[논문 리뷰] Inferring retinal ganglion cell mosaics from measured orientation preference maps in cat V1

Manuel Schottdorf, Fred Wolf외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 12.

Visual perception and processing mechanisms인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 고양이 primary 시각 코르티컬에서 Moire 간섭을 통해 망막 신경절세포(RGC) 모자이크가 정현적 방향성 선호 지도(OPM)를 생성할 수 있는지 조사한다. RGC 이중극성 방향 상관관계를 모델링하기 위해 새로운 점과정을 사용하여 고양이 베타 세포나 영장류 파라솔 RGC에서의 공간적 상관관계가 유의미하지 않음을 발견하여, RGC 모자이크는 등방향 영역을 유도하기 위해 필요한 공간적 구조를 갖추지 못하고 있음을 결론 내린다.

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.

연구 동기 및 목표

• 망막 신경절세포(RGC) 모자이크의 공간적 구조가 고양이 primary 시각 코어티컬에서 정현적 방향성 선호 지도(OPM)의 형성에 기여할 수 있는지 테스트하기 위해.
• Moire 간섭에 핵심적인 역할을 하는 RGC 이중극성 방향 간의 각도 상관관계가 실제 RGC 데이터에 존재하는지 평가하기 위해.
• 실제 근접 이웃 통계와 조정 가능한 각도 상관관계를 갖춘 RGC 모자이크를 생성할 수 있는 새로운 점과정 모델을 개발하기 위해.
• 현재 이용 가능한 데이터 세트가 RGC 모자이크에서 약한 각도 상관관계를 탐지하는 데에 충분한지 평가하기 위해.
• ON/OFF RGC 모자이크의 배치가 V1에서 등방향 영역을 유도하기 위해 필요한 공간적 구조를 제공하는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 고양이 베타 세포와 영장류 파라솔 RGC의 수용체 영역 위치에 대한 기존 데이터를 분석하여 RGC 이중극성 간의 각도 상관관계를 평가한다.
• 실제 근접 이웃 거리와 이중극성 간의 조절 가능한 정도의 각도 상관관계를 갖춘 RGC 모자이크를 생성하는 새로운 점과정 모델을 제안한다.
• 사용 가능한 RGC 데이터 세트의 표본 크기를 고려하여 약한 각도 상관관계의 탐지 가능성에 대해 통계적 시뮬레이션을 수행한다.
• 측정된 OPM의 자기상관 구조와 RGC 이중극성의 각도 상관 구조를 비교하여 상호 호환성을 검증한다.
• 모델을 적용하여 이러한 RGC 모자이크가 통계적 연결성과 Moire 간섭을 통해 공간적으로 반복적인 OPM을 생성할 수 있는지 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 망막 신경절세포 모자이크가 방향성 선호 지도 형성 시 Moire 간섭을 지원하기 위해 충분한 각도 상관관계를 갖추고 있는가?
• RQ2 고양이 및 영장류 망막에서 관측된 RGC 모자이크의 공간적 구조는 주기적인 코어티컬 OPM을 유도하기와 호환되는가?
• RQ3 현재 데이터 세트 크기로는 RGC 이중극성의 약한 각도 상관관계를 탐지할 수 있는가?
• RQ4 RGC 모자이크에서 통계적 연결성을 통해 등방향 영역을 생성하기 위해 필요한 최소한의 각도 상관관계 수준은 무엇인가?
• RQ5 RGC 이중극성의 공간적 상관 구조는 코어티컬 방향성 선호 지도의 자기상관 구조와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 고양이 베타 세포 또는 영장류 파라솔 RGC 모자이크에서 RGC 이중극성의 각도 방향 간에 유의미한 공간적 상관관계가 발견되지 않았다.
• 사용 가능한 데이터 세트는 RGC 이중극성 방향의 약한 각도 상관관계를 신뢰성 있게 탐지하기에 너무 작다.
• 새로운 점과정 모델은 현실적인 근접 이웃 통계와 조절 가능한 각도 상관관계를 갖춘 모자이크를 성공적으로 생성하여 통제된 시뮬레이션을 가능하게 하였다.
• 실제 RGC 데이터에서 각도 상관관계가 없음을 확인함에 따라 Moire 간섭은 V1에서 OPM 형성의 메커니즘이 될 수 없다.
• ON/OFF 망막 신경절세포 모자이크의 레이아웃은 주된 시각 코어티컬에서 등방향 영역을 유도하기 위해 필요한 공간적 구조를 갖추고 있지 않다.
• 이 연구는 정현적 방향성 선호 지도의 형성에 RGC 모자이크 기반 Moire 간섭 이외의 다른 메커니즘이 존재해야 한다고 결론 내린다.