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Type: Tese de Doutorado
Title: Células simples e complexas no wulst visual da coruja
Authors: Joao Paulo Machado de Sousa
First Advisor: Jerome Paul Laurent Baron
First Referee: Henrique Resende Martins
Second Referee: Denise Duarte Scarpa Magalhaes Alves
Third Referee: Sergio Neuenschwander
metadata.dc.contributor.referee4: Christopher Kushmerick
metadata.dc.contributor.referee5: Kerstin Erika Schmidt
Abstract: O wulst visual é o alvo das projeções retinotalamofugais no telencéfalo de aves. Em corujas, esta área é conhecida por possuir semelhanças funcionais com o córtex visual primário (V1) de mamíferos. Em seu estudo pioneiro, Pettigrew relatou que tais semelhanças também se estendiam a dois tipos celulares básicos que inicialmente foram descritos por Hubel e Wiesel (em V1): células simples, caracterizadas por suas seletividade espacial aproximadamente linear à polaridade do contraste do estímulo, e uma população muito mais diversificada de células denominadas complexas, as quais não exibem esta propriedade de resposta. Neste trabalho, os achados de Pettigrew foram reavaliados usando métodos de classificação mais quantitativos oriundos da teoria de sistemas lineares. O método calcula o índice de linearidade do somatório espacial baseado na resposta dos disparos da célula a uma grade senoidal em movimento. Os estímulo utilizados foram otimizados em termos de frequências espaciais e temporais, orientação, tamanho e direção do movimento, dependendo do protocolo de registro. A modulação da resposta evocada ($F_{1}/F_{0}$) é obtida por meio da divisão da amplitude da oscilação da resposta na frequência temporal do estímulo ($F_{1}$) pela média da resposta acima da atividade espontânea ($F_{0}$). Células que possuem $F_{1}/F_{0}$ $>$ 1 são classificadas como simples; as outras como complexas. A confiabilidade neste método de classificação se baseia em duas linhas de evidências: 1) concordância geral com outros métodos de mapeamento; 2) distribuição bimodal de $F_{1}/F_{0}$ com um vale bem definido entre os neurônios de V1 na maioria das espécies de mamíferos estudadas até hoje. Fui analisado um total de 369 neurônios, amostrados aleatoriamente ao longo de diferentes profundidades no wulst visual de dezesseis corujas buraqueiras acordadas. Os resultados obtidos até o momento mostram que a distribuição da modulação ($F_{1}/F_{0}$) foi unimodal (mediana $F_{1}/F_{0}$ = 0,43) sem evidência clara de um mínimo local (P=0,997 teste dip de Hartigan). Adotando o critério de classificação convencionalmente utilizado em mamíferos (descrito acima), 83\% das células amostradas foram classificadas como complexas (mediana $F_{1}/F_{0}$ = 0,36). A proporção de células simples (mediana $F_{1}/F_{0}$ = 1,33) foi apenas ligeiramente menor que o relatado por Pettigrew em corujas {\it Tyto alba } anestesiadas (21\%, 126/579). Os neurônios classificados como simples e complexos apresentaram valores de atividade espontânea mediana similares (3,43 e 4,24 disparos/s, respectivamente) e a modulação da resposta evocada não mostrou correlação estatisticamente significativa com a atividade espontânea. Conforme nossos dados, foi encontrada uma grande variação na modulação das respostas evocadas para baixo e alto contrastes, 7,5\% e 98\% respectivamente. Algumas células do wulst (aproximadamente 1/4 das células avaliadas, n = 120) apresentaram classificações variadas para diferentes contrastes. De acordo com um trabalho anterior de nosso grupo, os neurônios do wulst (86/111) apresentam uma supressão da resposta quando uma grade senoidal em movimento é expandida além do seu campo receptivo clássico (CRF). Aqui, mostramos que este efeito é muitas vezes acompanhado por um aumento de $F_{1}/F_{0}$ (aproximadamente 2/3 das células avaliadas, n = 86). Metodologias de mapeamento das subunidades do campo receptivo dos neurônios utilizando a correlação reversa foram desenvolvidas e aplicadas com o objetivo de caracterizar suas estruturas internas. Os mapeamentos das subunidades dos campos receptivos mostraram que a localização espacial das subunidades {\it ON} e {\it OFF} podem se alterar ao longo do tempo ou se configurar de forma diferente dependendo do estímulo utilizado em sua estimulação. Os campos receptivos se mostraram mais 'complexos' quando estimulados com um ruído esparso e mais 'simples' quando estimulados com um ruído denso. Portanto, de modo geral, nossos resultados não apóiam a existência de duas classes distintas de células simples/complexas no wulst visual. Os resultados sugerem ainda que o grau com que cada neurônio do wulst atua como um filtro espaço temporal linear depende da combinação específica dos atributos do estímulo.
