Brain signals of perceptual inference: the role of oscillations in interpreting ambiguous stimuli

Abstract

When sensory information is ambiguous and consistent with two exclusive interpretations in the absence of information that could make perception converge to only one interpretation, spontaneous perceptual reversals occur every few seconds between the two possible interpretations. This phenomenon is called bistable perception. The role of the beta band activity (13-30 Hz) in cognitive processes is still unclear, especially compared to other frequency bands. Moreover, despite evidence that beta activity is related to bistable perception and suggesting a role for beta activity in disambiguating perception, its actual function is yet unknown. Whether the activity of this band signals the maintenance of the status quo or the presence of the dominant percept, there is an enormous controversy around the part the beta-band activity plays during bistable stimulus.The present work explores the behaviour of beta-band oscillations during ambiguous perception. The main hypothesis of the current work is that beta activity is increased when the brain perceives a dominant percept and decreases when an alternative configuration is perceived. In order to study this relation between beta activity and perceptual dominance or bias, a psychophysical study with healthy volunteers perceiving a bistable stimulus was performed. In this way, the first part of the experiment focuses on the study of two ambiguous stimuli: a visual one, Stroboscopic Alternative Motion (SAM) entailing ambiguous motion; and an auditory one of auditory streaming, which also results in bistabe perception. This part focused on determining how to bias the perception of the subject towards one percept, by changing the value of one characteristic of the stimulus. The second part focuses in recording the brain oscillations while the subjects perform these same bistable paradigms. For that it was chosen the Electroencephalogram, since this technique has an adequate spatial coverage of the brain activity and high time resolution, in addition to being non-invasive and low cost. After the acquisitions, frequency analysis and time frequency analysis were performed to study the differences in beta oscillations in moments where the perception was stable and moments where a reversal occurs.The results show that a successful control of each subjects’ perceptual bias was achieved, that is, regardless of interindividual difference in the relative dominance of distinct percepts, individual calibration provided optimal parameters to bias perception towards specific percepts for all subjects. Using experimental conditions that veered perception towards one percept or the other, it was found that, nonetheless, perceptual dominance does not entail significant changes in the activity of beta band during perceptual reversals. To be sure, there is in fact a decrease in beta oscillations before the change and an increase after the change, but the amplitude of beta oscillations is similar between both perceptual configurations. This was observed for both visual bistability and auditory, suggesting there is no correlation between the probability of perceiving a particular percept, i.e. between a percepts dominance, and beta activity. It remains an open question whether beta oscillations, despite having been found to not responsible for biasing perception, still have a role in the brain alternating between percepts and in settling for - or perhaps in maintaining - either of two valid percepts.

Quando a informação sensorial é ambígua e consistente com duas interpretações exclusivas sem qualquer informação que possa fazer a perceção convergir para apenas uma interpretação, trocas percetuais espontâneas ocorrem em poucos segundos entre as duas possíveis interpretações. A este fenómeno chama-se perceção biestável. O pepel da atividade da banda beta (13-30 Hz) em processos cognitivos ainda não é claro, especialmente se comparado ao de outras bandas de frequência. Além disso, apesar de existirem evidências que a atividade beta está relacionada com perceções biestáveis e que sugerem um papel da atividade desta banda na desambiguação da perceção, a sua função atual é ainda desconhecida. Quer a atividade beta sinalize a manutenção do status quo, quer a presença da perceção dominante, há uma enorme controvérsia acerca do papel que a atividade da banda beta tem em estímulos biestáveis. O presente trabalho explora o comportamento de oscilações da banda beta durante perceções ambíguas. A principal hipótese deste trabalho é que a atividade beta aumenta quando o cérebro percebe uma perceção dominante e diminui quando a configuração alternativa é percebida. De forma a estudar esta relação entre a atividade beta e a dominância percetual, foi feito um estudo psicofísico com voluntários saudáveis que respondiam a estímulos biestáveis. Desta forma, a primeira parte do trabalho incide no estudo de dois estímulos ambíguos: um visual, Movimento Alternativo Estroboscópico (SAM) implicando movimento ambíguo; e um auditivo de streaming auditivo, que também resulta em perceção biestável. Esta parte foca-se em determinar um método para influenciar a perceção do sujeito para uma interpretação, mudando o valor de uma característica do estímulo. A segunda parte deste estudo incide na aquisição de oscilações cerebrais enquanto os participantes realizam os mesmos paradigmas biestáveis. Desta forma, foi escolhido o Eletroencefalograma, devido a esta técnica ter uma cobertura espacial adequada da atividade cerebral e alta resolução temporal, além de ser não invasiva e de baixo custo. Após as aquisições, análises de frequência e análises de frequência temporal foram realizadas de forma a estuar as diferenças em oscilações betas em momentos de perceção estável e momentos de ocorrência de uma reversão da interpretação.Os resultados mostram que foi alcançado um controlo bem-sucedido do viés percetual, isto é, independentemente da diferença inter-sujeitos da dominância relativa de perceções distintas, a calibração individual forneceu parâmetros ótimos para enviesar a perceção para uma interpretação especifica para todos os voluntários. Usando condições experimentais que desviam a perceção para uma interpretação ou para a outra, foi descoberto que, não obstante, a dominância perceptual não implica alterações significativas na atividade da banda beta durante trocas percetuais. Contudo, existe, de facto, um decrescimento nas oscilações beta antes da troca percetual e um crescimento da sua atividade depois da troca, mas a amplitude destas é semelhante em ambas as configurações percetuais. Esta situação foi observada para ambas as situações de biestabilidade, visual e auditiva, sugerindo não existe correlação entre a probabilidade de perceber uma perceção particular, i.e. entre a dominância de perceções, e a atividade beta. Assim, esta questão continua aberta, se as oscilações beta, apesar de se ter descoberto que não são responsáveis por enviesar a perceção, sempre têm um papel na alternância entre percepções e em decidir (ou talvez em manter) entre duas perceções válidas.