Exploring the rate-limiting steps in visual phototransduction recovery by bottom-up kinetic modeling

Phototransduction in vertebrate photoreceptor cells represents a paradigm of signaling pathways mediated by G-protein-coupled receptors (GPCRs), which share common modules linking the initiation of the cascade to the final response of the cell. In this work, we focused on the recovery phase of the visual photoresponse, which is comprised of several interacting mechanisms. We employed current biochemical knowledge to investigate the response mechanisms of a comprehensive model of the visual phototransduction pathway. In particular, we have improved the model by implementing a more detailed representation of the recoverin (Rec)-mediated calcium feedback on rhodopsin kinase and including a dynamic arrestin (Arr) oligomerization mechanism. The model was successfully employed to investigate the rate limiting steps in the recovery of the rod photoreceptor cell after illumination. Simulation of experimental conditions in which the expression levels of rhodospin kinase (RK), of the regulator of the G-protein signaling (RGS), of Arr and of Rec were altered individually or in combination revealed severe kinetic constraints to the dynamics of the overall network. Our simulations confirm that RGS-mediated effector shutdown is the rate-limiting step in the recovery of the photoreceptor and show that the dynamic formation and dissociation of Arr homodimers and homotetramers at different light intensities significantly affect the timing of rhodopsin shutdown. The transition of Arr from its oligomeric storage forms to its monomeric form serves to temper its availability in the functional state. Our results may explain the puzzling evidence that overexpressing RK does not influence the saturation time of rod cells at bright light stimuli. The approach presented here could be extended to the study of other GPCR signaling pathways.

Electrostimulation mapping of comprehension of auditory and visual words.

In order to spare functional areas during the removal of brain tumours, electrical stimulation mapping was used in 90 patients (77 in the left hemisphere and 13 in the right; 2754 cortical sites tested). Language functions were studied with a special focus on comprehension of auditory and visual words and the semantic system. In addition to naming, patients were asked to perform pointing tasks from auditory and visual stimuli (using sets of 4 different images controlled for familiarity), and also auditory object (sound recognition) and Token test tasks. Ninety-two auditory comprehension interference sites were observed. We found that the process of auditory comprehension involved a few, fine-grained, sub-centimetre cortical territories. Early stages of speech comprehension seem to relate to two posterior regions in the left superior temporal gyrus. Downstream lexical-semantic speech processing and sound analysis involved 2 pathways, along the anterior part of the left superior temporal gyrus, and posteriorly around the supramarginal and middle temporal gyri. Electrostimulation experimentally dissociated perceptual consciousness attached to speech comprehension. The initial word discrimination process can be considered as an "automatic" stage, the attention feedback not being impaired by stimulation as would be the case at the lexical-semantic stage. Multimodal organization of the superior temporal gyrus was also detected since some neurones could be involved in comprehension of visual material and naming. These findings demonstrate a fine graded, sub-centimetre, cortical representation of speech comprehension processing mainly in the left superior temporal gyrus and are in line with those described in dual stream models of language comprehension processing.

Spinal cord injury affects the interplay between visual and sensorimotor representations of the body.

The brain integrates multiple sensory inputs, including somatosensory and visual inputs, to produce a representation of the body. Spinal cord injury (SCI) interrupts the communication between brain and body and the effects of this deafferentation on body representation are poorly understood. We investigated whether the relative weight of somatosensory and visual frames of reference for body representation is altered in individuals with incomplete or complete SCI (affecting lower limbs' somatosensation), with respect to controls. To study the influence of afferent somatosensory information on body representation, participants verbally judged the laterality of rotated images of feet, hands, and whole-bodies (mental rotation task) in two different postures (participants' body parts were hidden from view). We found that (i) complete SCI disrupts the influence of postural changes on the representation of the deafferented body parts (feet, but not hands) and (ii) regardless of posture, whole-body representation progressively deteriorates proportionally to SCI completeness. These results demonstrate that the cortical representation of the body is dynamic, responsive, and adaptable to contingent conditions, in that the role of somatosensation is altered and partially compensated with a change in the relative weight of somatosensory versus visual bodily representations.

Comparison of Local Feature Detectors and Descriptors for Visual Object Categorization

Local features are used in many computer vision tasks including visual object categorization, content-based image retrieval and object recognition to mention a few. Local features are points, blobs or regions in images that are extracted using a local feature detector. To make use of extracted local features the localized interest points are described using a local feature descriptor. A descriptor histogram vector is a compact representation of an image and can be used for searching and matching images in databases. In this thesis the performance of local feature detectors and descriptors is evaluated for object class detection task. Features are extracted from image samples belonging to several object classes. Matching features are then searched using random image pairs of a same class. The goal of this thesis is to find out what are the best detector and descriptor methods for such task in terms of detector repeatability and descriptor matching rate.

