Fluctuations in perceptual decisions: cortical microcircuit dynamics mediating alternations in conscious visual perception

Abstract

Fluctuations in perceptual decisions emerge when our brain confronts with ambiguous sensory stimuli. For instance, our perception alternates between two conflicting images when presented dichoptically to our eyes, allowing a dissociation of the sensory stimulation from the conscious visual perception, and therefore providing a gateway to consciousness. How does the brain work when it deals with such ambiguous sensory stimuli?We addressed this question theoretically by employing a biophysically realistic attractor network, by consistently reducing it to a four- variable rate- based model, and by extracting analytical expressions for second- order statistics. We considered human behavioral and macaque neurophysiological data collected when subjects were confronting with such ambiguities. Our results show the relevance of neuronal adaptation in perceptual decision making, as well as that it contributes to the speed- accuracy trade- off. Furthermore, our findings affirm that both noise and neural adaptation operate in balance during the fluctuating states of visual awareness and suggest that while adaptation in inhibition is not relevant for the perceptual alternations, it contributes to the brain dynamics at rest. Finally, we explain the observed neuronal noise- decorrelation during visual consciousness and provide insights on the long- standing question: where in the brain rivalry is resolved.

Οι διακυμάνσεις στις αντιληπτικές αποφάσεις εμφανίζονται όταν ο εγκέφαλός μας έρχεται αντιμέτωπος με διφορούμενα αισθητηριακά ερεθίσματα. Για παράδειγμα, η αντίληψή μας εναλλάσσεται μεταξύ δύο αντικρουόμενων εικόνων όταν παρουσιάζονται διχοπτικά στα μάτια μας, επιτρέποντας μια διάσπαση της αισθητηριακής διέγερσης από τη συνειδητή οπτική αντίληψη και επομένως παρέχοντας μια πύλη στη συνείδηση. Πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος όταν αντιμετωπίζει τόσο διφορούμενα αισθητηριακά ερεθίσματα; Αντιμετωπίσαμε αυτό το ερώτημα θεωρητικά χρησιμοποιώντας ένα βιοφυσικά ρεαλιστικό δίκτυο ελκυστικών, που με συνέπεια το ανάγαμε σε ένα μοντέλο τεσσάρων μεταβλητών, βασισμένο στη ρυθμική νευρωνική δραστηριότητα, και εξάγοντας αναλυτικές εκφράσεις για στατιστική δεύτερης τάξης. Θεωρήσαμε νευροφυσιολογικά δεδομένα ανθρώπινης συμπεριφοράς και μακάκου που συλλέχθηκαν όταν τα υποκείμενα αντιμετώπιζαν τέτοιες ασάφειες. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν τη συνάφεια της προσαρμογής των νευρώνων στη λήψη αντιληπτικών αποφάσεων, καθώς και ότι συμβάλλει στην αντιστάθμιση ταχύτητας-ακρίβειας. Επιπλέον, τα ευρήματά μας επιβεβαιώνουν ότι τόσο ο θόρυβος όσο και η νευρική προσαρμογή λειτουργούν σε ισορροπία κατά τη διάρκεια των κυμαινόμενων καταστάσεων της οπτικής επίγνωσης και υποδηλώνουν ότι ενώ η προσαρμογή στην αναστολή δεν σχετίζεται με τις αντιληπτικές εναλλαγές, συμβάλλει στη δυναμική του εγκεφάλου σε ηρεμία. Τέλος, εξηγούμε την παρατηρούμενη νευρωνική αποσυσχέτιση θορύβου κατά τη διάρκεια της οπτικής συνείδησης και παρέχουμε προτάσεις για το μακροχρόνιο ερώτημα: πού επιλύεται ο ανταγωνισμός στον εγκέφαλο.