Title Neurodynamic Models of Top-Down Effects on Visual Perception Title (croatian) NEURODINAMIČKI MODELI SILAZNIH PROCESA U VIDNOJ PERCEPCIJI Author Mateja Marić Mentor Dražen Domijan (mentor)Committee member Igor Bajšanski (predsjednik povjerenstva)Committee member Mladenka Tkalčić (član povjerenstva)Committee member Pavle Valerjev (član povjerenstva)Granter University of Rijeka Defense date and country 2022-03-04, Croatia Scientific / art field, SOCIAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 159.9 - Psychology Abstract This doctoral thesis aims to develop new neural network models that will explore how feedback projections in the visual cortex contribute to top-down modulations of visual perception. Two types of top-down effects are considered: 1) Selective visual attention and 2) prior expectations. The models represent modifications and extensions of previously published models of lateral inhibition and adaptive resonance theory. The proposed models are thoroughly evaluated using computer simulations implemented in MATLAB. The models’ outputs are compared with behavioral and neural data. The first part of this thesis develops a model of the recurrent competitive network with the ability to flexibly orient attention in a spatial map to either a single location in space, all locations occupied by an object, or all locations occupied by the feature value. To achieve this property, the network was augmented by biophysically plausible mechanisms emulating properties of synaptic and dendritic computation. The proposed network can simulate object-based attention and implement visual routines, such as mental contour tracing, when further embedded in a more extensive multi-scale neural architecture for boundary detection. The second part of this thesis develops a neural network for color perception based on adaptive resonance theory. The model explains how feedback projections contribute to the stable learning of color codes and conscious experience of colors. The model demonstrates that the same mechanisms that assure learning stability are also responsible for constraining the effect of top-down expectations on color perception. In general, the model indicates that top-down predictions, to a large extent, do not alter the content of conscious visual perception.
Abstract (croatian) Neuroznanstvena istraživanja pokazuju da se vidna percepcija odvija u nizu hijerarhijski organiziranih kortikalnih mreža među kojima postoje uzlazne, lateralne i povratne veze. Postojanje povratnih veza upućuje na zaključak da silazni procesi kao što su očekivanja i uvjerenja nastala na osnovi prethodno stečenog znanja mogu mijenjati sadržaj perceptivnog iskustva i time direktno utjecati na vidnu percepciju. Opći cilj i svrha doktorskog rada je razvoj novih matematičkih modela neuronskih mreža i njihovo testiranje putem računalnih simulacija. Modeli su dizajnirani s ciljem pružanja uvida u to kako povratne veze u vidnom korteksu doprinose silaznim utjecajima na vidnu percepciju. U radu su razmotrene dvije vrste silaznih utjecaja: 1) vidna selektivna pažnja i 2) očekivanja. Novi modeli konstruirani su putem modifikacija postojećih modela lateralne inhibicije i teorije adaptivne rezonance kako bi objasnili recentne psihofizičke i neuroznanstvene nalaze o odnosu između selekcije lokacija, objekata i obilježja u prostoru i utjecaja očekivanja na vidnu percepciju. Metoda doktorskog istraživanja je simulacijsko modeliranje neuronskih mreža gdje se matematički opisi modela implementiraju i testiraju na računalu putem programa MATLAB. Ovom se metodom sustavno ispituju odgovori modela na podražaje slične onima koji se zadaju ispitanicima u psihološkim istraživanjima, a potom se dobiveni rezultati modela uspoređuju s empirijskim podacima.
U prvom dijelu doktorskog rada razvijena je rekurentna kompetitivna mreža s lateralnom inhibicijom za modeliranje selektivne pažnje. Na prostornoj mapi mreža ima sposobnost fleksibilnog odabira: jedne lokacije u prostoru, svih lokacija koje pripadaju nekom objektu ili svih lokacija koje pripadaju nekom obilježju. Mreža je proširena računalnim mehanizmima koji oponašaju moguću ulogu sinaptičkog prijenosa i dendrita u kortikalnoj obradi informacija. Drugim riječima, u mrežu su uključeni dendriti kao samostalne računalne jedinice te samoregulacija sinaptičkog prijenosa putem retrogradnih signala. Ovi mehanizmi povećavaju stabilnost mreže, smanjuju ukupnu količinu inhibicije u mreži i omogućavaju istovremenu selekciju arbitrarnog broja pobjednika koji su definirani zajedničkim obilježjem. Na taj način simulirano je formiranje Bulove mape i njezina elaboracija putem operacija presjeka i unije. Ukoliko se predložena mreža dalje ugradi u veću višerazinsku neuronsku arhitekturu za detekciju rubova ili linija, ona može simulirati prostornu selekciju objekta i implementirati vizualne rutine poput mentalnog praćenja kontura. U drugom dijelu doktorskog rada razvijena je neuronska mreža za percepciju boje zasnovana na teoriji adaptivne rezonance. Mreža može pomiriti kognitivnu neprobojnost vidne percepcije s neuroznanstvenim spoznajama o povratnim vezama u vidnom korteksu i silaznim utjecajima u vidnoj percepciji. Model objašnjava kako se neuronski signali koje registriraju čunjići u ranim stadijima vidnog procesiranja transformiraju u percepciju boje u kasnijim stadijima. Model također pokazuje da su za ograničavanje utjecaja očekivanja na percepciju boje odgovorni isti mehanizmi koji osiguravaju i stabilnost kodova za percepciju boje. Empirijski opaženi utjecaji očekivanja na percepciju boje objašnjavaju se kao posljedica privremenih nestabilnosti u dinamici mreže, koje dugoročno nestaju. Stoga model pokazuje da očekivanja ne mijenjaju sadržaj svjesne vidne percepcije, barem ne u velikoj mjeri. Općenito, doktorski rad pruža nove uvide u to kako povratne veze posreduju u silaznim utjecajima na vidnu percepciju. Također, predloženi modeli stvorili su brojne hipoteze za daljnja psihofizička i neurofiziološka istraživanja.
Keywords
neural networks
visual attention
top-down effects
cognitive impenetrability of vision
adaptive resonance theory
color perception
Keywords (croatian)
neuronske mreže
vidna pažnja
silazni utjecaji
kognitivna neprobojnost vida
teorija adaptivne rezonance
percepcija boje
Language english URN:NBN urn:nbn:hr:186:266979 Study programme Title: Postgraduate Doctoral Studies in Psychology Type of resource Text File origin Born digital Access conditions Open access Terms of use Created on 2022-03-24 09:30:25
