[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究调查了在猫初级视觉皮层中，水平细胞（RGC）点阵是否可通过莫列干涉产生周期性方位偏好图（OPMs）。通过一种新型点过程建模RGC偶极子方向的相关性，研究发现猫β细胞及灵长类寄生细胞RGC中均无显著的空间相关性，结论为RGC点阵缺乏产生同向柱所需的时空结构。

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.

研究动机与目标

• 检验视网膜神经节细胞（RGC）点阵的空间结构是否能支持初级视觉皮层中周期性方位偏好图（OPMs）的产生。
• 评估真实RGC数据中RGC偶极子方向的方位相关性是否存在——这是莫列干涉的关键因素。
• 开发一种新型点过程模型，可生成具有真实最近邻统计特性和可调方位相关性的RGC点阵。
• 评估现有数据集是否足以检测RGC点阵中微弱的方位相关性。
• 确定ON/OFF RGC点阵的排布是否具备在V1中启动同向柱所需的时空结构。

提出的方法

• 分析现有猫β细胞和灵长类寄生细胞RGC感受野位置数据，评估RGC偶极子之间的方位相关性。
• 提出一种新型点过程模型，可生成具有真实最近邻距离和可控偶极子间方位相关性的RGC点阵。
• 利用统计模拟评估在现有RGC数据集样本量下检测微弱方位相关性的可行性。
• 将测量到的OPMs自相关结构与RGC偶极子的方位相关结构进行比较，以检验其相容性。
• 应用该模型模拟此类RGC点阵是否可通过统计连接性和莫列干涉产生空间重复的OPMs。

实验结果

研究问题

• RQ1 视网膜神经节细胞点阵是否具有足够的方位相关性以支持莫列干涉在方位偏好图形成中的作用？
• RQ2 猫和灵长类视网膜中RGC点阵的观测空间结构是否与在V1中启动周期性OPMs相容？
• RQ3 当前数据集规模是否足以检测RGC偶极子中的微弱方位相关性？
• RQ4 RGC点阵中产生同向柱所需的最小方位相关性水平是多少？
• RQ5 RGC偶极子的空间相关性结构与皮层方位偏好图的自相关结构相比如何？

主要发现

• 在猫β细胞和灵长类寄生细胞RGC点阵中，未发现RGC偶极子方向之间的显著空间相关性。
• 现有数据集规模过小，无法可靠检测RGC偶极子方向中的微弱方位相关性。
• 新型点过程模型成功生成了具有真实最近邻统计特性和可调方位相关性的点阵，实现了可控模拟。
• 真实RGC数据中缺乏方位相关性，意味着莫列干涉无法作为V1中OPM形成的机制。
• ON/OFF视网膜神经节细胞点阵的排布缺乏在初级视觉皮层中启动同向柱所需的时空结构。
• 本研究结论认为，周期性方位偏好图的产生必须依赖于超越RGC点阵驱动的莫列干涉的其他机制。