In primary visual cortex (V1) of mammals, the neurons selectively respond to the specific features of visual stimuli, such as orientation and spatial frequency. The spatial distribution of orientation preference of each V1 neuron forms the orientation map. Interestingly, the structure of orientation maps differs across species. The orientation preference of each neuron varied smoothly across V1 in higher mammals, such as monkeys and cats. On the other hand, the orientation preferences varied discontinuously in rodents, in a structure called a salt-and-pepper map. However, what makes this structural difference of orientation maps between higher mammals and rodents remains unclear.
Previously, a model study suggested that $moir \acute{e}$ interference pattern between ON and OFF retinal ganglion cell (RGC) mosaics could originate periodic orientation maps. Also, the model study suggested that the spatial periodicity on RGC mosaic by $moir \acute{e}$ interference determines the structure of orientation maps. However, our preliminary analysis suggests that the spatial periodicity on RGC mosaic, estimated from mouse RGC mosaic data, is not restricted to a specific range to generate a salt-and-pepper map. To address this issue, we herein propose that feedforward convergence structure between the retina and V1 is the crucial factor that determines the structure of orientation maps.
To find the retina-V1 feedforward convergence structures that develop a salt-and-pepper map, we modulated two parameters. The first parameter was the size of sampling range in RGC mosaic, and the second was the sampling ratio within the convergence structure, which indicates how densely RGCs were sampled. This dissertation suggests that a salt-and-pepper map can be developed by large, sparse convergence structure in retina-V1 feedforward wiring, while a smooth map can be developed by small, dense convergence structure. Furthermore, this model study proposes a possibility that feedforward convergence structure may decide the structure of functional map observed in the mammalian cortex.
포유동물의 시각피질 세포는 시각자극의 방향에 따라 반응의 세기가 달라진다. 시각피질에 걸쳐서 이러한 세포가 어떤 방향의 시각자극에 가장 크게 반응하는 지를 표현한 것이 방향성 지도이다. 신기하게도 같은 포유류 안에서도 원숭이나 고양이와 같은 고등포유동물의 시각피질에서는 세포가 선호하는 시각자극의 방향이 연속적으로 변하는 반면에, 쥐와 같은 설치류의 경우에는 비규칙적으로 변하여 무작위적인 형태의 방향성 지도가 관측된다. 하지만 어떤 요소에 의하여 다른 구조를 갖는 방향성 지도가 발생되는 지는 아직 명확히 밝혀지지 않았다.
본 연구에서는 망막부터 시각피질까지의 피드포워드 연결구조가 방향성 지도의 구조를 결정할 것이라고 가정하였고, 얼마나 넓은 영역의 망막에 존재하는 망막절세포로부터 정보를 시각피질로 전달할 지를 나타내는 연결 크기와 해당 영역에서 얼마나 많은 세포로부터 정보를 전달할 지를 나타내는 연결 비율을 조절하였다. 이 논문은 같은 포유류 안에서도 연결 크기가 크고 연결 비율이 작은 망막-시각피질 사이의 연결구조에서 설치류에서 발견되는 비규칙적인 형태의 방향성 지도가 만들어지고, 반대로 연결 크기가 작고 연결 비율이 큰 구조에서 고등포유동물에서 발견되는 규칙적인 형태의 방향성 지도가 만들어진다는 이론적인 모델 연구 결과를 제시한다.
