How early eye circuits process and present visual features

早期眼回路如何处理和呈现视觉特征

基本信息

  • 批准号:
    BB/M009564/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 115.94万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Research Grant
  • 财政年份:
    2015
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2015 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

From humans to fruit flies, the ability of resolve individual objects by their features and to link these features to a coherent precept of the world is crucial for visual behaviours and fitness of seeing animals. But it remains a mystery how information processing within the networks of nerve cells in the eyes make object recognition possible.Eye circuits process and represent visual information as patterns. Some of these patterns are complex and allow the brain, for example, to recognize objects from different perspectives. It is not understood how the eyes/brains represent visual information as patterns, recognises those patterns, and then solves problems. However, it is likely that the underlying processes occur at the level of circuits, where neurons and their connections interact dynamically. These important questions have direct implications for how we understand neural mechanisms for object/pattern recognition, with obvious links to artificial visual systems, machine-learning and robotics. Yet remarkably, they can be particularly well studied in the simple eyes and brain of fruit fly, Drosophila. While fly and human eyes have a very different architecture, both eyes must somehow extract object features from visual scenes, and to link these neural representations to some form of internal activity "maps" to execute goal-oriented behaviours. Importantly, Drosophila has a hard-wired circuitry of known layout, genetic toolboxes for modifying connectivity, and allows monitoring of neural activity with scalable resolution during visual stimulation/behaviour. This would not be possible in human eyes/brain. We now wish to utilise new wiring diagrams, genetic, electrophysiological and optical imaging tools available for Drosophila and state of the art mathematical analysis to study neural mechanisms of object representation at the level of its eye microcircuits. Specifically, we are interested in uncovering what kind of processing strategies early visual circuits use to extract object features; how and why eye circuits separate and integrate the representations of object colour and shape ('what' information) from that of its location and motion ('where' information), and how these representations adapt when the same object is seen in different lighting conditions/backgrounds. This research plan aims to start identifying and quantifying the fundamental early neural mechanisms for object perception that are probably used in the nervous systems of seeing animals across the animal kingdom. The knowledge we gain from these studies will not only advance our understanding of how animals see but, because the basic underlying neural connectivity and synaptic mechanisms are so widely found in other sensory systems and in our brain, will provide new insight into many other, often clinically important processes in the nervous system. Thus, our results should be off great interest to academics and industry, seeking to understand biologically-inspired design for machine sensing; principles which are usually more robust, cheaper, smaller and more energy-efficient than conventional engineering concepts. In long term, the new knowledge from our experiments and modelling may even help to manufacture novel adaptive biochips and test their performance as sensory implants.
从人类到果蝇,通过其特征解决各个物体的能力,将这些特征与世界连贯的戒律联系起来对于视觉行为和看动物的适应性至关重要。但是,眼睛中神经细胞网络中的信息处理如何使对象识别成为可能。眼电路处理并表示视觉信息作为模式,这仍然是一个谜。这些模式中的一些很复杂,例如,大脑可以从不同的角度识别对象。目光/大脑如何将视觉信息表示为模式,识别这些模式,然后解决问题。但是,基础过程可能发生在电路级别,神经元及其连接动态相互作用。这些重要的问题对我们如何理解对象/模式识别的神经机制具有直接影响,并与人工视觉系统,机器学习和机器人技术有明显的联系。然而,值得注意的是,它们可以在果蝇果蝇的简单眼睛和大脑中进行特别的研究。虽然苍蝇和人的眼睛具有截然不同的结构,但两只眼睛都必须以某种方式从视觉场景中提取对象特征,并将这些神经表示与某种形式的内部活动“地图”联系起来,以执行面向目标的行为。重要的是,果蝇具有已知布局的硬连线电路,用于修饰连通性的基因工具箱,并允许在视觉刺激/行为期间以可扩展的分辨率监测神经活动。在人眼/大脑中,这是不可能的。现在,我们希望利用可用于果蝇的新接线图,遗传,电生理和光学成像工具以及艺术数学分析的状态来研究其眼睛微电路水平上对象表示的神经机制。具体而言,我们有兴趣发现早期视觉电路用于提取对象特征的处理策略。眼睛电路如何分开并整合对象颜色和形状('What what'信息)的位置和运动('Where'信息)的表示,以及当在不同的照明条件/背景中看到相同对象时这些表示如何适应。该研究计划旨在开始识别和量化物体感知的基本早期神经机制,这些神经机制可能被用于在整个动物界看到动物的神经系统中使用。我们从这些研究中获得的知识不仅会提高我们对动物的看法的理解,而且因为基本的潜在神经连通性和突触机制在其他感觉系统和大脑中如此广泛地发现,它将为神经系统中许多其他临床上重要的过程提供新的见解。因此,我们的结果应该对学者和行业产生极大的兴趣,并试图了解以生物学灵感的机器感测。通常比传统的工程概念更强大,更便宜,更小,更节能。从长远来看,我们实验和建模的新知识甚至可能有助于制造新型的自适应生物芯片并测试其作为感觉植入物的性能。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Microsaccadic sampling of moving image information provides Drosophila hyperacute vision.
  • DOI:
    10.7554/elife.26117
  • 发表时间:
    2017-09-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    7.7
  • 作者:
    Juusola M;Dau A;Song Z;Solanki N;Rien D;Jaciuch D;Dongre SA;Blanchard F;de Polavieja GG;Hardie RC;Takalo J
  • 通讯作者:
    Takalo J
Theory of Morphodynamic Information Processing: Linking Sensing to Behaviour
  • DOI:
    10.20944/preprints202308.1210.v1
  • 发表时间:
    2023-08-16
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Juusola,Mikko;Takalo,Jouni;Chittka,Lars
  • 通讯作者:
    Chittka,Lars
Selective human tau protein expression in different clock circuits of the Drosophila brain disrupts different aspects of sleep and circadian rhythms
  • DOI:
    10.1101/2020.12.14.422675
  • 发表时间:
    2020-12
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    David Jaciuch;J. Munns;S. Chawla;S. Davis;M. Juusola
  • 通讯作者:
    David Jaciuch;J. Munns;S. Chawla;S. Davis;M. Juusola
Encyclopedia of Computational Neuroscience
计算神经科学百科全书
  • DOI:
    10.1007/978-1-4614-6675-8_333
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Juusola M
  • 通讯作者:
    Juusola M
How a fly photoreceptor samples light information in time.
  • DOI:
    10.1113/jp273645
  • 发表时间:
    2017-08-15
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Juusola M;Song Z
  • 通讯作者:
    Song Z
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