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Contextual effects in the primary visual cortex of anesthetized cats

Biederlack, Julia :
Contextual effects in the primary visual cortex of anesthetized cats.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Contextual effects in the primary visual cortex of anesthetized cats
Language: English
Abstract:

Responses of visual cortical neurons in early processing stages can be modulated by stimuli presented outside the classical receptive field. The function of these context effects is still not completly understood, but its relevance for global image processing such as figure-ground segregation has been suggested. In the present study we investigate aspects of centre-surround interactions and the role of neural synchronisation in this context. Neuronal synchronization has been proposed to underlie the formation of neuronal assemblies and to possibly play a crucial role during the process of scene segmentation. We recorded multi-unit activity with up to 32 channels simultaneously from area 17 of anaesthetized cats. A sinusoidal drifting grating (figure) covering the receptive fields of the recorded neurons was made to perceptually pop out from a simultaneously presented background grating either by changing the relative orientation or by successively increasing the relative spatial phase between the two gratings. Altering the orientation contrast between centre and surround had no significant effect on synchronization strength. By contrast, firing rates showed showed a strong dependence on the relative orientation difference between the two gratings, showing strong suppression when figure and background were iso-oriented. This suppression progressively decreased as the orientation difference between figure and background increased. Changes in the relative spatial phase on the other hand had a significant effect on synchronisation strength. Synchronization strength increased when figure and background were segregated by an offset in the spatial phase and this increase was correlated with the gradual increase in relative spatial phase between figure and background. At the same time, long-distance synchronization between two groups of neurons stimulated by either figure or background decreased with increasing phase difference. Our results indicate that rate changes might play a role in segregating orientations while synchrony may be crucial in encoding phase differences. These findings suggest that firing rates and synchrony may represent two distinct and complementary mechanisms for the encoding of different aspects of contextual information and the grouping of responses and thus are a possible neurophysiological substrate of perceptual figure-ground segregation.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Im visuellen System der Katze können die Feuerraten individueller Neuronen bereits in sehr frühen Verarbeitungsstufen beeinflusst werden, wenn zusätzlich zur Stimulation des klassischen rezeptiven Feldes ein weiterer Stimulus außerhalb dieses Feldes präsentiert wird. Es wird vermutet, dass diese kontextuellen Effekte für Verarbeitungsprozesse, die der Figur-Grund Unterscheidung und/oder der Objekt-Segregation zugrunde liegen, von Bedeutung sein könnten. Das Hauptthema der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, ob der Kontext, in den ein visueller Reiz eingebettet ist, auch die synchrone Aktivität zwischen mehreren, zeitgleich abgeleiteten Zellen moduliert. Zu diesem Zweck wurden im primären visuellen Kortex von anästhesierten Katzen bis zu 32 Zellgruppen gleichzeitig abgeleitet. Die rezeptiven Felder aller abgeleiteten Neuronen wurden mit einem einzelnen sich bewegenden Vordergrundgitter stimuliert, welches die optimale Vorzugorientierung für die Mehrheit aller abgeleiteten Neuronen hatte. Dieses Vordergrundgitter wurde in ein zweites, sich bewegendes Hintergrundgitter eingebettet. Die zwei wichtigsten Ergebnisse lauten wie folgt: 1. Je kleiner die Orientierungsdifferenz zwischen den Balken des Vordergrundgitters und denen des Hintergrundgitters ist, umso stärker wird die Feuerrate der abgeleiteten Neuronen durch das Hintergrundgitter inhibiert. Bei gleicher Orientierung von Vordergrund und Hintergrund beträgt der Grad der Inhibition nahezu 25% verglichen mit einer alleinigen Stimulation durch das Vordergrundgitter. Diese Iso-Orientierungs-Inhibition wird schwächer mit zunehmender Orientierungsdifferenz zwischen Vordergrund und Hintergrund. Gleichzeitig ändert sich die Stärke der Synchronisation zwischen den Zellen nur geringfügig. 2. Vergrößert man bei gleicher Orientierung der Gitterbalken jedoch den Phasenwinkel zwischen Vordergrund- und Hintergrundgitter, hat dies keinen systematischen Einfluss auf die Feuerrate der abgeleiteten Neuronen. In diesem Fall konnte jedoch eine starke Zunahme der Korrelationsstärke zwischen den abgeleiteten Neuronen nachgewiesen werden. Bei maximalem Phasenwinkel von 180° war die Synchronisation zwischen den Zellen bis zu 38% stärker als bei einem Phasenwinkel von 0°. Diese Ergebnisse lassen die Vermutung zu, dass bei der neuronalen Repräsentation von visuellen Reizen, neben der Kodierung durch eine Modulation der Feuerrate zusätzlich die Kodierung durch eine exakte zeitliche Strukturierung der einzelnen Aktionspotentiale genutzt wird.German
Uncontrolled Keywords: visueller Kortex
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
visueller KortexGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:52
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000804
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-8045
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Singer, Prof. Dr. Wolf and Thiel, Prof. Dr. Gerhard
Advisors: Galuske, Prof. Dr. Ralf
Refereed: 18 December 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/804
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