[論文レビュー] Overlapping neural representations for the position of visible and imagined objects

Amanda K. Robinson, Tijl Grootswagers+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2020

Visual perception and processing mechanisms被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、EEGおよび時間分解能をもった多次元パターン解析（MVPA）を用いて、想像された物体の位置の神経表現が、視認可能な物体のそれと重複しており、初期の網膜対応経路ではなく、中程度および高レベルの視覚処理に依存していることを示した。想像された位置の解釈は、視認されたものよりも早く、弱い神経信号で行われるため、内部空間表現の背後には上位からの予測的メカニズムが関与していることが示唆される。

ABSTRACT

Humans can covertly track the position of an object, even if the object is temporarily occluded. What are the neural mechanisms underlying our capacity to track moving objects when there is no physical stimulus for the brain to track? One possibility is that the brain 'fills-in' information about imagined objects using internally generated representations similar to those generated by feed-forward perceptual mechanisms. Alternatively, the brain might deploy a higher order mechanism, for example using an object tracking model that integrates visual signals and motion dynamics. In the present study, we used EEG and time-resolved multivariate pattern analyses to investigate the spatial processing of visible and imagined objects. Participants tracked an object that moved in discrete steps around fixation, occupying six consecutive locations. They were asked to imagine that the object continued on the same trajectory after it disappeared and move their attention to the corresponding positions. Time-resolved decoding of EEG data revealed that the location of the visible stimuli could be decoded shortly after image onset, consistent with early retinotopic visual processes. For processing of unseen/imagined positions, the patterns of neural activity resembled stimulus-driven mid-level visual processes, but were detected earlier than perceptual mechanisms, implicating an anticipatory and more variable tracking mechanism. Encoding models revealed that spatial representations were much weaker for imagined than visible stimuli. Monitoring the position of imagined objects thus utilises similar perceptual and attentional processes as monitoring objects that are actually present, but with different temporal dynamics. These results indicate that internally generated representations rely on top-down processes, and their timing is influenced by the predictability of the stimulus.

研究の動機と目的

• 想像された物体の位置の神経表現が、視認可能な物体のそれと同一のメカニズムを共有しているかどうかを調査すること。
• 時間分解能をもった解釈を用いて、想像された刺激と視認された刺激の神経処理の時間的ダイナミクスを比較すること。
• 内部空間的位置表現が、知覚的要因か、それとも高次の注意メカニズムに依存しているかを評価すること。
• 画像タスクにおける空間的表現の解釈において、眼動作用の混同要因を制御すること。

提案手法

• 被験者は、6つの位置を移動する物体を追跡した後、消えた後に同じ軌道に沿って継続して想像した。
• 視認追跡フェーズと想像的継続フェーズの両方でEEGデータを収集した。
• 時間分解能をもった多次元パターン解析（MVPA）を用いて、神経活動パターンから空間的位置を解釈した。
• 一般化を保証するため、別個のパターン推定器を用い、ランダム化された視認刺激のシーケンスでデコーダーを訓練した。
• 視認刺激のパターン推定器から想像追跡タスクへのクロスデコーディングを実施し、眼動作用に依存しない位置固有の神経信号を分離した。
• 後頭部および前頭部の電極サブセットを別々に分析し、空間解釈が視覚処理領域に起因していることを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 想像された物体の位置の神経表現は、視認可能な物体のそれと同一の空間的符号化メカニズムを共有しているか？
• RQ2 想像された位置の神経処理の時間的ダイナミクスは、視認刺激と比較してどのように異なるか？
• RQ3 初期の網膜対応視覚処理が、想像された物体の位置表現にどの程度寄与しているか？
• RQ4 眼動作用が、想像タスクにおける空間的位置の解釈を説明できるか？
• RQ5 刺激の予測可能性は、内部空間表現の強度とタイミングにどのように影響するか？

主な発見

• 想像された物体の位置の神経パターンは、視認されたものよりも早く解釈されたため、内部表現における予測的処理が示唆された。
• 符号化モデルの性能から、想像刺激の神経表現の強度は、視認刺激よりも顕著に弱かった。
• 想像刺激からの空間的位置解釈は、初期の網膜対応メカニズムではなく、中程度および高レベルの視覚処理に依存していた。
• ランダム化された視認刺激を用いたパターン推定器から想像追跡タスクへのクロスデコーディングは、有意水準を超えていたため、眼動作用に依存しない共通の神経コードが存在することが示された。
• 後頭部電極の分析から、空間解釈パターンが視覚系の活動と一貫しており、前頭部のアーチファクトや眼動作用信号とは無関係であることが確認された。
• 結果から、上位からの予測的メカニズムが内部空間表現の背後にあることが示唆され、刺激の予測可能性によってそのタイミングが調整されている。