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Enregistrement W4361818145 · doi:10.1101/2023.03.30.534278

Estimating receptive fields of simple and complex cells in early visual cortex: A convolutional neural network model with parameterized rectification

2023· preprint· en· W4361818145 sur OpenAlexaff
Philippe Nguyen, Jinani Sooriyaarachchi, Qianyu Huang, Curtis L. Baker

Notice bibliographique

RevuebioRxiv (Cold Spring Harbor Laboratory) · 2023
Typepreprint
Langueen
DomaineNeuroscience
ThématiqueNeural dynamics and brain function
Établissements canadiensMcGill University
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésSimple cellReceptive fieldVisual cortexComputer scienceBinocular neuronsBiological systemParameterized complexityArtificial intelligenceSimple (philosophy)Convolutional neural networkPattern recognition (psychology)NeuroscienceAlgorithmPsychology

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Abstract Neurons in the primary visual cortex respond selectively to simple features of visual stimuli, such as orientation and spatial frequency. Simple cells, which have phase-sensitive responses, can be modeled by a single receptive field filter in a linear-nonlinear model. However, it is challenging to analyze phase-invariant complex cells, which require more elaborate models having a combination of nonlinear subunits. Estimating parameters of these models is made additionally more difficult by cortical neurons’ trial-to-trial response variability. We develop a simple convolutional neural network method to estimate receptive field models for both simple and complex visual cortex cells from their responses to natural images. The model consists of a spatiotemporal filter, a parameterized rectifier unit (PReLU), and a two-dimensional Gaussian “map” of the receptive field envelope. A single model parameter determines the simple vs. complex nature of the receptive field, capturing complex cell responses as a summation of homogeneous subunits, and collapsing to a linear-nonlinear model for simple type cells. The convolutional method predicts simple and complex cell responses to natural image stimuli as well as grating tuning curves. The fitted models yield a continuum of values for the PReLU parameter across the sampled neurons, showing that the simple/complex nature of cells can vary in a continuous manner. We demonstrate that complex-like cells respond less reliably than simple-like cells - compensation for this unreliability reveals good predictive performance on novel sets of natural images, with predictive performance for complex cells proportionately closer to that for simple cells. Most spatial receptive field structures are well fit by Gabor functions, whose parameters confirm well-known properties of cat A17/18 receptive fields. Author summary Methods for recording increasingly many visual cortex neurons are advancing rapidly, demanding new approaches to characterize diverse receptive fields. We present a compact convolutional neural network model of early cortical neurons, which is uniformly applicable to simple and complex cells, and whose parameters are straightforwardly interpretable and readily estimated from responses to natural image stimuli. This novel approach introduces a single estimated model parameter to capture the simple/complex nature of a neuron’s receptive field, revealing a continuum of simple vs complex-like behaviour. We show that almost all complex-like cells exhibit a lower response reliability to repeated presentations of the same stimuli, compared to more reliable responses from simple-like cells. Accounting for this “noise ceiling” brings predictive performance for complex cells proportionately closer to that for simple cells. Using this model estimation approach with natural images, we evaluate findings from previous approaches that were restricted to simple-type cells and the use of grating or white noise stimuli, revealing a diversity of Gabor-like spatial receptive field shapes, which lie along a continuum of spatial bandwidths.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,001
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Méthodes · Signal consensuel: Méthodes
Score de désaccord entre enseignants0,018
Score d'incertitude au seuil0,036

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,001
Bibliométrie0,0000,000
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0000,000
Science ouverte0,0010,000
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,043
Tête enseignante GPT0,256
Écart entre enseignants0,213 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreMéthodes

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations0
Publié2023
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