The role of object similarity in the organization of information about manipulable objects in the brain

Abstract

Introdução: Compreender como é que o cérebro reconhece e distingue entre objetos semelhantes continua a ser uma das principais questões por resolver na neurociência cognitiva. Para responder a esta questão, é crucial explorar a organização sobre o conhecimento de objetos no cérebro. Numerosos estudos têm se focado em como o cérebro distingue entre categorias mais amplas de objetos tais como faces, animais, lugares e ferramentas (ou seja, objetos manipuláveis). No entanto, a investigação é limitada sobre como o cérebro consegue discriminar entre objetos similares dentro da mesma categoria, tais como um copo e uma chávena. Portanto, nesta tese, selecionei a categoria de objetos manipuláveis, como estudo de caso, para aumentar o conhecimento de como a informação está organizada dentro destas categorias. O meu objetivo principal é investigar se a similaridade entre objetos desempenha um papel importante em como a informação sobre objetos manipuláveis está representada no cérebro, especificamente ao testar se existe uma resposta comportamental e neuronal progressiva em função da similaridade entre eles. Metodologia: Comecei a tese por pedir aos participantes para gerarem livremente características de objetos manipuláveis, o que levou a duas bases de dados abrangentes para esta categoria. Estas características foram subsequentemente usadas para quantificar a similaridade entre objetos. Especificamente, a similaridade foi avaliada ao considerar todas as características mencionadas na base de dados (Estudo 2) e por independentemente examinar as características relativas a visão, manipulação, e função (Estudo 3). Para investigar o impacto da similaridade entre objetos nos níveis comportamental e neuronal, apliquei um paradigma de liberação após adaptação em que apresentei sequências de diferentes exemplares do mesmo objeto (por exemplo, várias tesouras) seguidas por um objeto desviante (por exemplo, uma faca). A similaridade de objetos entre os pares de adaptadores e desviantes foi manipulada, e analisei o desempenho dos participantes ao detetar a presença do objeto desviante e a variação na atividade cerebral desencadeada por este.Resultados Principais: Nos estudos 2 e 3, consistentemente obtive respostas comportamentais e neuronais progressivas em função da similaridade entre os objetos adaptadores e desviantes. Especificamente, descobri que à medida que a semelhança entre os objetos aumentava, os participantes exibiam tempos de reação progressivamente mais lentos na deteção do objeto desviante e uma liberação de adaptação mais fraca. No estudo 2, as áreas do cérebro que mostraram uma liberação gradual após adaptação com base na similaridade entre objetos (medido pela partilha geral de características) abrangeram a via ventral, ao longo do eixo posterior para anterior, e o córtex occipito-parietal. Estas áreas são cruciais para o reconhecimento visual de objetos, para processar propriedades motoras, conhecimento semântico relacionado à função e ao contexto em que normalmente encontramos os objetos. No estudo 3, as áreas que apresentaram um efeito de liberação diferiram conforme o tipo de conhecimento investigado (ou seja, visão, manipulação, ou função). Para a visão, encontrei liberação gradual principalmente na via ventral, abrangendo regiões essenciais para o processamento de várias características visuais, incluindo forma, textura e superfície/material. Em relação à condição de manipulação, a liberação progressiva foi observada na via dorsal, sobretudo no córtex dorsal occipital e no sulco intraparietal posterior, que desempenham um papel crucial nos movimentos de agarrar, o agarrar funcional e os movimentos envolvidos no uso de objetos. Também encontrei uma liberação gradual no giro medial fusiforme, que é uma área importante para o agarrar funcional e para a percepção de peso e tem conexões próximas com outras áreas cerebrais relacionadas à ação. Finalmente, para a função, foi evidente uma liberação gradual no córtex lateral occipitotemporal, importante para a representação de ação a um nível mais elevado. Além disso, também observei um efeito de liberação nas áreas da via ventral, no lobo parietal inferior, e no giro frontal inferior.Conclusão: No geral, os estudos aqui apresentados realçam a importância de mudar a perspectiva e explorar como a informação está organizada dentro das categorias, em vez do foco ser apenas as distinções mais amplas entre domínios. Além disso, estas descobertas sugerem que as representações cognitivas e neuronais de objetos incorporam a similaridade de objetos num espetro contínuo para diferentes tipos de conhecimento.

Introduction: Understanding how the brain recognizes and distinguishes between similar objects remains one of the most central and yet unresolved questions in cognitive neuroscience. To tackle this question is crucial to explore the organization of object knowledge in the brain. Numerous studies have focused on how the brain distinguishes broad object categories such as faces, animals, places, and tools (i.e., manipulable objects). However, there has been limited research on how the brain discriminates between similar objects within the same category, like a glass and a cup. Therefore, in this thesis, I have selected the manipulable objects category as a case study to gain insights into how information is organized within categories. My main goal is to investigate whether object similarity plays a significant role in how information about manipulable objects is represented in the brain, specifically by testing whether there is a graded behavioral and neural response as a function of object similarity. Methodology: I started the thesis by asking participants to freely generate features for manipulable objects (Study 1), which led to two comprehensive feature databases for this particular category. These features were subsequently used as proxies for quantifying object similarity. Specifically, I assessed the similarity between objects by considering all the features mentioned in the database (Study 2) and independently examining vision, manipulation, and function features (Study 3). To investigate the impact of object similarity on both behavioral and neural levels, I employed an adaptation paradigm where I presented sequences of different exemplars of an object (e.g., various scissors) followed by a deviant object (e.g., a knife). The object similarity between the adaptation and deviant pairs was manipulated, and I analyzed the participants' performance in detecting the presence of the deviant object and the variation in brain activity triggered by the deviant.Main Results: In both Study 2 and Study 3, I consistently obtained graded behavioral and neural responses as a function of object similarity between the adaptation and deviant objects. Specifically, I found that as the similarity between objects increased, participants exhibited progressively slower reaction times in detecting the deviant object and weaker release from adaptation. In Study 2, the brain areas demonstrating a graded release from adaptation based on object similarity (as measured by overall feature sharedness) encompassed the ventral stream, from the posterior to anterior axis, and occipito-parietal cortex. These areas are crucial for visual object recognition, motor-related properties, semantic knowledge related to object function, and the context in which we typically encounter them. In Study 3, the areas exhibiting the release effect differed depending on the type of knowledge being investigated (i.e., vision, manipulation, or function). For vision, I found graded release from adaptation mainly within the ventral stream, encompassing regions essential for processing various visual properties, including shape, texture, and surface/material. Regarding the manipulation condition, a graded release was observed in the dorsal stream, particularly the dorsal occipital cortex and posterior intraparietal sulcus, which play a crucial role in grasping, functional grasping, and movements involved in object usage. I also found a release in the medial fusiform gyrus, which is important for functional grasping, and weight perception and has close connections with other brain areas related to action. Finally, for function, a graded release was evident in the lateral occipitotemporal cortex, which is important for high-level action representation. In addition, I also observed a release effect within areas of the ventral stream, the inferior parietal lobe, and the inferior frontal gyrus.Conclusion: Overall, the studies presented here highlight the importance of changing the perspective and exploring how information is organized within categories, rather than solely focusing on differences between broad domains. Furthermore, these findings suggest that cognitive and neural representations of objects are designed to incorporate object similarity along a continuous spectrum across different types of knowledge.