Neuroimaging - Orientierungsselektivit

1
Neuroimaging- Orientierungsselektivität im V1

• Seminar Visuelle Neurowissenschaften
• Dozent Prof. Dr. Karl Gegenfurtner
• Dr. Julia Trommershäuser
• Referentin Katrin Burghardt
• Datum 19.6.2006

2
Haynes Rees Predicting the orientation of
invisible stimuli from activity in human primary
visual cortex
3

• Im V1 Neurone unterschiedlicher
  Orientierungspräferenz in Windrad-Muster
  angeordnet
• Physiologische Messung unbewusster
  merkmalssensitiver Verarbeitung im menschlichen
  V1 schwierig zu erfassen (niedrige räumliche
  Auflösung funktioneller Magnetresonanztomographie)
  
• ? Multivariate Mustererkennung Möglichkeit,
  Informationen über Reizorientierung, die in
  Aktionsmustern im V1 enthalten sind, zu
  berücksichtigen

4
Hypothesen

• Methode kann erfolgreich zwischen verschiedenen
  Aktionsmustern unterscheiden (kurze
  Repräsentation rechtwinklig orientierter Gitter)
• Existenz einer unbewussten Orientierungsrepräsenta
  tion im menschl. V1
• Auch wenn Gitterreize maskiert werden, kann man
  durch Messung der V1-Aktivität auf
  Reizorientierung schließen

5
Experiment 1

• 4 VP
• Stimuli schräg orientiertes Gitter in Ringform
  um Fixationspunkt (45 nach links oder rechts
  geneigt)

6

• 100 Voxel mit stärkster Antwort auf beide Reize
  leichte Orientierungs-präferenz
• Hohe Stabilität ihrer orientierungsverzerrten
  Antworten

7

• Einzige Messung der Hirnaktivität ausreichend
• Reizorientierung mit hoher Genauigkeit
  klassifizierbar
• Verbesserte Klassifikationsgenau-igkeit bei
  Betrachtung der Aktionsmuster von großer Anzahl
  Voxel (20-50 Genauigkeit ca. 80)

8
Experiment 2

• Untersuchung, ob Musterklassifikation mittels
  Antwortmuster im V1 genutzt werden kann, um
  vorherzusagen, wie maskierter, unsichtbarer Reiz
  orientiert ist

9

• 4 VP
• Selbe Gitter wie Exp.1, aber maskiert
• standing wave of invisibility
• Einzelnes Zielmuster wechselt sich wiederholt mit
  2 Masken ab ? anhaltende Unsichtbarkeit des
  Targets

10

• Trotz Wissen über Maskierung waren VP unfähig
  Orientierung der maskierten Gitter zu erkennen ?
  Zufallsleistung
• Aktivitätsmuster im V1 Genauigkeit über
  Zufallsniveau (1 Voxel 50, bei
  mehreren ca.57)

11

• Erster direkter Beweis, dass V1 gegenüber
  Stimulusorientierung außerhalb der bewussten
  Aufmerksamkeit sensitiv ist
• Vorhersagegenauigkeit für maskierte Gitter
  dennoch geringer als für bewusst wahrgenommene
  Gitter

12

• Vorhersagegenauig-keit für sichtbare und
  unsichtbare Gitter nimmt von V1 zu V2 zu V3 ab
• Für maskierte Gitter konnte man Orientierung nur
  aus V1 vorhersagen

13
Kamitani Tong

• Decoding the visual and subjective contents of
  the human brain

14

• ensemble feature selectivity (gemeinsame
  Merkmalsselektivität) ? fMRT-Multivoxelmusteranaly
  se ? neuronale Entschlüsselung der wahrgenommenen
  Orientierung
• Hypothese einzelnes Voxel geringe Verzerrung der
  Orientierungsselektivität, aber Aktionsmuster
  vieler Voxel stabile Orientierungsselektivität

15
Methode

• VP sahen rundes Gitter mit 1 von 8 möglichen
  Orientierungen (0, 22,5,,157,5) ? Reize
  wurden alle 250 ms an- und ausgeschaltet
• Neuronale Aktivität in V1-V4 und MT wurde
  gemessen
• Pro Orientierung 20-24 Durchgänge

16
1) Orientierungsdekodierer und ensemble feature
selectivity

• Konstruktion eines Orientierungsdekodierers, um
  fMRT-Aktivität bei verschiedenen Durchgängen zu
  messen
• Input durchschnittliche Antwortamplitude von
  jedem Voxel
• Optimierung der Voxelantworten, sodass Output für
  präferierte Orientierung am größten war

17

• Einzelne Voxel geringe Antwortselektivität auf
  verschiedene Orientierungen
• Ensemble orientation detector (Summe vieler
  Voxelantworten) stabile abgestufte Antworten,
  die mit Ähnlichkeit der Reizorientierung zur
  präferierten Orientierung zunahm
• ? Ergebnisse weisen darauf hin, dass ensemble
  pattern der fMRT-Aktivität Orientierungsinformatio
  nen enthält, die Selektivität der einzelnen Voxel
  weit übertreffen

18
2) Genauigkeit der Orientierungs-dekodierung in
visuellen Gebieten

• Mittels ensemble activity präzise
  Entschlüsselung, welche der 8 Orientierungen
  gesehen wurde
• Fehler, die gelegentlich bei ähnlichen
  Orientierungen auftrat

19

• Unstimulierte Regionen rund um foveale
  Repräsentation in V1/V2 Zufallslevel
• Unabhängigkeit der Orientierungsinformation in
  beiden Hemisphären
• ? jede Hemisphäre konnte Orientierung des
  kontralateralen, aber nicht des ipsilateralen
  Reizes entschlüsseln

20

• Orientierungs-selektivität nimmt in höheren
  visuellen Arealen ab
• MT keine Orientierungs-selektivität ? Gebiet
  sensitiver für Bewegungen

21
3) Gedankenlesen von betrachteten Orientierungen

• Durchführung
• Betrachten einzelner Gitter (45, 135)
• Betrachten der überlappenden Gitterreize
• Aufmerksamkeits-lenkung auf 1 der 2 Gitter

22

• Hypothese
• Aktivitätsmuster verschieben sich in Richtung
  betrachteter Orientierung
• Orientierungsmuster sind stark in Richtung
  betrachteter Orientierung verzerrt, obwohl
  überlappende Orientierungen dargeboten wurden
• Genauigkeit bis 80

23

• Auch wenn VPs auf beide Gitter gleichzeitig
  Aufmerksamkeit lenkten Entschlüsselung beider
  Orientierungen
• ? Neue Beweise, dass Aufmerksamkeit die
  Orientierungssignale auf frühester Stufe der
  kortikalen Verarbeitung beeinflussen, wenn sich 2
  Reize vollständig überlappen

24
Klausurfragen

1. Wodurch erreicht man bei der fMRT-Untersuchung
   der Orientierungsselektivität im visuellen Kortex
   eine höhere Vorhersagegenauigkeit und stabilere
   Antworten?
2. Wie entwickelt sich die neuronale
   Vorhersagegenauigkeit betrachteter Orientierungen
   sichtbarer und unsichtbarer Gitterreize vom V1
   bis zu höheren Arealen im visuellen Kortex?
3. Was ist im Zusammenhang mit der neuronalen
   Orientierungsselektivität mit Unabhängigkeit der
   Orientierungsinformation in den Hemisphären
   gemeint?