Neuroimaging - Orientierungsselektivität im V1

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