Lateral modulation, divisive inhibition, and neural mechanism of perceptual filling-in

Autor: Lin, Yih-Shiuan
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2022
Předmět:
Popis: Lateral modulation refers to the phenomenon that the percept of a test stimulus can be modified by a surrounding pattern. Lateral modulation is ubiquitous throughout the visual system. Thus, understanding the underlying mechanism of lateral modulation can not only unveil the fundamental properties of visual system but also have the potential to increase our understanding of how eye diseases such as macular degeneration that leads to scotoma impact on visual perception. The purpose of this project is to study lateral modulation by investigating visual phenomena such as perceptual filling-in and orientation-specific lateral inhibition by means of psychophysics, computational modeling, and neuroimaging techniques. To address the missing pieces of this puzzling phenomenon, this project defines three goals: 1) To study multiple lateral modulation effects such as center-surround interaction and perceptual filling-in with new paradigms; 2) to analyze the observed lateral modulation effects with a computational model; and 3) to understand the neural mechanism underlying perceptual filling-in. Three studies have been conducted. Within the first two studies, we established an orientation adaption paradigm in which center-surround sinusoidal gratings are used as adapters to estimate the amount of tilt-aftereffect (TAE) induced onto the percept of the subsequent target. In Study 1, we selectively adapted the center, the surround, and both the center and surround regions and measured the tilt-aftereffect on the subsequently presented target. The TAE was the strongest in the center-only condition, intermediate in the center plus surround condition, and the weakest in the surround only condition. The difference between the center and both center and surround conditions indicated a lateral inhibition effect from the surround. Perceptual filling-in arose in the surround-only condition thus allowed us to investigate the filling-in effect. The TAE occurred even when no physical stimulus was presented at the target location during adaptation, and the TAE was more pronounced when filling-in was reported. In Study 2, we independently manipulated the adapter center and surround orientations and measured the TAE. We discovered that the lateral inhibition we found in Study 1 was orientation specific. We developed a divisive inhibition model that could explain both the adaptation effect and the lateral modulation effects in the empirical data of Study 1 and 2. In the third study, we implemented functional magnetic resonance imaging to study lateral modulation by presenting radial sinusoidal gratings that activates either the center, the surround, or both the center and surround regions in both left and right visual fields. When the surround pattern was added to the central pattern, the blood-oxygen level-dependent signal decreased in V1 to V3 regions, suggesting a lateral inhibition effect. The multivariate pattern analysis revealed that trained linear classifiers could differentiate between filling-in and non-filling-in trials, indicating that the neural activation pattern was different between the two percepts although the stimuli were the same. The current PhD project demonstrated effective paradigms that provided new evidence in lateral modulation in human vision. Our computational model captured both the adaptation and lateral modulation aspects in the data. The empirical findings and modeling results provide new evidence in the neural mechanism of perceptual filling-in. These paradigms and model have the potential to improve the understanding of how the brain adapts to eye diseases that could potentially lead to better detection techniques and rehabilitation programs.
