Mi a szerepe a spontn aktivitsnak az elsodleges ltkregben

1
Mi a szerepe a spontán aktivitásnak az elsodleges
látókéregben?

• József Fiser
• University of Rochester

Chiayu Chiu, David Wagner, Michael Weliky
2
Strukturált spontán aktivitás az elsõdleges
látókéregben
(Chiu Weliky JNS 2001)
3
Egy furcsaság
Szemnyitás elõtt strukturált spontán aktivitás
fontos és jó (Ocular Dominance, Orientation
columns)
Szemnyitás után strukturált spontán aktivitás
rossz, csak felesleges zaj
Mi történik szemnyitáskor????
4
Válasz lehetõségek
Szemnyitáskor.......

• A korrelált spontán aktivitás eltûnik (random
  noise)

• A korrelált spontán aktivitás amplitudója
  elhanyagolható a vizuálisan keltett aktivitás
  mellett

• Az állat nem lát semmit

5
Method Multi-electrode recording in the primary
visual cortex
6
Development of spontaneous activity
7
Development of an oscillatory pattern
8
Development of temporal and spatial correlations
9
Summary (Part I)
Szemnyitáskor.......

• A korrelált spontán aktivitás NEM TUNIK EL!

Elhanyagolható-e a spontán aktivitás szintje a
vizuálisan keltett aktivitás mellett?
10
Visually evoked responses Experimental setup

• Awake, head-restrained ferret
• 3 age groups (P30, P45, P90)
• Three interleaved trial types
• complete dark (spont.)
• natural scene movie
• white noise stimuli
• Compare neural activity under the different
  conditions

11
A vizuálisan keltett aktivitás szintje csak 30
-kal magasabb
12
Summary (Part II)
Szemnyitáskor.......
. a korrelált spontán aktivitás NEM TUNIK EL
..és mértéke NEM ELHANYAGOLHATÓ a vizuálisan
keltett aktivitás szintje mellett!
MÈG A FELNÔTT ÀLLATBAN SEM
Hogyan tud az állat látni??
13
Standard válasz Àtlagoljuk ki a korrelált zajt
Ki tudjuk?
14
Expected neural statistics based on the dynamics
of the visual displays
Elevation (deg)
Elevation (deg)
15
Correlation functions under the three conditions
16
Két megfigyelés

• A korreláció ezen szintje nem átlagolható ki

• A spontán aktivitás dominálja a neurális válaszok
  korrelációit

Ez azt jelenti, hogy a sejt válaszok egyáltalán
nem reprezentálják az input strukturát?
Dehogy nem!
17
Correlations (r)
Correlations (r)
18
A sejtek tüzelése reprezentálja az input
strukturáját, de csak egy 3-os moduláció erejéig
az idõbeli és 15 erejéig a térbeli korrelációk
esetén.
Ez valóban spontán aktivitás függô, vagy csak
sejt fejlôdési esetleg szemmozgástól függô hatas?
Nem!
19
Konkluziók

• A menyét elsôdleges látókérgében egy nagyon
  strukturált spontán aktivitás mérhetô a
  szemnyitás után

• Ezen aktivitás téri és idôbeli struktúrája korral
  lassú nemspecifikus bursting-bôl gyors szinkron
  tüzeléssé fejlôdik

• Ennek a fejlôdô struktúrának a lényegi aspektusa
  a belsô hálózat dinamikájához kapcsolódik nem
  pedig vizuális ta-pasztalathoz, egyéni sejt
  fejlôdéshez vagy szemmozgáshoz

• A vizuális stimulálás a spontán aktivitás
  tüzelési rátáját illetve másodrendû korrelációs
  strukturáját csak kis mértékben (habár
  szignifikánsan) változtatja meg

20
Thank you!
21
Why is this interesting at all?
It requires a completely different model of
sensory coding in which

• Neural activity is not exclusively stimulus driven

• Spontaneous activity is not noise but takes part
  in the coding

• Coding means not a massive change in firing rates
  but rather a modulating effect by sensory input
  on the dynamics of cell-assemblies

22
Visual Cortical Development in Ferrets
23
Spontaneous activity after lid suture
24
Spatio-temporal correlations after lid suture
25
Linear Filter Model
Measured Cell Filter Properties
Filtered Image
Original Image
26
Computing Expected Responses
58
-86
40
Output
20
(max-min) (maxmin)
Contrast
Elevation (deg)
Input
0
Nonlinear contrast response
Michelson-contrast
-20
-40
-40
Energy model of complex cells
0
20
-20
40
Azimuth (deg)
Filtered Image
Model output
1.0
Output
0.0
msec
-1.0
Impulse Response (Usrey et al., 2003)
27
Related findings in the literature
28
The relationship between visually driven
activity and functional architecture
Significant agreement between correlations in
orientation preference and correlations in neural
activity among different sites
29
Coarse and fine structure of the activity
30
Coarse and fine structure of the activity after
lid suture
31
Basic measurements of neural activity
32
Development of oscillations after lid suturing
33
Eye movements
34
The effect of eye movements

• Possible artifacts
• closed eyes
• looking away from the display
• saccadic eye movements introduce increased
  variability

35
The measure of eye movements
Max Azimuth 46 Elevation 22 Mean
Azimuth 11.5 6. Elevation 3.3 1.2

• of eye movements Natural scenes Noise
• P30-32 0.53 0.15 0.51 0.21
• P44-45 1.13 0.29 1.15 0.33
• P83-90 2.03 0.63 1.05 0.31

36
Excluding the effect of eye movements
37
Excluding the effect of eye movements
38
Anesthetized recordings
39
The effect of anesthesia
40
The effect of anesthesia
41
Miscellaneous
42
Patterned Spontaneous Activity in the Retina
(Waves)
(Demas, Eglen Wong JNS 2003)
43
Development of an oscillatory pattern
44
Our thinking

• Visual development circuit dynamics restrict the
  amount of sensory information reaching the brain

• This allows a gradual adaptation for the brain's
  internal states to the different types of visual
  information

• In the mature brain spontaneous dynamics are
  adapted to efficient coding of the complex
  time-varying signals in environment

• Results under anesthesia give insights to the
  basic structural architecture of the brain, but
  do not capture the coding mechanism