Neural routing circuits for forming invariant representations of visual objects

This thesis presents a biologically plausible model of an attentional mechanism for forming position- and scale-invariant representations of objects in the visual world. The model relies on a set of control neurons to dynamically modify the synaptic strengths of intra-cortical connections so that information from a windowed region of primary visual cortex (Vl) is selectively routed to higher cortical areas. Local spatial relationships (i.e., topography) within the attentional window are preserved as information is routed through the cortex, thus enabling attended objects to be represented in higher cortical areas within an object-centered reference frame that is position and scale invariant. The representation in V1 is modeled as a multiscale stack of sample nodes with progressively lower resolution at higher eccentricities. Large changes in the size of the attentional window are accomplished by switching between different levels of the multiscale stack, while positional shifts and small changes in scale are accomplished by translating and rescaling the window within a single level of the stack. The control signals for setting the position and size of the attentional window are hypothesized to originate from neurons in the pulvinar and in the deep layers of visual cortex. The dynamics of these control neurons are governed by simple differential equations that can be realized by neurobiologically plausible circuits. In pre-attentive mode, the control neurons receive their input from a low-level "saliency map" representing potentially interesting regions of a scene. During the pattern recognition phase, control neurons are driven by the interaction between top-down (memory) and bottom-up (retinal input) sources. The model respects key neurophysiological, neuroanatomical, and psychophysical data relating to attention, and it makes a variety of experimentally testable predictions.

Learning and using taxonomies for visual and olfactory classification

Humans are able of distinguishing more than 5000 visual categories even in complex environments using a variety of different visual systems all working in tandem. We seem to be capable of distinguishing thousands of different odors as well. In the machine learning community, many commonly used multi-class classifiers do not scale well to such large numbers of categories. This thesis demonstrates a method of automatically creating application-specific taxonomies to aid in scaling classification algorithms to more than 100 cate- gories using both visual and olfactory data. The visual data consists of images collected online and pollen slides scanned under a microscope. The olfactory data was acquired by constructing a small portable sniffing apparatus which draws air over 10 carbon black polymer composite sensors. We investigate performance when classifying 256 visual categories, 8 or more species of pollen and 130 olfactory categories sampled from common household items and a standardized scratch-and-sniff test. Taxonomies are employed in a divide-and-conquer classification framework which improves classification time while allowing the end user to trade performance for specificity as needed. Before classification can even take place, the pollen counter and electronic nose must filter out a high volume of background “clutter” to detect the categories of interest. In the case of pollen this is done with an efficient cascade of classifiers that rule out most non-pollen before invoking slower multi-class classifiers. In the case of the electronic nose, much of the extraneous noise encountered in outdoor environments can be filtered using a sniffing strategy which preferentially samples the visensor response at frequencies that are relatively immune to background contributions from ambient water vapor. This combination of efficient background rejection with scalable classification algorithms is tested in detail for three separate projects: 1) the Caltech-256 Image Dataset, 2) the Caltech Automated Pollen Identification and Counting System (CAPICS) and 3) a portable electronic nose specially constructed for outdoor use.

Octopamine neurons mediate flight-induced modulation of visual processing in Drosophila melanogaster

Activity-dependent modulation of sensory systems has been documented in many organisms, and is likely to be essential for appropriate processing of information during different behavioral states. However, the mechanisms underlying these phenomena, and often their functional consequences, remain poorly characterized. I investigated the role of octopamine neurons in the flight-dependent modulation observed in visual interneurons in the fruit fly Drosophila melanogaster. The vertical system (VS) cells exhibit a boost in their response to visual motion during flight compared to quiescence. Pharmacological application of octopamine evokes responses in quiescent flies that mimic those observed during flight, and octopamine neurons that project to the optic lobes increase in activity during flight. Using genetic tools to manipulate the activity of octopamine neurons, I find that they are both necessary and sufficient for the flight-induced visual boost. This work provides the first evidence that endogenous release of octopamine is involved in state-dependent modulation of visual interneurons in flies. Further, I investigated the role of a single pair of octopamine neurons that project to the optic lobes, and found no evidence that chemical synaptic transmission via these neurons is necessary for the flight boost. However, I found some evidence that activation of these neurons may contribute to the flight boost. Wind stimuli alone are sufficient to generate transient increases in the VS cell response to motion vision, but result in no increase in baseline membrane potential. These results suggest that the flight boost originates not from a central command signal during flight, but from mechanosensory stimuli relayed via the octopamine system. Lastly, in an attempt to understand the functional consequences of the flight boost observed in visual interneurons, we measured the effect of inactivating octopamine neurons in freely flying flies. We found that flies whose octopamine neurons we silenced accelerate less than wild-type flies, consistent with the hypothesis that the flight boost we observe in VS cells is indicative of a gain control mechanism mediated by octopamine neurons. Together, this work serves as the basis for a mechanistic and functional understanding of octopaminergic modulation of vision in flying flies.

