Please use this identifier to cite or link to this item: http://artemis.cslab.ece.ntua.gr:8080/jspui/handle/123456789/17848
Title: Νευρική Απόκριση Αμφιβληστροειδούς και Οπτική Προεξοχή: Μοντελοποίηση με Μεθόδους Βαθιάς Μάθησης και Συμπεράσματα για την Προσθετική Όραση
Authors: Νακόπουλος, Γεώργιος
Νικήτα Κωνσταντίνα
Keywords: μοντέλα αμφιβληστροειδούς, προσθετική αμφιβληστροειδούς, υποδεκτικό πεδίο, αντίστροφη συσχέτιση, συνελικτικά νευρωνικά δίκτυα, προεξοχή, ηλεκτροφυσιολογία, οπτική προσοχή, εμφυτεύματα αμφιβληστροειδούς
Issue Date: 15-Feb-2021
Abstract: Η διαδικασία με την οποία οι άνθρωποι και άλλοι ζωντανοί οργανισμοί αντιλαμβάνονται το περιβάλλον και ερμηνεύουν τα διαρκή οπτικά ερεθίσματα από αυτό ξεκινά στον οφθαλμό. Εκεί, και συγκεκριμένα στον αμφιβληστροειδή πραγματοποιείται μια πολυστρωματική και σύνθετη επεξεργασία. Οι φωτοϋποδοχείς χαρακτηρίζονται από ευαισθησία στο φως και εντοπίζουν πρώτοι τις μεταβολές στο οπτικό πεδίο. Διαφορετικές κατηγορίες κυττάρων επεξεργάζονται το σήμα που τελικά οδηγείται στο επίπεδο εξόδου, τα γαγγλιακά κύτταρα, που αποστέλλουν προς τον εγκέφαλο την κωδικοποιημένη πληροφορία για περαιτέρω επεξεργασία. Η τεχνολογία της προσθετικής αμφιβληστροειδούς επιδιώκει να καταπολεμήσει ασθένειες που βλάπτουν τους φωτοϋποδοχείς και διαταράσσουν την παραπάνω λειτουργία. Στόχος είναι να παρακαμφθεί ο παθολογικός ιστός και με κατάλληλα ηλεκτρικά σήματα να ενεργοποιηθούν τα γαγγλιακά κύτταρα. Για έναν άνθρωπο, δεν είναι απαραίτητο να σαρώσει την οπτική σκηνή στην ολότητά της προκειμένου να κατανοήσει τι βλέπει. Ο εγκέφαλος δημιουργεί ένα χάρτη προεξοχής (saliency map), ο οποίος αναπαριστά την ικανότητα κάθε σημείου της εικόνας να ξεχωρίζει από τα γειτονικά του. Με αυτό τον τρόπο ο άνθρωπος, μέσα από συνεχείς κινήσεις των ματιών, εντοπίζει ενδιαφέρουσες περιοχές και εστιάζει σε αυτές. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάμε τη σχέση της οπτικής προεξοχής με την απόκριση του αμφιβληστροειδούς. Αρχικά, αναπτύσσουμε ένα μοντέλο του αμφιβληστροειδούς εκπαιδεύοντας ένα συνελικτικό νευρωνικό δίκτυο με πειραματικά βιολογικά δεδομένα καταγραφών της απόκρισης γαγγλιακών κυττάρων σε εικόνες του φυσικού περιβάλλοντος. Αξιοποιώντας την ικανότητα του εκπαιδευμένου μοντέλου να μιμηθεί τη συμπεριφορά του αμφιβληστροειδούς, υπολογίζουμε και απεικονίζουμε τα υποδεκτικά πεδία των νευρώνων του πειράματος μέσω μιας κλασικής τεχνικής που ονομάζεται αντίστροφη συσχέτιση, εκτιμώντας με αυτό τον τρόπο τη στοιχειώδη σχέση μεταξύ διέγερσης και απόκρισης. Ως υποδεκτικό πεδίο ενός γαγγλιακού κυττάρου ορίζεται η περιοχή του οπτικού πεδίου εντός της οποίας η πρόκληση κάποιας αλλαγής θα μεταβάλλει την απόκρισή του. Εξετάσαμε για κάθε κύτταρο τη μορφή