Laterale Modulation bezieht sich auf das Phänomen, dass die Wahrnehmung eines Testreizes durch ein den Reiz umgebendes Muster verändert werden kann. Laterale Modulation ist im gesamten visuellen System allgegenwärtig. Das Verständnis des der lateralen Modulation zugrundeliegenden Mechanismus kann daher nicht nur die grundlegenden Eigenschaften des visuellen Systems aufdecken, sondern hat auch das Potenzial, unser Verständnis davon zu verbessern, wie Augenkrankheiten wie Makuladegeneration, die zu Skotomen führt, die visuelle Wahrnehmung beeinflussen. Ziel dieses Projekts ist es, die laterale Modulation zu untersuchen, indem visuelle Phänomene wie das perzeptuelle Filling-In und die orientierungsspezifische laterale Inhibition mit Hilfe von Psychophysik, rechnerische Modellierung und Neuroimaging Techniken untersucht werden. Um die fehlenden Teile dieses rätselhaften Phänomens zu erforschen, verfolgt dieses Projekt drei Ziele: 1) Untersuchung mehrerer lateraler Modulationseffekte wie Zentrum-Umfeld-Interaktion und perzeptuelles Filling-In mit neuen Paradigmen; 2) Analyse der beobachteten lateralen Modulationseffekte mit einem mathematischen Modell; und 3) Verständnis des neuronalen Mechanismus, der der Wahrnehmungsauffüllung zugrunde liegt. Es wurden drei Studien durchgeführt. In den ersten beiden Studien entwickelten wir ein Paradigma zur Orientierungsanpassung, bei dem sinusförmige Gitter in der Mitte und in der Umgebung als Adapter verwendet, um das Ausmaß des Tilt-After-Effekt (TAE) abzuschätzen, der auf die Wahrnehmung des nachfolgenden Zielreizes einwirkt. In Studie 1 adaptierten wir selektiv das Zentrum, die Umgebung und sowohl das Zentrum als auch die Umgebung und maßen den Tilt-After-Effekt auf den nachfolgend präsentierten Zielreiz. Der TAE war am stärksten in der Bedingung "nur Zentrum", mittelstark in der Bedingung "Zentrum plus Umgebung" und am schwächsten in der Bedingung "nur Umgebung". Der Unterschied zwischen der Bedingung "Zentrum" und der Bedingung "Zentrum und Umgebung" deutet auf einen lateralen Hemmungseffekt durch die Umgebung hin. Das Auftreten des perzeptuellen Filling-ins in der “nur Umgebung“-Bedingung ermöglichte es uns, den Filling-in-Effekt zu untersuchen. Der TAE trat auch dann auf, wenn während der Adaptation kein physischer Stimulus am Zielort präsentiert wurde, und der TAE war ausgeprägter, wenn ein Filling-in berichtet wurde. In Studie 2 manipulierten wir unabhängig voneinander die Ausrichtungen des Adaptationszentrum und der Umgebung und maßen den TAE. Wir entdeckten, dass die laterale Hemmung, die wir in Studie 1 gefunden hatten, orientierungsspezifisch war. Wir entwickelten ein Modell der divisiven Inhibition, das sowohl den Adaptationseffekt als auch die lateralen Modulationseffekte in den empirischen Daten von Studie 1 und 2 erklären konnte. In der dritten Studie setzten wir funktionelle Magnetresonanztomographie ein, um die laterale Modulation zu untersuchen, indem wir radiale sinusförmige Gitter präsentierten, die entweder das Zentrum, die Umgebung oder sowohl das Zentrum als auch die Umgebung im linken und rechten Gesichtsfeld aktivierten. Wenn das Umgebungsmuster zum zentralen Muster hinzugefügt wurde, nahm das vom Blutsauerstoffgehalt abhängige Signal in den Regionen V1 bis V3 ab, was auf einen lateralen Inhibitionseffekt hindeutet. Die multivariate Musteranalyse ergab, dass trainierte lineare Klassifikatoren zwischen Filling-in und Non-Filling-in-Durchgängen unterscheiden konnten, was darauf hindeutet, dass sich die neuronalen Aktivierungsmuster zwischen den beiden Wahrnehmungen unterschieden, obwohl die Stimuli die gleichen waren. Das aktuelle Promotionsprojekt zeigte effektive Paradigmen, die neue Beweise für die laterale Modulation im menschlichen Sehen lieferten. Unser computergestütztes Modell erfasste sowohl die Aspekte der Adaptation als auch der lateralen Modulation in den Daten. Die empirischen Erkenntnisse und die Modellierungsergebnisse liefern neue Beweise für den neuronalen Mechanismus des perzeptuellen Filling-In. Diese Paradigmen und das Modell haben das Potenzial, das Verständnis dafür zu verbessern, wie sich das Gehirn an Augenkrankheiten anpasst, was möglicherweise zu besseren Erkennungstechniken und Rehabilitationsprogrammen führen könnte.
Databáze: OpenAIRE
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