Social saliency : visual psychophysics and single-neuron recordings in humans

My thesis studies how people pay attention to other people and the environment. How does the brain figure out what is important and what are the neural mechanisms underlying attention? What is special about salient social cues compared to salient non-social cues? In Chapter I, I review social cues that attract attention, with an emphasis on the neurobiology of these social cues. I also review neurological and psychiatric links: the relationship between saliency, the amygdala and autism. The first empirical chapter then begins by noting that people constantly move in the environment. In Chapter II, I study the spatial cues that attract attention during locomotion using a cued speeded discrimination task. I found that when the motion was expansive, attention was attracted towards the singular point of the optic flow (the focus of expansion, FOE) in a sustained fashion. The more ecologically valid the motion features became (e.g., temporal expansion of each object, spatial depth structure implied by distribution of the size of the objects), the stronger the attentional effects. However, compared to inanimate objects and cues, people preferentially attend to animals and faces, a process in which the amygdala is thought to play an important role. To directly compare social cues and non-social cues in the same experiment and investigate the neural structures processing social cues, in Chapter III, I employ a change detection task and test four rare patients with bilateral amygdala lesions. All four amygdala patients showed a normal pattern of reliably faster and more accurate detection of animate stimuli, suggesting that advantageous processing of social cues can be preserved even without the amygdala, a key structure of the “social brain”. People not only attend to faces, but also pay attention to others’ facial emotions and analyze faces in great detail. Humans have a dedicated system for processing faces and the amygdala has long been associated with a key role in recognizing facial emotions. In Chapter IV, I study the neural mechanisms of emotion perception and find that single neurons in the human amygdala are selective for subjective judgment of others’ emotions. Lastly, people typically pay special attention to faces and people, but people with autism spectrum disorders (ASD) might not. To further study social attention and explore possible deficits of social attention in autism, in Chapter V, I employ a visual search task and show that people with ASD have reduced attention, especially social attention, to target-congruent objects in the search array. This deficit cannot be explained by low-level visual properties of the stimuli and is independent of the amygdala, but it is dependent on task demands. Overall, through visual psychophysics with concurrent eye-tracking, my thesis found and analyzed socially salient cues and compared social vs. non-social cues and healthy vs. clinical populations. Neural mechanisms underlying social saliency were elucidated through electrophysiology and lesion studies. I finally propose further research questions based on the findings in my thesis and introduce my follow-up studies and preliminary results beyond the scope of this thesis in the very last section, Future Directions.

Etnogeografia do underground cristão brasileiro: concentração e dispersão das Tribos em nome do Senhor

A presente pesquisa visa investigar as identidades e formas espaciais cambiantes produzidas pelo movimento emergente underground cristão. Situados dentro de um campo mais vasto ao qual estão ligados os evangélicos e jovens de outras redes de afinidade estética , o movimento agrega diferentes grupamentos e manifestações religiosas, identitário-culturais que, a despeito de suas distinções visuais, musicais, rituais e bíblico-doutrinárias, estão unidos por uma causa, na verdade um Ideal: levar Cristo a todas as culturas juvenis urbanas que, historicamente, são alvos de preconceito e negligência por parte das igrejas tradicionais católicas ou protestantes. Assim, configuram heterotopias do sagrado que revelam as novas tendências de identificação, filiação e ritualização religiosas, assim como as novas práticas de compromisso assumidas por estes jovens subversivos que, pela ideia de militância comunitária, lutam simbolicamente contra o institucionalismo, o marketing selvagem e a impessoalidade que dominam o cenário cristão atual, bem como buscam respostas, pela via da cultura, para as inquietações, radicalismos e outros distúrbios de uma Nova Era pós-secular, onde a geografia do sagrado faz-se imanente nos indivíduos, e onde a territorialidade não se restringe mais aos templos e ao controle de autoridades eclesiásticas. Um panorama desse tipo permite compreender como os cristãos emergentes configuram lugares religiosos e itinerários simbólicos para, simultaneamente, reabastecer a fé e alcançar os cativos do Mundo.