Vision, image, record : a cultivation of the visual field

I den första delen av den här avhandlingen presenteras en bildens genealogi. Den skildrar hur begreppen för bilden, seendet och jaget utvecklades i relation till varandra i en specifik vetenskaplig och filosofisk kontext. Berättelsen sträcker sig från den tidiga renässansen och det perspektivistiska måleriet, till fotografiets födelse och positivismen. Den här utvecklingen medförde en form av reduktionism i vilken jagets roll – betydelsen av den mänskliga psykologin, vårt omdöme, vår uppmärksamhet och vår vilja – blev förbisedd. Inom den här tanketraditionen uppstod en förskjutning, från en förståelse av bilden som en representation av det tredimensionella rummet på en tvådimensionell yta, till en uppfattning om bilden som en genomskinlig ruta, ett fönster ut mot världen. Idén om avbildningen som en neutral ”blick från ingenstans” kom att förstärka en skeptisk hållning till kommunikation, dialog och vittnesmål och därmed även undergräva vår tillit till varandra och följaktligen vår tillit till oss själva. I den andra delen erbjuder författaren ett alternativ till den tanketradition som behandlas i den första delen. Det som blev förbisett i uppfattningen om en blick från ingenstans var att bilden är ett hjälpmedel då vi bearbetar vårt synfält. Bilden hjälper oss att dela vår syn på saker. Genom den här uppgiften av att dela blir bilden riktningsgivande i våra försök att orientera oss i världen. Jag kan stå bredvid en annan människa och se vad hon ser, men jag vet inte nödvändigtvis hur hon uppfattar det vi ser. Bilden lägger till ett led i det här förhållandet eftersom den inte enbart visar vad den andra ser. När bilden fungerar som den skall visar den också hur den andra ser och på det här sättet blir bilden verksam. Den föreliggande avhandlingen kombinerar epistemologi med vetenskapshistoria och visuella kulturstudier, men dess huvudintresse är filosofiskt. Den befattar sig med filosofiska missförstånd angående avbildning som en mimetisk konstform, kunskap som domesticering och varseblivning som mottagning av data. ------------------------------------------------------ Tämän väitöskirjan ensimmäinen osa selvittää kuvakäsitteen genealogiaa. Se havainnollistaa miten kuvan, näkemisen ja minän käsitteet kehittyivät suhteessa toisiinsa. Kertomus ulottuu varhaisesta renessanssista ja perspektivistisestä maalaustaiteesta, positivismin aikakauteen ja valokuvan syntyyn. Tämä kehitys toi mukanaan reduktionismin jossa minän rooli – ihmisen psykologian merkitys, meidän arviointikyky, meidän huomiokyky sekä meidän tahtomme – vaipui unohduksiin. Ajatusmaailmassa tapahtui siirtymä, kuvan merkitys vaihtui käsityksestä jossa se on kolmiulotteisen tilan representaatio kaksiulotteisella pinnalla, käsitykseen jossa kuva on läpinäkyvä ruutu, ikkuna kohti maailmaa. Ajatus kuvasta neutraalin näkökulman kantajana vahvisti skeptistä suhtautumista kommunikaatiota, dialogisuutta ja subjektiivisuutta kohtaan. Tämä skeptisyys ilmentyi myös vahvana epäluottamuksena ihmiskeskeisyyttä ja toiseutta kohtaan. Toisessa osassa tekijä tarjoaa vaihtoehdon tälle skeptiselle ajatusmaailmalle jota tarkastellaan ensimmäisessä osassa. Kuva on myös väline joka auttaa meitä jäsentämään meidän näkökenttäämme. Se auttaa meitä jakamaan meidän käsityksiä toistemme kanssa. Tämä näkemisen jakamisen käytäntö on kuvan keskeinen tehtävä. Voin seistä toisen ihmisen vieressä ja nähdä samat asiat kuin hän, mutta en välttämättä ymmärrä miten hän näkee nämä asiat. Kuva lisää jotain olennaista tähän suhteeseen. Kun kuva toimii niin kun sen kuuluu toimia, se näyttää myös miten toinen näkee, tällä tavalla kuvasta tulee välittäjä. Tämä väitöskirja yhdistää epistemologiaa, tieteen historiaa ja visuaalisen kulttuurin tutkimusta, mutta sen pääasiallinen tavoite on filosofinen. Se käsittelee filosofisia väärinkäsityksiä koskien kuvan eideettisyyttä.

