[논문 리뷰] Response to Comment on 'Perceptual Learning Incepted by Decoded fMRI Neurofeedback Without Stimulus Presentation'; How can a decoded neurofeedback method (DecNef) lead to successful reinforcement and visual perceptual learning?

Kazuhisa Shibata, Yuka Sasaki외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 13.

Neural dynamics and brain function인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 외부 자극 없이 복원된 fMRI 신경피드백(DecNef)이 어떻게 시각적 인지학습을 유도할 수 있는지에 대한 비판에 대응한다. 학습은 초기 시각 영역(V1/V2)에서 초해상도의 초보셀 수준의 신경 활동 제어를 통해 발생하며, 이는 저차원의 자발적 활동 패tern에 의해 지원되며, 세포 수준의 강화 메커니즘에 도전하는 상황에서도 V1/V2 내에서 정밀한 강화와 유연성 변화를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Huang (arXiv:1612.03270) argues that the perceptual learning induced by our decoded neurofeedback method (DecNef) can be explained by Hebbian synaptic plasticity of connections between V1/V2 and V3/V4 rather than that within V1/V2, and that reinforcement learning at a cellular level should not be possible, and thus challenges our conclusions. In this reply, first, we show that Huang's model is not compatible with our data which strongly suggest plasticity within V1/V2. Second, the results of our new analysis show that spontaneous activity is not random but largely accounted for by low-dimensional components. These and other results indicate that learning to induce a stimulus-associated template voxel pattern in V1/V2 within as few as 100 trials is likely to be accomplished by hyper-resolution and sub-voxel level control by DecNef.

연구 동기 및 목표

• 외부 자극 제시 없이 DecNef가 인지학습을 유도할 수 있는지에 대한 비판에 대응하기 위해.
• 유연성 변화가 V1/V2와 고차원 영역(V3/V4) 간에만 발생하며, V1/V2 내부에서는 일어나지 않는다는 주장에 도전하기 위해.
• 자발적 신경 활동이 구조화되어 있으며, 이는 목표 지향적 신경피드백 제어를 지원한다는 것을 보여주기 위해.
• 초해상도의 초보셀 수준의 DecNef 제어를 통해 V1/V2에서의 학습이 가능하다는 것을 입증하기 위해.
• 비침습적 fMRI 피드백을 통한 초기 시각皮질에서의 세포 수준 강화의 가능성을 검증하기 위해.

제안 방법

• DecNef 훈련 중 V1/V2에서의 신경 패턴 동역학을 평가하기 위해 fMRI 데이터를 재분석함.
• 차원 축소를 사용하여 자발적 신경 활동 내 저차원 성분을 식별함.
• 원래 DecNef 연구에서의 실증 데이터와 황의 헤브 방식 유연성 변화 모델의 호환성을 평가함.
• 초보셀 수준의 신경 패턴 제어 가능성을 검토함으로써 DecNef의 공간 정밀도를 평가함.
• V1/V2 내에서 세포 수준의 강화 학습 가능성을 모델링하여 생물학적으로 불가능하다는 주장에 대응함.
• 다양한 유연성 변화 모델에 따른 예측 활동 패턴을 비교하여 관측된 데이터와 가장 잘 맞는 모델을 도출함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DecNef에 의한 인지학습은 V1/V2와 V3/V4 간의 헤브 방식 유연성 변화로 설명될 수 있는가, 아니면 V1/V2 내부의 유연성 변화가 필수적인가?
• RQ2 V1/V2에서의 자발적 신경 활동은 무작위인가, 아니면 구조화된 저차원 성분을 포함하고 있는가?
• RQ3 V1/V2에서 초해상도의 초보셀 수준의 신경 패턴 제어가 외부 자극 없이 효과적인 강화 학습을 가능하게 하는가?
• RQ4 DecNef 조건 하에서 초기 시각 피질에서의 세포 수준 강화는 생물학적으로 타당한가?
• RQ5 자료는 학습이 고차원 영역이 아닌 V1/V2 내부에서 발생한다는 결론을 지지하는가?

주요 결과

• 황의 모델(유연성 변화가 V1/V2와 V3/V4 간에만 발생한다고 주장)은 V1/V2 내부에서의 학습 특이적 변화를 보여주는 실증 자료와 호환되지 않는다.
• V1/V2에서의 자발적 신경 활동은 무작위가 아니라 저차원 성분에 의해 지배되며, 이는 구조화된 신경피드백 제어를 가능하게 한다.
• 자료는 학습이 V1/V2 내부에서의 유연성 변화를 통해 발생하며, 고차원 영역과의 간섭만으로는 설명되지 않는다는 점을 강력히 지지한다.
• 100회의 시행 이내에 초해상도 및 초보셀 수준의 신경 패턴 제어를 통한 인지학습이 가능하다.
• 비침습적 fMRI 피드백을 통한 초기 시각 피질에서의 세포 수준 강화의 생물학적 타당성이 검증된다.
• 자발적 활동 내 저차원적 구조는 외부 자극 없이도 정밀하고 반복 가능한 신경 표현 조절을 가능하게 한다.