Música que vem do coração: emos, identidades, cultura juvenil & sociabilidade digital

A dissertação trata de recente fenômeno juvenil urbano marcado pela identificação com um estilo musical chamado emo; os jovens que fazem parte dessa cultura juvenil se consideram mais emotivos que as outras pessoas em geral. Os emos caracterizam se também pela negação, tanto de uma identidade de grupo quanto da associação estigmatizada com um estilo específico de se vestir, se comportar e se expressar. As questões teóricas presentes nesse trabalho discutem como emos se utilizam das categorias nativas, emoções e expressões de sentimentos para representar a música, os indivíduos e o próprio grupo. A abordagem analítica central é sobre esta articulação entre música e emoção como um recurso identitário. A Internet é uma importante referência para os sujeitos pesquisados, e como ferramenta de investigação está acompanhada de considerações metodológicas sobre a etnografia virtual.

Análise comparativa in vivo da detecção de lesões de cárie oclusal e proximal por meio de exame visual (ICDAS), exame radiográfico e transiluminação por fibra ótica (FOTI)

O objetivo do presente trabalho foi avaliar in vivo a detecção de cárie através do exame visual ICDAS, transiluminação por fibra ótica combinado ao ICDAS e exame radiográfico. Um total de 2.279 superfícies proximais e cicatrículas e fissuras em incisivos superiores, pré-molares e molares permanentes e 272 superfícies em molares decíduos em72 escolares (8 a 18 anos) foram avaliadas por um examinador treinado. Os sete escores para detecção de cárie primária do sistema visual ICDAS foram aplicados. Dois equipamentos de transiluminação por fibra ótica foram avaliados: FOTI Schott (SCH), com ponta de fibra ótica com 0,5mm de diâmetro, e FOTI Microlux (MIC), com diâmetro da ponta 3 mm. Durante o exame combinado FOTI/ICDAS, a fibra ótica era utilizada tanto para iluminar quanto para transiluminar a superfície sob avaliação. O exame radiográfico (RX) consistiu de radiografias interproximais posteriores e periapicais anteriores. Os exames foram realizados em consultório odontológico após escovação supervisionada. No primeiro dia de exame, o exame visual utilizando o ICDAS era realizado e em seguida, o exame combinado ao MIC ou SCH. Logo após era realizado o exame radiográfico. Após uma semana, novamente o ICDAS era realizado, e em seguida o exame combinado com o equipamento de FOTI não utilizado na semana anterior. Os exames foram repetidos em 10 pacientes após intervalo mínimo de uma semana para avaliação da reprodutibilidade intra-examinador, a qual apresentou valores de 0,95 (ICDAS), 0,94 (MIC), 0,95 (SCH) e 0,99 (RX) pelo kappa ponderado. Em cicatrículas e fissuras de permanentes, o RX julgou que um número maior de superfícies apresentava lesão em dentina (53) do que os outros métodos (34 a 36); porém não detectou nenhuma lesão em esmalte, as quais foram identificadas pelo ICDAS (94), SCH (107) e MIC (91). Em proximais permanentes, a transiluminação por fibra ótica identificou maior número de proximais como lesão em esmalte - 150 (SCH) e 139 (MIC) - do que o exame visual (106), enquanto o RX identificou somente 43. Em oclusais de decíduos, os quatro métodos julgaram um número aproximadamente similar de superfícies sem lesão (52 a 59) ou com lesão em dentina (21 a 26), assim como para lesões proximais em dentina (31 a 36). Entretanto um número reduzido de lesões proximais decíduas em esmalte foi julgado pelo exame radiográfico (3) em comparação com os outros métodos (15 a 16). Em decíduos, o ICDAS e o FOTI combinado ao exame visual julgaram maior número de lesões proximais em esmalte que o exame radiográfico, sendo que número similar de lesões em dentina foram classificadas pelos quatro métodos em oclusais e proximais de molares decíduos. Em cicatrículas e fissuras de permanentes, tanto o exame visual ICDAS quanto sua combinação aos dois equipamentos de transiluminação apresentaram maior similaridade de superfícies julgadas como lesão em esmalte ou como lesão em dentina, enquanto o exame radiográfico classificou mais superfícies como lesão em dentina e nenhuma como lesão em esmalte. A adição da transiluminação por fibra ótica ao exame visual aumentou em um terço a detecção das lesões cariosas proximais julgadas em dentina pelo ICDAS isoladamente e aproximadamente quadruplicou o número daquelas assim classificadas pela avaliação radiográfica em permanentes.

