Enhanced information transmission with signal dependent noise in an array of LIF neurons

Sensory cells usually transmit information to afferent neurons via chemical synapses, in which the level of noise is dependent on an applied stimulus. Taking into account such dependence, we model a sensory system as an array of LIF neurons with a common signal. We show that information transmission is enhanced by a nonzero level of noise. Moreover, we demonstrate a phenomenon similar to suprathreshold stochastic resonance with additive noise. We remark that many properties of information transmission found for the LIF neurons was predicted by us before with simple binary units [Phys. Rev. E 75, 021121 (2007)]. This confirmation of our predictions allows us to point out identical roots of the phenomena found in the simple threshold systems and more complex LIF neurons.

Contrast matching and discrimation in human vision

The aim of this work was to investigate human contrast perception at various contrast levels ranging from detection threshold to suprathreshold levels by using psychophysical techniques. The work consists of two major parts. The first part deals with contrast matching, and the second part deals with contrast discrimination. Contrast matching technique was used to determine when the perceived contrasts of different stimuli were equal. The effects of spatial frequency, stimulus area, image complexity and chromatic contrast on contrast detection thresholds and matches were studied. These factors influenced detection thresholds and perceived contrast at low contrast levels. However, at suprathreshold contrast levels perceived contrast became directly proportional to the physical contrast of the stimulus and almost independent of factors affecting detection thresholds. Contrast discrimination was studied by measuring contrast increment thresholds which indicate the smallest detectable contrast difference. The effects of stimulus area, external spatial image noise and retinal illuminance were studied. The above factors affected contrast detection thresholds and increment thresholds measured at low contrast levels. At high contrast levels, contrast increment thresholds became very similar so that the effect of these factors decreased. Human contrast perception was modelled by regarding the visual system as a simple image processing system. A visual signal is first low-pass filtered by the ocular optics. This is followed by spatial high-pass filtering by the neural visual pathways, and addition of internal neural noise. Detection is mediated by a local matched filter which is a weighted replica of the stimulus whose sampling efficiency decreases with increasing stimulus area and complexity. According to the model, the signals to be compared in a contrast matching task are first transferred through the early image processing stages mentioned above. Then they are filtered by a restoring transfer function which compensates for the low-level filtering and limited spatial integration at high contrast levels. Perceived contrasts of the stimuli are equal when the restored responses to the stimuli are equal. According to the model, the signals to be discriminated in a contrast discrimination task first go through the early image processing stages, after which signal dependent noise is added to the matched filter responses. The decision made by the human brain is based on the comparison between the responses of the matched filters to the stimuli, and the accuracy of the decision is limited by pre- and post-filter noises. The model for human contrast perception could accurately describe the results of contrast matching and discrimination in various conditions.

Stochastic beamforming for cochlear implant coding

Cochlear implants are prosthetic devices used to provide hearing to people who would otherwise be profoundly deaf. The deliberate addition of noise to the electrode signals could increase the amount of information transmitted, but standard cochlear implants do not replicate the noise characteristic of normal hearing because if noise is added in an uncontrolled manner with a limited number of electrodes then it will almost certainly lead to worse performance. Only if partially independent stochastic activity can be achieved in each nerve fibre can mechanisms like suprathreshold stochastic resonance be effective. We are investigating the use of stochastic beamforming to achieve greater independence. The strategy involves presenting each electrode with a linear combination of independent Gaussian noise sources. Because the cochlea is filled with conductive salt solutions, the noise currents from the electrodes interact and the effective stimulus for each nerve fibre will therefore be a different weighted sum of the noise sources. To some extent therefore, the effective stimulus for a nerve fibre will be independent of the effective stimulus of neighbouring fibres. For a particular patient, the electrode position and the amount of current spread are fixed. The objective is therefore to find the linear combination of noise sources that leads to the greatest independence between nerve discharges. In this theoretical study we show that it is possible to get one independent point of excitation (one null) for each electrode and that stochastic beamforming can greatly decrease the correlation between the noise exciting different regions of the cochlea. © 2007 Copyright SPIE - The International Society for Optical Engineering.

Enhanced information transmission with signal-dependent noise in an array of nonlinear elements

We have investigated information transmission in an array of threshold units that have signal-dependent noise and a common input signal. We demonstrate a phenomenon similar to stochastic resonance and suprathreshold stochastic resonance with additive noise and show that information transmission can be enhanced by a nonzero level of noise. By comparing system performance to one with additive noise we also demonstrate that the information transmission of weak signals is significantly better with signal-dependent noise. Indeed, information rates are not compromised even for arbitrary small input signals. Furthermore, by an appropriate selection of parameters, we observe that the information can be made to be (almost) independent of the level of the noise, thus providing a robust method of transmitting information in the presence of noise. These result could imply that the ability of hair cells to code and transmit sensory information in biological sensory systems is not limited by the level of signal-dependent noise. © 2007 The American Physical Society.

