[论文解读] Visual illusions via neural dynamics: Wilson-Cowan-type models and the efficient representation principle

Marcelo Bertalmı́o, Luca Calatroni+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2019

Visual perception and processing mechanisms参考文献 57被引用 21

一句话总结

本文提出了一种改进的Wilson-Cowan神经动力学模型，通过引入高效表征原理，更好地再现视觉错觉。通过将原始方程重新表述为受局部直方图均衡化（LHE）启发的变分框架，该模型在模拟明暗和方向依赖性错觉方面表现出更优性能，其皮层扩展结构能够准确建模复杂的视觉现象。

ABSTRACT

In this work we have aimed to reproduce supra-threshold perception phenomena, specifically visual illusions, with Wilson-Cowan-type models of neuronal dynamics. We have found that it is indeed possible to do so, but that the ability to replicate visual illusions is related to how well the neural activity equations comply with the efficient representation principle. Our first contribution is to show that the Wilson-Cowan equations can reproduce a number of brightness and orientation-dependent illusions, and that the latter type of illusions require that the neuronal dynamics equations consider explicitly the orientation, as expected. Then, we formally prove that there can't be an energy functional that the Wilson-Cowan equations are minimizing, but that a slight modification makes them variational and yields a model that is consistent with the efficient representation principle. Finally, we show that this new model provides a better reproduction of visual illusions than the original Wilson-Cowan formulation.

研究动机与目标

• 研究Wilson-Cowan型神经动力学是否能够再现视觉错觉，特别是明暗错觉和方向依赖性错觉。
• 考察原始Wilson-Cowan方程在高效表征原理关系下的理论局限性。
• 开发一种与高效表征原理一致的Wilson-Cowan模型变分重构。
• 将模型扩展以整合皮层方向选择性，从而模拟复杂的定向依赖性错觉。
• 评估新模型在再现感知现象方面相对于原始Wilson-Cowan公式的性能表现。

提出的方法

• 将原始Wilson-Cowan方程适配为建模神经活动对图像刺激的响应，采用具有侧向抑制作用的耦合微分方程系统。
• 基于局部直方图均衡化（LHE）提出Wilson-Cowan模型的变分重构，确保动力学最小化能量泛函。
• 正式证明：在恒定输入下，原始Wilson-Cowan方程并不最小化任何能量泛函，因此违反了高效表征原理。
• 通过使用蛋糕小波的定向量值变换嵌入皮层启发的动力学，将模型扩展以包含方向选择性。
• 采用投影算子从皮层激活中恢复视觉平面，确保与神经生理学数据的一致性。
• 使用对称、奇性的S型非线性函数和加权邻接矩阵，对空间和方向域中的侧向相互作用进行建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 Wilson-Cowan型神经动力学能否再现著名的视觉错觉，特别是明暗错觉？
• RQ2 原始Wilson-Cowan模型是否符合由能量最小化定义的高效表征原理？
• RQ3 将Wilson-Cowan模型重构为变分系统是否能提升其模拟视觉错觉的能力？
• RQ4 在模型中引入方向选择性皮层动力学是否能增强其再现方向依赖性错觉的能力？
• RQ5 基于LHE的变分模型在模拟感知现象方面与原始Wilson-Cowan公式的性能相比如何？

主要发现

• 原始Wilson-Cowan方程无法最小化任何能量泛函，表明其不具备变分性，因此在高效表征原理下为次优。
• 基于LHE的Wilson-Cowan模型重构被证明具有变分性，且与高效表征原理一致，从而能够更优地再现视觉错觉。
• 数值实验表明，基于LHE的模型在模拟赫尔曼方格和克雷克-奥布莱恩-科恩斯韦特效应等明暗错觉方面优于原始Wilson-Cowan公式。
• LHE模型的皮层扩展成功再现了涉及倾斜方向和共线效应的复杂方向依赖性错觉。
• 该模型通过使用蛋糕小波的定向量值变换实现方向编码，结合超柱投影，可实现对刺激的精确重建。
• 所提出的框架提供了一个统一且生物学上合理的机制，从宏观层面将神经动力学、高效编码与感知错觉生成联系起来。