Visual pattern recognition network: Its training algorithm and its optoelectronic architecture

A visual pattern recognition network and its training algorithm are proposed. The network constructed of a one-layer morphology network and a two-layer modified Hamming net. This visual network can implement invariant pattern recognition with respect to image translation and size projection. After supervised learning takes place, the visual network extracts image features and classifies patterns much the same as living beings do. Moreover we set up its optoelectronic architecture for real-time pattern recognition. (C) 1996 Optical Society of America

Avaliação dos teores de resíduos do pesticida ditiocarbamato no solo de uma cultura de couve (Brassica Oleracea L.) utilizando cloridrato de L-cisteina para preservação das amostras

Os pesticidas etileno-bis-ditiocarbamatos da classe dos ditiocarbamatos estão entre os fungicidas mais empregados em todo o mundo para o controle de pragas. Muitos métodos para determinar ditiocarbamatos são baseados na hidrólise ácida em presença de cloreto estanoso e análise do CS2 gerado por diferentes técnicas. Nesse contexto, constituiram em objetivos do presente trabalho, como primeira etapa, o estudo de condições adequadas à estocagem de amostras de solo, e como segunda etapa, a avaliação das taxas de degradação e de lixiviação do fungicida mancozebe num cambissolo distrófico através do método espectrofotométrico. O sítio de estudo foi uma área delimitada de 36 m2, de uma cultura de couve, localizada em São Lourenço no 3 distrito do município de Nova Friburgo-RJ. As análises foram realizadas no laboratório de tecnologia ambiental (LABTAM/UERJ). Na primeira etapa, duas sub-amostras de solo contaminadas com mancozebe foram submetidas a tratamento com cloridrato de L-cisteina e estocadas às temperaturas ambiente e de -20C, sendo posteriormente analisadas em intervalos de 1, 7, 15 e 35 dias após a aplicação do fungicida. Outras duas sub-amostras não tratadas com cloridrato de L-cisteina foram submetidas às mesmas condições de temperatura e analisadas nos mesmos intervalos de tempo. Na segunda etapa, foi efetuada a aplicação do fungicida MANZATE 800 (Dupont Brasil, 80% mancozebe) na dose recomendada de 3,0 Kg ha-1 e coletadas amostras do solo nas profundidades de 0-10, 10-20 e 20-40 cm em intervalos de 2,5,8,12,15,18 e 35 dias após aplicação. As amostras de cada profundidade foram tratadas com cloridrato de L-cisteina e acondicionadas sob temperatura de -20C. Através dos resultados obtidos na primeira etapa, pôde-se concluir que o tratamento com cisteina foi eficaz para conservação do analito, tanto para a amostra mantida a -20C quanto para a amostra mantida à temperatura ambiente. Os dados obtidos na segunda etapa do estudo mostraram que mancozebe apresentou comportamento semelhante ao descrito na literatura, para persistência no solo. Os resultados de lixiviação mostraram que nas condições pelas quais foi conduzido o experimento, resíduos de mancozebe foram detectados em profundidades de até 40 cm, porém através dos modelos de potencial de lixiviação, concluiu-se que o fungicida não oferece risco de contaminação de águas subterrâneas