Predicting Perceptual Dynamics of Structure-from-Motion with Activity of Neural Population Jointly Selective for 3D Depth and Motion

Abstract

Ambiguous visual stimuli can generate conflicting perceptual interpretations that compete for dominance over time. To identify neural mechanisms underlying these dynamic perceptual states, we exploited an intermittent stimulation technique that slows perceptual alternations and, thus, allows us to separate stable and unstable perceptual states at a magnified time resolution. While human participants tracked perceptual changes during intermittent presentations of an ambiguously rotating structure-from-motion (SFM) stimulus, we obtained functional magnetic resonance images from the primary visual cortex (V1) and the middle temporal (hMT+) areas. We first identified two groups of voxels that responded preferentially to a random-dot 3D cylinder rotating either clockwise or counter-clockwise. We then examined how BOLD responses from those two groups of voxels fluctuate as a function of observers' perceptual states when viewing the ambiguous SFM cylinder. In hMT+, amplitudes of BOLD responses were significantly higher in the voxel group whose selectivity matched the dominant percept relative to the group favoring the non-dominant percept during perceptual stability. We also observed that absolute amplitudes of the two voxel groups fluctuated in synchrony, rising during unstable state and falling during stable state. No such trends were observed in V1. Our findings indicate that neural populations with joint selectivity for depth and motion in hMT+ participate in perceptual resolution of ambiguous SFM, leading to a stable 3-D interpretation.

모호한 시각 자극은 시간에 걸쳐 우세함을 위해 경쟁하는 갈등적인 지각적 해석을 발생시킨다. 이러한 현상의 신경 기반을 확인하기 위해, 본 연구에서는 지각적 교대를 늦추어 안정적인 상태와 불안정한 상태를 분리할 수 있도록 하는 간헐적 자극 기법을 이용하였다. 실험 참여자가 간헐적으로 제시되는 운동구조자극 (structure-from-motion)의 지각적 변화를 추적하는 동안, 참여자의 일차시각피질과 중간관자엽 (인간측두이랑) 영역의 기능적 자기 공명 영상이 촬영 되었다. 국지피질(unit cortical volumes)을 삼차원 원통의 시계 방향과 반시계 방향의 회전을 선호하는 두 집단으로 나눈 후, 이 두 집단이 운동구조자극의 지각된 방향에 따라 어떠한 혈액 산소 수준 의존 (BOLD) 반응을 보이는지 검토하였다. 그 결과 인간측두이랑에서 지각적으로 안정적인 기간 동안, 우세한 지각 방향과 일치하는 집단의 반응이 우세하지 않은 방향을 선호하는 집단의 반응보다 유의미하게 큰 것이 확인되었다. 또한 두 집단의 절대적인 반응 크기가 동시에 불안정한 지각 상태에서는 커지고 안정적인 상태에서는 작아지는 것을 관찰하였다. 일차시각피질에서는 그러한 경향이 발견되지 않았다. 본 연구의 이러한 발견은 깊이와 운동에 결합 선택성을 가지는 인간측두이랑 신경 세포 집단들이 운동으로부터의 구조 자극을 지각적으로 해결하여 안정적인 삼차원 해석을 이끌어내는 과정에 참여한다는 것을 보여 준다.