Impact de la cécité sur le système nociceptif

La vision joue un rôle très important dans la prévention du danger. La douleur a aussi pour fonction de prévenir les lésions corporelles. Nous avons donc testé l’hypothèse qu’une hypersensibilité à la douleur découlerait de la cécité en guise de compensation sensorielle. En effet, une littérature exhaustive indique qu’une plasticité intermodale s’opère chez les non-voyants, ce qui module à la hausse la sensibilité de leurs sens résiduels. De plus, plusieurs études montrent que la douleur peut être modulée par la vision et par une privation visuelle temporaire. Dans une première étude, nous avons mesuré les seuils de détection thermique et les seuils de douleur chez des aveugles de naissance et des voyants à l’aide d’une thermode qui permet de chauffer ou de refroidir la peau. Les participants ont aussi eu à quantifier la douleur perçue en réponse à des stimuli laser CO2 et à répondre à des questionnaires mesurant leur attitude face à des situations douloureuses de la vie quotidienne. Les résultats obtenus montrent que les aveugles congénitaux ont des seuils de douleur plus bas et des rapports de douleur plus élevés que leurs congénères voyants. De plus, les résultats psychométriques indiquent que les non-voyants sont plus attentifs à la douleur. Dans une deuxième étude, nous avons mesuré l’impact de l'expérience visuelle sur la perception de la douleur en répliquant la première étude dans un échantillon d’aveugles tardifs. Les résultats montrent que ces derniers sont en tous points similaires aux voyants quant à leur sensibilité à la douleur. Dans une troisième étude, nous avons testé les capacités de discrimination de température des aveugles congénitaux, car la détection de changements rapides de température est cruciale pour éviter les brûlures. Il s’est avéré que les aveugles de naissance ont une discrimination de température plus fine et qu’ils sont plus sensibles à la sommation spatiale de la chaleur. Dans une quatrième étude, nous avons examiné la contribution des fibres A∂ et C au traitement nociceptif des non-voyants, car ces récepteurs signalent la première et la deuxième douleur, respectivement. Nous avons observé que les aveugles congénitaux détectent plus facilement et répondent plus rapidement aux sensations générées par l’activation des fibres C. Dans une cinquième et dernière étude, nous avons sondé les changements potentiels qu’entrainerait la perte de vision dans la modulation descendante des intrants nociceptifs en mesurant les effets de l’appréhension d’un stimulus nocif sur la perception de la douleur. Les résultats montrent que, contrairement aux voyants, les aveugles congénitaux voient leur douleur exacerbée par l’incertitude face au danger, suggérant ainsi que la modulation centrale de la douleur est facilitée chez ces derniers. En gros, ces travaux indiquent que l’absence d’expérience visuelle, plutôt que la cécité, entraine une hausse de la sensibilité nociceptive, ce qui apporte une autre dimension au modèle d’intégration multi-sensorielle de la vision et de la douleur.

Impact de la cécité sur le système nociceptif

La vision joue un rôle très important dans la prévention du danger. La douleur a aussi pour fonction de prévenir les lésions corporelles. Nous avons donc testé l’hypothèse qu’une hypersensibilité à la douleur découlerait de la cécité en guise de compensation sensorielle. En effet, une littérature exhaustive indique qu’une plasticité intermodale s’opère chez les non-voyants, ce qui module à la hausse la sensibilité de leurs sens résiduels. De plus, plusieurs études montrent que la douleur peut être modulée par la vision et par une privation visuelle temporaire. Dans une première étude, nous avons mesuré les seuils de détection thermique et les seuils de douleur chez des aveugles de naissance et des voyants à l’aide d’une thermode qui permet de chauffer ou de refroidir la peau. Les participants ont aussi eu à quantifier la douleur perçue en réponse à des stimuli laser CO2 et à répondre à des questionnaires mesurant leur attitude face à des situations douloureuses de la vie quotidienne. Les résultats obtenus montrent que les aveugles congénitaux ont des seuils de douleur plus bas et des rapports de douleur plus élevés que leurs congénères voyants. De plus, les résultats psychométriques indiquent que les non-voyants sont plus attentifs à la douleur. Dans une deuxième étude, nous avons mesuré l’impact de l'expérience visuelle sur la perception de la douleur en répliquant la première étude dans un échantillon d’aveugles tardifs. Les résultats montrent que ces derniers sont en tous points similaires aux voyants quant à leur sensibilité à la douleur. Dans une troisième étude, nous avons testé les capacités de discrimination de température des aveugles congénitaux, car la détection de changements rapides de température est cruciale pour éviter les brûlures. Il s’est avéré que les aveugles de naissance ont une discrimination de température plus fine et qu’ils sont plus sensibles à la sommation spatiale de la chaleur. Dans une quatrième étude, nous avons examiné la contribution des fibres A∂ et C au traitement nociceptif des non-voyants, car ces récepteurs signalent la première et la deuxième douleur, respectivement. Nous avons observé que les aveugles congénitaux détectent plus facilement et répondent plus rapidement aux sensations générées par l’activation des fibres C. Dans une cinquième et dernière étude, nous avons sondé les changements potentiels qu’entrainerait la perte de vision dans la modulation descendante des intrants nociceptifs en mesurant les effets de l’appréhension d’un stimulus nocif sur la perception de la douleur. Les résultats montrent que, contrairement aux voyants, les aveugles congénitaux voient leur douleur exacerbée par l’incertitude face au danger, suggérant ainsi que la modulation centrale de la douleur est facilitée chez ces derniers. En gros, ces travaux indiquent que l’absence d’expérience visuelle, plutôt que la cécité, entraine une hausse de la sensibilité nociceptive, ce qui apporte une autre dimension au modèle d’intégration multi-sensorielle de la vision et de la douleur.