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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.76.2010.tde-25032010-161256
Documento
Autor
Nome completo
Nelson Mesquita Fernandes
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2010
Orientador
Banca examinadora
Koberle, Roland (Presidente)
Alfonso, Nestor Felipe Caticha
Maia, Leonardo Paulo
Silva Filho, Antonio Carlos Roque da
Silva, Mauro Copelli Lopes da
Título em português
Acuidade visual e codificação neural da mosca Chrysomya megacephala
Palavras-chave em português
Neurobiofísica
Neurônios H1
Reconstrução de segunda ordem do estímulo
Redução dimensional do estímulo
Sistema visual
Resumo em português
Descrevemos os processos de captura, criação e micromanipulação cirúrgica das moscas Chrysomya megacephala. Apresentamos os processos de geração de estímulo e registro da atividade dos dois neurônios H1 localizados na placa lobular de seu cérebro. Um primeiro resultado apresentado refere-se a acuidade de seu sistema visual. Desenvolvemos um procedimento para comparar sua taxa de disparos espontâneos com as respostas do neurônio H1 quando sujeito a estímulos de excitação e inibição. Mostramos que o sistema visual da mosca não está apenas adaptado a detectar grandes fluxos ópticos mas também, é capaz de detectar pequenas velocidades de aproximadamente 1, 5o.s-1 e de apenas 0,25o de amplitude. Estes valores mostram que a mosca é capaz de detectar deslocamentos angulares muito menores do que sua abertura omatidial, = 1 2o. Outro resultado apresentado é obtido ao estudarmos o processo de codificação-decodificação neural. Alguns sistemas sensoriais agem como um conversor analógico-digital, recebendo um estímulo S(t) e codificando-o em uma sequência de pulsos, spikes. O processo de decodificação da resposta neural consiste em receber este conjunto pulsos e gerar uma estimativa Se(t) do estmulo. Este processo requer a computação e subsequente inversão de funções de correlação de alta ordem. A dimensão das matrizes que representam estas funções pode se tornar proibitivamente grande. Apresentamos um eficiente método para reduzir estas funções de correlação. Esta aproximação tem baixo custo computacional, evita a inversão de grandes matrizes e nos da um excelente resultado para a reconstrução do estímulo. Testamos a qualidade de nossa reconstrução sobre estímulos de rotação e translação. A contribuição dos núcleos de segunda ordem para a reconstrução do estímulo é de apenas 8% da contribuição dos núcleos de primeira ordem. Entretanto, em instantes específicos, a adição destes núcleos pode representar uma contribuição de ate 100%. Finalmente, investigamos quais atributos do estímulo são codificados pelos neurônios H1. Nosso espaço de estímulos possui um conjunto da ordem de 2 × 1096 elementos. É impossível imaginar que o sistema formado pelos dois neurônios H1 seja capaz de codificar eficientemente esta enorme quantidade de elementos. É razoável considerar que este sistema seja ao menos capaz de codificar um atributo essencial do movimento, seu sentido - rotações horizontais para direita ou para esquerda. Desta forma, apresentamos dois estímulos distintos para a mosca, um no qual suas velocidades são retiradas de uma distribuição Gaussiana e outro que contem apenas o sentido deste movimento. Obtemos uma correlação da ordem de 80 - 90% entre as estimativas de ambos os estímulos, estimativas obtidas através do processo de reconstrução linear. Obtemos aproximadamente 85% de eficiência na predição do sentido deste movimento. Ao utilizarmos a Teoria da Informação, encontramos uma diferença de apenas 10% entre as taxas de informação transmitida sobre os estímulos Gaussiano e sua versão reduzida. Concluímos que a propriedade comum a estes dois estímulos, o sentido do movimento, é o atributo relevante a ser codificado pelos neurônios H1.
Título em inglês
Visual acuity and neural encoding of the fly Chrysomya megacephala
Palavras-chave em inglês
Dimensional reduction of stimulus
H1 neurons
Neurobiophysics
Second order stimulus reconstruction
Visual system
Resumo em inglês
We describe the practices of capturing, creation, and microsurgery of the flies Chrysomya megacephala. We present the procedures of stimulus generation and recording of the activity of the two H1 neurons in the lobula plate of its brain. One first result presented is related to its visual system acuity. We developed a method to compare its spontaneous firing rate with the H1s responses to excitatory and inhibitory stimuli. We show that the flys visual system is not only adapted to detect large optic flows but is also capable to detect small velocities about 1, 5o.s-1 with just 0, 25o of amplitude. These values show that the fly is capable to detect angular displacements much smallers than its ommatidial aperture, = 1 2o. Another relevant result is attained studying the processes of neural encode-decode. Some sensorial systems act as an analog-to-digital conversor, these systems encode the input stimulus S(t) in a sequence of action potential, spikes. The decoding process of the neural response consists of capturing this set of spikes and to generate an estimate Se(t) of the stimulus. This process requires the computation and subsequent inversion of high order correlations functions. The dimension of the matrixes that represent these functions can become prohibitively large. We present an efficient method to reduce these correlation functions. This approximation has low computational cost, avoids large matrixes inversion and give to us an excellent result to the stimulus reconstruction. We tested the reconstruction quality of rotational and translational stimuli. The contribution of second order stimulus reconstruction kernels is just 8% of first order kernels contribution. However, in specific times, the addition of these kernels may represent a 100% contribution. Finally, we investigate which stimulus features are codified by the H1 neurons. The stimulus space has a set of about 2 × 1096 elements. It is impossible to imagine that the system formed by the two H1 neurons could be able to encode efficiently this amount of elements. It is reasonable to consider that this system is at least able to encode an essencial characteristic of movement, its direction horizontal rotations to the right or to the left. Therefore, we presente two different stimuli to the fly, one which have velocities taken from a Gaussian distribution and another which contains just the direction of this movement. We obtain about 80 - 90% correlation between the estimates of both stimuli, estimates obtained through linear reconstruction methods. We obtain about 85% of efficiency in the prediction of stimulus direction. We find just a 10% difference between the information rate transmitted about the Gaussian stimulus and its reduced version using Information Theory. We conclude that the common attribute of these stimuli, the direction of movement, is the relevant attribute to be codified by the H1 neurons.
 
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Data de Publicação
2010-04-24
 
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