Modellierung. Ein lebendiges Individuum erfährt seine Umwelt aktiv: Äußere physikalisch-körperliche Umstände beeinflussen die Verarbeitung im visuellen System. Ich formuliere hier das Konzept der situativ gesteuerten Complex-Bildung, das auf einer Steuerung der Übertragungseigenschaften einzelner Neuronen durch externe Parameter beruht. Seine Leistungsfähigkeit demonstriere ich in zwei Modellen zur invarianten visuellen Verarbeitung, der neuronalen retinalen Schlupfkorrektur und der entfernungsinvarianten Objektrepräsentation. Die Modelle überwinden entscheidende Probleme der klassischen Modellierung, erfordern jedoch einen erhöhten neuronalen Aufwand. Im Falle des Entfernungsinvarianzmodells führt der Einsatz der situativ gesteuerten Complex-Bildung zur Vorhersage einer neuartigen Zellklasse, den Entfernungs-Complex-Zellen. Neuronen mit teilweise ähnlichen Codierungseigenschaften wurden in jüngster Zeit experimentell nachgewiesen. In beiden Modellen wird durch die situativ gesteuerte Complex-Bildung eine Szenenrepräsentation generiert, die vom verwendeten Steuerparameter unabhängig ist. Es ist zu erwarten, daß auf gleiche Weise Invarianz auch gegenüber anderen äußeren Bedingungen erzeugt werden kann. Die situativ gesteuerte Complex-Bildung erweist sich so als universell einsetzbares Werkzeug zur konzeptionellen Modellierung neuronaler Invarianzen. Damit liefert sie auch ein effektives Denkmodell für das weitere Verständnis kortikaler Verarbeitung

Konzeptionelle Modellierung geometrischer Invarianzen in der visuellen Wahrnehmung von Primaten - Situativ gesteuerte Complex-Bildung als Grundlage invarianter Zellantworten

Unser Sehsinn vermittelt uns eine stabile Wahrnehmung der Umwelt. Objekte darin erkennen wir unabhängig von der Position, die wir ihnen gegenüber einnehmen. Diese invariante Wahrnehmung ist im Rahmen der verfügbaren neuronalen Modelle nur mit Einschränkungen zu erklären. Die Standardmodelle basieren auf einer hierarchischen Anordnung von Nervenzellen, deren Ziel es ist, spezifische neuronale Antworten für komplexe visuelle Reize aus Antworten auf einfache Reizkomponenten zu konstruieren. Ein wesentliches Konzept ist dabei die neuronale Oder-Bildung (Complex-Bildung) durch konvergente Verschaltung. Die Generierung von Invarianz für bestimmte Reizvariationen läuft hierbei der Formierung reizspezifischer Antworten entgegen -- auf Ebene des Signalflusses im Netzwerk, wie auch als Denkmodell. Die klassischen Modelle zur invarianten visuellen Formerkennung weisen daher Schwächen auf, etwa das Binde-Problem oder die Ununterscheidbarkeit von Objekten mit überlappenden Repräsentantenmengen. Die vorliegende Arbeit nähert sich dieser Problematik vom Blickwinkel der konzeptionellen Modellierung. Ein lebendiges Individuum erfährt seine Umwelt aktiv: Äußere physikalisch-körperliche Umstände beeinflussen die Verarbeitung im visuellen System. Ich formuliere hier das Konzept der situativ gesteuerten Complex-Bildung, das auf einer Steuerung der Übertragungseigenschaften einzelner Neuronen durch externe Parameter beruht. Seine Leistungsfähigkeit demonstriere ich in zwei Modellen zur invarianten visuellen Verarbeitung, der neuronalen retinalen Schlupfkorrektur und der entfernungsinvarianten Objektrepräsentation. Die Modelle überwinden entscheidende Probleme der klassischen Modellierung, erfordern jedoch einen erhöhten neuronalen Aufwand. Im Falle des Entfernungsinvarianzmodells führt der Einsatz der situativ gesteuerten Complex-Bildung zur Vorhersage einer neuartigen Zellklasse, den Entfernungs-Complex-Zellen. Neuronen mit teilweise ähnlichen Codierungseigenschaften wurden in jüngster Zeit experimentell nachgewiesen. In beiden Modellen wird durch die situativ gesteuerte Complex-Bildung eine Szenenrepräsentation generiert, die vom verwendeten Steuerparameter unabhängig ist. Es ist zu erwarten, daß auf gleiche Weise Invarianz auch gegenüber anderen äußeren Bedingungen erzeugt werden kann. Die situativ gesteuerte Complex-Bildung erweist sich so als universell einsetzbares Werkzeug zur konzeptionellen Modellierung neuronaler Invarianzen. Damit liefert sie auch ein effektives Denkmodell für das weitere Verständnis kortikaler Verarbeitung

Speed in early visual processing

Vision, Speed, Electroencephalogram, Gamma Band ActivityMagdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2008von Ingo Frün