Abstract: The visual wulst is the avian telencephalic target of the retinothalamofugal pathway. In owls, this area is known to have a close functional resemblance with mammalian primary visual cortex (V1). In his pioneering study, Pettigrew reports that this resemblance also extends to two basic cell types initially described by Hubel and Wiesel: simple cells, characterized by approximately linear spatial selectivity to stimulus contrast polarity, and a much more diverse population of so-called complex cells, which do not exhibit this response property. Here, we reassess Pettigrew's finding using a more quantitative classification method derived from linear system theory. The method computes a linearity index of spatial summation based on the spiking response of a cell to moving sinusoidal gratings optimized in terms of spatial as well as temporal frequencies, orientation and direction of motion. The index ($F_{1}/F_{0}$) is obtained by dividing the amplitude of response oscillation at the fundamental frequency of the stimulus ($F_{1}$) by the mean response of the cell above spontaneous discharge ($F_{0}$). Cells yielding a $F_{1}/F_{0}$ $>$ 1 are classified as simple cells; the others as complex cells. The reliability of this classification method is supported by two lines of evidence: 1) general agreement with other mapping methods; 2) Bimodal distribution of $F_{1}/F_{0}$ with a pronounced dip close to unity across V1 neurons of most mammalian species investigated to date. We analyzed a total of 369 neurons randomly sampled along different depths of the visual wulst of sixteen awake burrowing owls. Unexpectedly, the $F_{1}/F_{0}$ frequency distribution was found to be unimodal (median $F_{1}/F_{0}$ = 0.43) with no clear evidence of local minimum at unity (P = 0.997, Hartigan's dip test). Adopting the classification criterion conventionally used in mammals (see above), 83\% of our sampled cells were classified as complex (median $F_{1}/F_{0}$ = 0.36). The proportion of simple cells (median $F_{1}/F_{0}$ = 1.33) was however only slightly lower than that reported by Pettigrew in anesthetized barn owls (21\%, 126/579). Neurons classified as simple and complex had similar median spontaneous rates (3.43 and 4.24, respectively) and $F_{1}/F_{0}$ was not significantly correlated with spontaneous activity. According to our data, it was found a considerable variability of $F_{1}/F_{0}$ for low and high contrast, 7.5\% and 98\%, respectively. Some wulst's cells (about 1/4 of evaluated cells, n = 120) showed different classification for both contrasts. Most wulst's neurons exhibit marked response suppression when a drifting grating is expanded beyond their classical receptive field (CRF). Here, we found that this suppressive effect is actually often accompanied by a significant increase in $F_{1}/F_{0}$ (about 2/3 of evaluated cells, n = 86). Receptive field subunits mapping methodologies were developed and applied using the reverse correlation in order to characterize its internal structures. The receptive field subunits maps showed a dynamic behavior in the spatial localization of receptive field subunits ON and OFF during time and a receptive field reconfigurability depending on the stimulus statistics. The receptive field was more 'complex' like when stimulated by a sparse noise and more 'simple' like when stimulated by a dense noise. Altogether, our results do not support the existence of two discrete simple/complex cell classes within the visual wulst. They further suggest that the degree with which a wulst neuron operates as a spatiotemporal linear filter dependents on specific combinations of stimulus attributes.
Subject: Coruja
Engenharia elétrica
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/RAOA-BC6HU8
Issue Date: 7-Aug-2015
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