[論文レビュー] Inferring retinal ganglion cell mosaics from measured orientation preference maps in cat V1

Manuel Schottdorf, Fred Wolf+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2013

Visual perception and processing mechanisms被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、猫の一次視覚皮質における周期的選択性方向マップ（OPMs）が、モーリー干渉によってラティナルガングリオン細胞（RGC）モザイクから生成可能かどうかを調査する。RGC双極モーメントの角度相関をモデル化する新しいポイント過程を用いて、ネコのベータ細胞および霊長類のパラソルRGCでは空間的相関が有意に認められないことが判明し、RGCモザイクは等方向柱を誘導するのに必要な空間的構造を欠いていると結論づける。

ABSTRACT

It has been argued that the emergence of roughly periodic orientation preference maps (OPMs) in the primary visual cortex (V1) of carnivores and primates can be explained by a so-called statistical connectivity model. This model assumes that input to V1 neurons is dominated by feed-forward projections originating from a small set of retinal ganglion cells (RGCs). The typical spacing between adjacent cortical orientation columns preferring the same orientation then arises via Moire-Interference between hexagonal ON/OFF RGC mosaics. While this Moire-Interference critically depends on long-range hexagonal order within the RGC mosaics, a recent statistical analysis of RGC receptive field positions found no evidence for such long-range positional order. Hexagonal order may be only one of several ways to obtain spatially repetitive OPMs in the statistical connectivity model. Here, we investigate a more general requirement on the spatial structure of RGC mosaics that can seed the emergence of spatially repetitive cortical OPMs, namely that angular correlations between so-called RGC dipoles exhibit a spatial structure similar to that of OPM autocorrelation functions. Both in cat beta cell mosaics as well as primate parasol receptive field mosaics we find that RGC dipole angles are spatially uncorrelated. To help assess the level of these correlations, we introduce a novel point process that generates mosaics with realistic nearest neighbor statistics and a tunable degree of spatial correlations of dipole angles. Using this process, we show that given the size of available data sets, the presence of even weak angular correlations in the data is very unlikely. We conclude that the layout of ON/OFF ganglion cell mosaics lacks the spatial structure necessary to seed iso-orientation domains in the primary visual cortex.

研究の動機と目的

• 一次視覚皮質における周期的選択性方向マップ（OPMs）の出現を支持する、ラティナルガングリオン細胞（RGC）モザイクの空間的構造が可能かどうかを検証すること。
• モーリー干渉に不可欠なRGC双極モーメントの角度相関が、実際のRGCデータに存在するかどうかを評価すること。
• 現実的な最近接距離と調整可能な角度相関を持つRGCモザイクを生成できる新しいポイント過程モデルを開発すること。
• 利用可能なデータセットのサンプルサイズを考慮して、RGCモザイクにおける弱い角度相関を検出可能かどうかを評価すること。
• ON/OFF RGCモザイクの配置が、V1における等方向領域を誘導するのに必要な空間的構造を提供するかどうかを特定すること。

提案手法

• ネコのベータ細胞および霊長類のパラソルRGCの受容野位置に関する既存データを分析し、RGC双極モーメント間の角度相関を評価する。
• 現実的な最近接距離と双極モーメント間の制御可能な角度相関を持つRGCモザイクを生成する新しいポイント過程モデルを導入する。
• 利用可能なRGCデータセットのサンプルサイズを考慮して、弱い角度相関の検出可能性を統計的シミュレーションで評価する。
• 測定されたOPMの自己相関構造とRGC双極モーメントの角度相関構造を比較し、両者の整合性を検証する。
• モデルを用いて、このようなRGCモザイクが統計的結合性およびモーリー干渉によって空間的に周期的なOPMsを生成可能かどうかをシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラティナルガングリオン細胞モザイクは、選択性方向マップの形成におけるモーリー干渉を支えるのに十分な角度相関を示しているか？
• RQ2 ネコおよび霊長類の網膜におけるRGCモザイクの空間的構造は、周期的皮質的OPMsの誘導に適合しているか？
• RQ3 現在のデータセットのサイズでは、RGC双極モーメントの弱い角度相関を検出可能か？
• RQ4 RGCモザイクにおける最小限の角度相関は、統計的結合性によって等方向領域を生成するのに十分か？
• RQ5 RGC双極モーメントの空間的相関構造は、皮質的選択性方向マップの自己相関構造とどのように比較されるか？

主な発見

• ネコのベータ細胞および霊長類のパラソルRGCモザイクにおけるRGC双極モーメントの角度方向には、有意な空間的相関が認められなかった。
• 利用可能なデータセットは、RGC双極モーメントの角度方向の弱い相関でさえも信頼性を持って検出するには小さすぎる。
• 新規のポイント過程モデルは、現実的な最近接距離統計と調整可能な角度相関を持つモザイクを効果的に生成でき、制御されたシミュレーションが可能となった。
• 実際のRGCデータにおける角度相関の不在は、V1におけるOPM形成のメカニズムとしてモーリー干渉が成立しないことを示唆する。
• ON/OFFラティナルガングリオン細胞モザイクの配置は、一次視覚皮質における等方向領域を誘導するのに必要な空間的構造を欠いている。
• 本研究は、RGCモザイク駆動のモーリー干渉を越えた、周期的選択性方向マップの出現を誘導する他のメカニズムが存在する必要があると結論づける。