コントラストゲインコントロールの根底にある統計計算

初期の視覚システムでは、コントラストゲイン制御メカニズムは、局所的に一般的なコントラストに基づいて応答のゲインを設定します。この適応メカニズムで使用されるコントラストの尺度は、一般に、平均と比較して光強度の標準偏差であると想定されています（ルート平均2平方対照）。ただし、多くの選択肢が可能です。たとえば、コントラストの尺度は、平均に対する絶対偏差、または最も暗いまたは最も明るい強度の有病率に依存する可能性があります。網膜から皮質へのシグナルを中継する猫の横方向の膝状核におけるこのコントラストの尺度の根底にある統計計算を調査しました。精神物理学からの方法を借りて、強度の分布が正確に変化したホワイトノイズ刺激に対する応答を記録しました。平均輝度を一定に保ちながら、強度の分布の標準偏差、歪度、および尖度を変化させました。ゲインは、分布の標準偏差に大きく依存することがわかりました。さらに、一定の標準偏差では、ゲインは歪度または尖度の変化に不変です。これらの発見は、オンセルとオフセルの両方に保持されており、コントラストの尺度は細胞によってシグナルが示す刺激強度の範囲に依存しないことを示しています。これらの結果は、コントラストゲインコントロールがルート平均平方根のコントラストを計算するという長年の仮定を裏付けています。彼らはまた、コントラストゲインコントロールが強度の完全な分布を感知し、異なる細胞タイプの相対的な応答を変化させないことを示しています。この非常に特異的な計算の視覚処理の利点は完全にはわかっていません。

In the early visual system, a contrast gain control mechanism sets the gain of responses based on the locally prevalent contrast. The measure of contrast used by this adaptation mechanism is commonly assumed to be the standard deviation of light intensities relative to the mean (root-mean-square contrast). A number of alternatives, however, are possible. For example, the measure of contrast might depend on the absolute deviations relative to the mean, or on the prevalence of the darkest or lightest intensities. We investigated the statistical computation underlying this measure of contrast in the cat's lateral geniculate nucleus, which relays signals from retina to cortex. Borrowing a method from psychophysics, we recorded responses to white noise stimuli whose distribution of intensities was precisely varied. We varied the standard deviation, skewness, and kurtosis of the distribution of intensities while keeping the mean luminance constant. We found that gain strongly depends on the standard deviation of the distribution. At constant standard deviation, moreover, gain is invariant to changes in skewness or kurtosis. These findings held for both ON and OFF cells, indicating that the measure of contrast is independent of the range of stimulus intensities signaled by the cells. These results confirm the long-held assumption that contrast gain control computes root-mean-square contrast. They also show that contrast gain control senses the full distribution of intensities and leaves unvaried the relative responses of the different cell types. The advantages to visual processing of this remarkably specific computation are not entirely known.