Modeling neurons that can self organize into building blocks and hierarchies: An exploration based on visual systems

Abstract

Hücre-hücre ve hücre-çevre arasındaki etkileşimler, hücre davranışının belirleyicisi olan bazı yerel kurallarla konrol edilir. Bu kurallar ile, matematiksel ve berimsel olarak anlamlı bazı yapıtaşlarının ve hiyerarşilerin özdüzenlenmesini gözlemlemek mümkündür. Örneğin, görsel sistemde retinadaki ganglion hücrelerinin alıcı alanlarında gözlenen etkinleştirme baskılama davranışı Meksika şapkası (Mexican hat) dalgacığı (wavelet) veya Gausslar farkı ile modellenebilir. Bu etkinleştirme/baskılama davranışı daha alt seviyedeki farklı hücre tiplerinin bir arada uyum içinde çalışmaları sonucu ortaya çıkar. Ayrıca, benzer hiyerarşik özdüzenleme, görsel sistemdeki daha üst seviyelerde de gözlenir. Bu tez çalışması, görsel sistemi farklı yönlerden inceleyerek, özdüzenlemeyi sağlayan yerel kuralların altında yatan biyolojik ve matematiksel/berimsel prensipleri araştırmaktadır. Bu incelemeninsonunda, bu prensiplerden yararlanarak yazılan hibrid bir bilgisayar modeli kullanılarak, yerel kuralların hücre farklılaşması, mozaik retina, katmanlı yapı ve ağ topolojisine etkisi araştırılmıştır.

Cell-cell and cell-environment interactions are controlled by a set of local rules that dictate cell behavior. With such local rules, emergence of computationally meaningful building blocks and hierarchies can be observed. For example, at the cellular level organization in the visual system, receptive field of a retinal ganglion cell displays an activation inhibition behavior that can be modeled as Mexican Hat wavelet or Difference of Gaussians. This precise organization is the product of a harmonious collaboration of different cell types located at the lower levels in a hierarchical structure for each ganglion cell. Moreover, a similar hierarchical organization is observed at higher levels in the visual system. This thesis investigates the visual system from several perspectives in an effort to explore the biological/computational principles underlying these local rules. The investigation results in a hybrid computer model that can combine the advantages of evolutionary and developmental principles to explore the effects of local rules on cellular differentiation, retinal mosaics, layered structures and network topology.