Mapping the retinotopy of object recognition areas with functional magnetic resonance imaging

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2010
Major/Subject
Informaatiotekniikka
Mcode
T-115
Degree programme
Language
en
Pages
vii + 66
Series
Abstract
The human brain has several areas devoted to visual processing, and many of these areas are organized retinotopically, meaning that locations close to each other in the visual field are represented close to each other in the retinotopic area. Currently the most popular method of retinotopic mapping is the so-called traveling wave method, which applies the Fourier transform to functional magnetic resonance imaging (fMRI) data. Recent research using the method has shown that also the visual object processing areas are retinotopically organized. However, the traveling wave method is complex to use and requires special software. Multifocal fMRI (mffMRI) is a simpler retinotopic mapping method that is based on the general linear model and it has been successfully used to map the retinotopy of the visual areas V1, V2, V3 and V3A/B. This thesis presents a method that is similar to mffMRI and is able to map the retinotopy of the object processing areas. In the multifocal method a circle of 12_ in radius (with respect to the center of gaze) is divided into three rings and eight wedges, giving a total of 24 distinct regions. A region is active when it is displaying a flickering checkerboard pattern, and approximately half of the regions are active at a time. The pattern of active regions is designed so that there are approximately no correlations between the regions, making it easy to analyze the contribution of each active region using the general linear model. The earlier multifocal method was not able to generate enough observable activity in the object areas for retinotopic mapping purposes, and there are several likely reasons. First, the multifocal method uses flickering checkerboards, while the object processing areas sensitive to more complex stimuli such as images of plants, animals and manmade objects. Second, several visual field regions are stimulated simultaneously in the multifocal method, which may cause the stimuli to suppress the activity caused by one another. Third, the object processing areas are sensitive to relative large portions of the visual field and the visual field regions in the multifocal method have probably been too small. The new method addresses these problems. The new method has fewer visual field regions and uses images of man-made objects. It also uses a blocked design, meaning that no two stimuli are displayed simultaneously. These changes, along with some other smaller ones, enabled the new method to activate the object processing areas so that they may be retinotopically mapped. The method is easy enough to use for non-experts, and the mathematical tools for the analysis are readily available in fMRI data analysis packages. The new method has also already been adopted into use in the host laboratory.

Ihmisellä on useita näkötiedon käsittelyyn erikoistuneita aivoalueita, ja moni näistä alueista on retinotooppinen. Alue on retinotooppinen, jos näkökentässä toisiaan lähellä olevat pisteet ovat edustettuina toisiaan lähellä myös tässä alueessa. Tällä hetkellä retinotopiakartoitus tehdään useimmiten niin sanotulla vaihdekoodatulla menetelmällä, jossa Fourier-muunnetaan toiminnallisella magneettikuvauksella (fMRI) saatua dataa. Äskettäin vaihekoodatulla menetelmällä on osoitettu, että myös objektinäköalueet ovat retinotooppisia. Vaihekoodattu menetelmä on kuitenkin melko monimutkainen, ja sen käyttö edellyttää tähän käyttöön suunniteltua ohjelmistoa. Multifokaalinen fMRI (mffMRI) on vaihekoodattua menetelmää yksinkertaisempi retinotopiakartoituksen menetelmä, joka käyttää yleistä lineaarista mallia ja jolla voidaan kartoittaa alueiden V1, V2, V3 ja V3A/B retinotopia. Tässä diplomityössä esitellään multifokaalista fMRI:tä muistuttava menetelmä, jolla voidaan kartoittaa myös objektinäköalueet. Multifokaalimenetelmässä 12 näkökulma-asteen ympyrä jaetaan kolmeen renkaaseen ja kahdeksaan kiilaan, mistä syntyy yhteensä 24 erillistä aluetta. Alue on aktiivinen, kun se välkyttää sakkiruudukkoa, ja noin puolet kaikista alueista on kerrallaan aktiivisia. Näiden aktiivisten alueiden on/off-sarjat on suunniteltu siten, etteivät alueiden sarjat korreloi keskenään, koska tällöin alueiden synnyttämät fMRI-vasteita voidaan analysoida helposti yleisellä lineaarisella mallilla. Aiempi multifokaalimenetelmä ei synnyttänyt retinotopiakartoitukseen riittävää aktivaatiota objektinäköalueilla, ja tähän on useita todennäköisiä syitä. Ensinnäkin mffMRI käyttää välkkyviä sakkiruudukoita, vaikka objektialueet ovat herkkiä monimutkaisemmille ärsykkeille kuten kasvien, eläinten ja ihmisten luomien esineiden kuville. Toiseksi multifokaalimenetelmässä on useita näkökentän alueita aktiivisina yhtä aikaa, jolloin ärsykkeet saattavat vaimentaa toistensa synnyttämää aktivaatiota. Kolmanneksi nämä objektialueet ovat herkkiä suhteellisen laajoille näkökentän alueille, ja multifokaalimenetelmän näkökentän alueet ovat luultavasti olleet objektinäköalueille liian pieniä. Tässä työssä kehitetty uusi menetelmä ratkaisee nämä ongelmat. Tässä uudessa menetelmässä on vähemmän näkökenttäalueita, se esittää kuvasarjoja ihmisen luomista esineistä. Se käyttää myös blokkiasetelmaa, eli kahta ärsykettä ei näytetä koskaan samanaikaisesti. Näiden ja joidenkin pienempien muutosten ansiosta uusi menetelmä aktivoi objektinäköalueita riittävästi retinotopiakartoitusta varten. Menetelmä on riittävän helppo myös ei-asiantuntijoille, ja sen vaatimat matemaattiset työkalut ovat valmiina fMRI-datan analysointiohjelmissa. Menetelmä on otettu jo käyttöön laboratoriossa, jossa työ tehtiin.
Description
Supervisor
Simula, Olli
Thesis advisor
Vanni, Simo
Henriksson, Linda
Keywords
fMRI, fMRI, visual cortex, näköaivokuori, object recognition areas, objektinäköalueet, retinotopy, retinotopia
Other note
Citation