Neural Field Model of VSD Optical Imaging Signals

In this report we propose a solution to the direct problem of VSD optical imaging based on a neural field model of a cortical area and reproduce optical signals observed in various mammals cortices. We first present a biophysical approach to neural fields and show that these easily integrate the biological knowledge on cortical structure, especially horizontal and vertical connectivity patterns. After having introduced the reader to VSD optical imaging, we propose a biophysical formula expressing the optical imaging signal in terms of the activity of the field. Then, we simulate optical signals that have been observed by experimentalists. We have chosen two experimental sets: the line-motion illusion in the visual cortex of mammals [15] and the spread of activity in the rat barrel cortex [23]. We begin with a structural description of both areas, with a focus on horizontal connectivity. Finally we simulate the corresponding neural field equations and extract the optical signal using the direct problem formula developed in the preceding sections. We have been able to reproduce the main experimental results with these models. Key-words: neural field, biophysical model, optical imaging, direct problem, connectivity, visual cortex, barrel cortex This work was partially supported by Elekta AB. ∗ INRIA Sophia-Antipolis, Projet Odyssée † Institut de Neurosciences Cognitives de la Méditerrannée, Marseille in ria -0 01 99 91 7, v er si on 3 20 D ec 2 00 7 Modèle du signal d’imagerie optique extrinsèque basé sur un champ neuronal Résumé : Dans ce rapport, nous proposons une solution au problème direct de l’imagerie optique extrinsèque basée sur un modèle de champ neuronal d’une aire corticale et nous reproduisons des signaux optiques observés dans plusieurs cortex chez le mammifère. En premier lieu, nous présentons une approche biophysique des champs neuronaux et nous montrons que ceux-ci intègrent aisément les connaissances biologiques sur la structure du cortex, en particulier les connectivités horizontales et verticales. Après avoir présenté au lecteur les principes de l’imagerie optique, nous proposons une formule biophysique exprimant le signal optique en fonction de l’activité du champ. Ensuite, nous simulons des signaux optiques qui ont été observés par des expérimentalistes. Nous avons choisi deux expériences: l’illusion de mouvement dans le cortex visuel des mammifères [15] et la propagation de l’activité dans le cortex tonnelé du rat [23]. Nous commençons par une description structurelle de ces deux aires en nous concentrant sur les connectivités. Pour finir, nous simulons les équations de champ neuronal correspondantes et nous extrayons le signal optique en utilisant la formule du problème direct développée dans les sections précédentes. Nous avons ainsi été capables de reproduire les principaux résultats expérimentaux à l’aide de ces modèles. Mots-clés : champ neuronal, modèle biophysique, imagerie optique, problème direct, connectivité, cortex visuel, cortex tonnelé in ria -0 01 99 91 7, v er si on 3 20 D ec 2 00 7