Interhemispheric connections between primary visual areas: beyond the midline rule

In the last five years, a number of detailed anatomical, electrophysiological, optical imaging and simulation studies performed in a variety of non-human species have revealed that the functional organization of callosal connections between primary visual areas is more elaborate than previously thought. Callosal cell bodies and terminals are clustered in columns whose correspondence to features mapped in the visual cortex, such as orientation and ocularity, are starting to be understood. Callosal connections are not restricted to the vertical midline representation nor do they establish merely point-to-point retinotopic correspondences across the hemispheres, as traditionally believed. In addition, anatomical studies have revealed the existence of an ipsilateral component of callosal axons. The aim of this short review is to propose how these new data can be integrated into an updated scheme of the circuits responsible for assembling the primary visual field map.

Engineers and technicians : the effect of cognitive style and gender on visual information processing

The purpose of this project was to identify in a subject group of engineers and technicians (N = 62) a preferred mode of representation for facilitating correct recall of information from complex graphics. The modes of representation were black and white (b&w) block, b&w icon, color block, and color icon. The researcher's test instrument included twelve complex graphics (six b&w and six color - three per mode). Each graphics presentation was followed by two multiple-choice questions. Recall performance was better using b&w block mode graphics and color icon mode graphics. A standardized test, the Group Embedded Figures Test (GEFT) was used to identify a cognitive style preference (field dependence). Although engineers and technicians in the sample were strongly field-independent, they were not significantly more field-independent than the normative group in the Witkin, Oltman, Raskin, and Karp study (1971). Tests were also employed to look for any significant difference in cognitive style preference due to gender. None was found. Implications from the project results for the design of visuals and their use in technical training are discussed.

A Foucauldian Analysis of Power and Representation in an Attempt to Run a Photovoice Project with Youth

This project evolved out of a search for ways to conduct research on “others” in a way that does not exploit, stigmatize or misrepresent their experience. This thesis is an ethnographic study in leisure research and youth work and an experiment in running a photovoice project. Photovoice is a participatory visual method that embodies the emancipatory ideal of empowering others through self-representation. The literature on photovoice lacks a comprehensive discussion on the complexity of power and representation. Postmodern theorists have proposed that participatory methods are not benign and that initiatives are acts of power in themselves that produce effects (Cook & Kothari, 2001). A Foucauldian analysis of power is used to deconstruct the researcher’s practice and reflect on why and how youth are “engaged”. This project seeks to embrace the principle of working “with” others, but also work from a postmodern perspective that acknowledges power and representation as ongoing problems.

Electrophysiology of Oculomotor Delayed Response Tasks: A Model for the Maturation of Visual-Spatial Working Memory Networks

In the literature, persistent neural activity over frontal and parietal areas during the delay period of oculomotor delayed response (ODR) tasks has been interpreted as an active representation of task relevant information and response preparation. Following a recent ERP study (Tekok-Kilic, Tays, & Tkach, 2011 ) that reported task related slow wave differences over frontal and parietal sites during the delay periods of three ODR tasks, the present investigation explored developmental differences in young adults and adolescents during the same ODR tasks using 128-channel dense electrode array methodology and source localization. This exploratory study showed that neural functioning underlying visual-spatial WM differed between age groups in the Match condition. More specifically, this difference is localized anteriorly during the late delay period. Given the protracted maturation of the frontal lobes, the observed variation at the frontal site may indicate that adolescents and young adults may recruit frontal-parietal resources differently.

El debate sobre la memoria del conflicto armado en el Perú (1980-2000) : un acercamiento a través de la cultura visual.

À travers d'un regard de la culture visuelle, ce mémoire de maîtrise explorera le débat entourant la mémoire du conflit armé au Pérou (1980-2000), suite à la présentation de l’Informe Final (2003) par la Commission de la vérité et de la réconciliation. Tout d’abord, nous tracerons un portrait des débats qui ont eu lieu dans la sphère politique pour ensuite nous concentrer sur la polémique entourant le Musée de la mémoire et le monument Ojo que llora. Par la suite, nous explorerons la représentation visuelle du conflit à travers l’exposition de photos Yuyanapaq (2004), les films La boca del lobo (1988), La vida es una sola (1993) et Sangre Inocente (2000), en établissant un dialogue avec les études sur la mémoire et la critique académique. Après avoir dressé le tableau des imaginaires visuels du conflit, nous nous attarderons sur l’étape postconflit (2000 à aujourd’hui) pour aborder le débat entourant la postmémoire dans les films Madeinusa (2005) et La teta asustada (2009). Nous croyons que les positions entourant ce débat et la représentation du conflit dans la culture visuelle suggèrent que les mémoires sont toujours en opposition encore aujourd'hui au Pérou. Certaines réaffirment un discours hégémonique, comme l’Informe de Uchuraccay (1983), alors que d’autres s’opposent aux visions totalitaires de la mémoire; pensons notamment à l’émergence d’un nouveau cinéma de région qui implique les populations touchées par la violence dans la production et la projection de ses propres visions du conflit.