του υποδεκτικού του πεδίου σε αντιπαραβολή με την τεκμηριωμένη σε θεωρητικές μελέτες περιγραφή των υποδεκτικών πεδίων. Διακρίναμε μια ξεκάθαρη περιοχή ενδιαφέροντος, αλλά όχι για όλους τους νευρώνες. Μέσα από τη διερεύνηση του χρονικού διαστήματος στο οποίο οι αλλαγές επηρεάζουν τις αποκρίσεις, καταλήξαμε σε συγκεκριμένη τιμή μνήμης για τα κύτταρα και διαπιστώσαμε ότι η υψηλή επίδοση του δικτύου δεν οδήγησε αυτόματα και στα προσδοκώμενα υποδεκτικά πεδία. Στη συνέχεια υπολογίζουμε το χάρτη προεξοχής για ένα πλήθος από εικόνες μέσω ενός ήδη εκπαιδευμένου για αυτό το πρόβλημα τεχνητού νευρωνικού δικτύου. Παράλληλα, προβάλλουμε τις ίδιες εικόνες στα γαγγλιακά κύτταρα και λαμβάνουμε τις αποκρίσεις τους μέσω του προηγούμενου μοντέλου. Επιχειρούμε να αντιληφθούμε αν η ιδιότητα ενός αντικειμένου να ξεχωρίζει ως προς τα γειτονικά του αντικατοπτρίζεται στη μεταβολή του ρυθμού πυροδότησης των γαγγλιακών κυττάρων. Με αυτό τον τρόπο θα μπορούσαμε να διεγείρουμε στοχευμένα και αποτελεσματικά τους νευρώνες και ενδεχομένως να βελτιώσουμε τα εμφυτεύματα αμφιβληστροειδούς. Ειδικότερα, συγκρίνουμε τη μέση απόκριση με αυτή στις περισσότερο προεξέχουσες περιοχές, μελετώντας ταυτόχρονα τη συσχέτιση μεταξύ συχνότητας δυναμικών και έντασης προεξοχής. Δεν διαπιστώσαμε συνέπεια στη συμπεριφορά μεταξύ των κυττάρων. Ορισμένα αύξησαν την απόκρισή τους κατά τον εντοπισμό προεξέχοντος αντικειμένου σε περισσότερες περιπτώσεις από άλλα, ενώ είχαν και ισχυρότερους συντελεστές συσχέτισης. Τα κύτταρα που είχαν μέση απόκριση στις εικόνες κάτω από την τιμή ηρεμίας τους έδειξαν μια τάση να αυξήσουν το ρυθμό τους όταν τους προβλήθηκαν περιοχές μέγιστης προεξοχής, έχοντας θετικούς συντελεστές. Αντίθετα τα υπόλοιπα, που επέλεξαν να στέλνουν δυναμικά σε υψηλότερες συχνότητες, μείωναν την απόκρισή τους στις σημαντικές περιοχές, έχοντας αρνητικούς συντελεστές. Οι τιμές στις μετρικές ήταν χαμηλές, κι έτσι δεν μας επετράπη να ισχυριστούμε πως ο αμφιβληστροειδής συμμετέχει στη διαμόρφωση του χάρτη προεξοχής με έναν τόσο άμεσο τρόπο. Η εργασία κάνει ένα σημαντικό βήμα στη συσχέτιση ανώτερων λειτουργιών, συγκεκριμένα της οπτικής προσοχής, με την απόκριση του αμφιβληστροειδούς. Περισσότερη διερεύνηση, με ειδικά διαμορφωμένα σύνολα δεδομένων και με καταγραφές μεγαλύτερης χρονικής διάρκειας για πολλά κύτταρα θα είναι σημαντική για την εξαγωγή αποτελεσμάτων που μπορούν να βελτιώσουν την όραση μέσω εμφυτευμάτων.
URI: http://artemis.cslab.ece.ntua.gr:8080/jspui/handle/123456789/17848
Appears in Collections:Διπλωματικές Εργασίες - Theses

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
nakopoulos_retina.pdf10.65 MBAdobe PDFView/Open


Items in Artemis are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.