Cholinergic enhancement of perceptual learning : behavioral, physiological, and neuro-pharmacological study in the rat primary visual cortex

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive.

Secret Sharing Schemes Using Visual Cryptography

Secret sharing schemes allow a secret to be shared among a group of participants so that only qualified subsets of participants can recover the secret. A visual cryptography scheme (VCS) is a special kind of secret sharing scheme in which the secret to share consists of an image and the shares consist of xeroxed transparencies which are stacked to recover the shared image. In this thesis we have given the theoretical background of Secret Sharing Schemes and the historical development of the subject. We have included a few examples to improve the readability of the thesis. We have tried to maintain the rigor of the treatment of the subject. The limitations and disadvantages of the various forms secret sharing schemes are brought out. Several new schemes for both dealing and combining are included in the thesis. We have introduced a new number system, called, POB number system. Representation using POB number system has been presented. Algorithms for finding the POB number and POB value are given.We have also proved that the representation using POB number system is unique and is more efficient. Being a new system, there is much scope for further development in this area.

Dissociated Dipoles: Image representation via non-local comparisons

A fundamental question in visual neuroscience is how to represent image structure. The most common representational schemes rely on differential operators that compare adjacent image regions. While well-suited to encoding local relationships, such operators have significant drawbacks. Specifically, each filter's span is confounded with the size of its sub-fields, making it difficult to compare small regions across large distances. We find that such long-distance comparisons are more tolerant to common image transformations than purely local ones, suggesting they may provide a useful vocabulary for image encoding. . We introduce the "Dissociated Dipole," or "Sticks" operator, for encoding non-local image relationships. This operator de-couples filter span from sub-field size, enabling parametric movement between edge and region-based representation modes. We report on the perceptual plausibility of the operator, and the computational advantages of non-local encoding. Our results suggest that non-local encoding may be an effective scheme for representing image structure.

Investigating shape representation in area V4 with HMAX: Orientation and Grating selectivities

The question of how shape is represented is of central interest to understanding visual processing in cortex. While tuning properties of the cells in early part of the ventral visual stream, thought to be responsible for object recognition in the primate, are comparatively well understood, several different theories have been proposed regarding tuning in higher visual areas, such as V4. We used the model of object recognition in cortex presented by Riesenhuber and Poggio (1999), where more complex shape tuning in higher layers is the result of combining afferent inputs tuned to simpler features, and compared the tuning properties of model units in intermediate layers to those of V4 neurons from the literature. In particular, we investigated the issue of shape representation in visual area V1 and V4 using oriented bars and various types of gratings (polar, hyperbolic, and Cartesian), as used in several physiology experiments. Our computational model was able to reproduce several physiological findings, such as the broadening distribution of the orientation bandwidths and the emergence of a bias toward non-Cartesian stimuli. Interestingly, the simulation results suggest that some V4 neurons receive input from afferents with spatially separated receptive fields, leading to experimentally testable predictions. However, the simulations also show that the stimulus set of Cartesian and non-Cartesian gratings is not sufficiently complex to probe shape tuning in higher areas, necessitating the use of more complex stimulus sets.

Monocular-based 3-D seafloor reconstruction and ortho-mosaicing by piecewise planar representation

Photo-mosaicing techniques have become popular for seafloor mapping in various marine science applications. However, the common methods cannot accurately map regions with high relief and topographical variations. Ortho-mosaicing borrowed from photogrammetry is an alternative technique that enables taking into account the 3-D shape of the terrain. A serious bottleneck is the volume of elevation information that needs to be estimated from the video data, fused, and processed for the generation of a composite ortho-photo that covers a relatively large seafloor area. We present a framework that combines the advantages of dense depth-map and 3-D feature estimation techniques based on visual motion cues. The main goal is to identify and reconstruct certain key terrain feature points that adequately represent the surface with minimal complexity in the form of piecewise planar patches. The proposed implementation utilizes local depth maps for feature selection, while tracking over several views enables 3-D reconstruction by bundle adjustment. Experimental results with synthetic and real data validate the effectiveness of the proposed approach