Работен пакет 1

Постигнати резултати през I етап

Закупена е подходяща апаратура за изследване на мозъчната активност по време на поведенчески опити и научният колектив е обучен да я използва.

Изготвени са подходящи специализирани програми за изследване на прехода между несъзнателно и съзнателно възприятие в процесите на статистическо обучение, за промяна на възприятието на посока и за откриване на стимул всред фонов зрителен шум. За всички експерименти е създадена и тестирана подходяща зрителна стимулация.

Проведени са експерименти за изследване на статистическото обучение при два различни подхода - само с поведенчески експерименти и като комбинация от поведенчески и електрофизиологични експерименти за да се да се изследва процеса на статистическо обучение в неговото развитие и да се характеризира ролята на вниманието в този процес. Това е необходимо защото някои от теориите за съзнанието отъждествяват съзнателната дейност с вниманието. Нашите резултати показаха, значими промени в точността и времето за отговор, както и на параметрите на движение на очите в хода на статистическото обучение. Изследването на движенията на очите при откриване на пространствени закономерности позволява да се оцени хода на процеса на статичтическо обучение и неговата ефективност. Най-подходящи параметри на движенията на очите за описание на този процес са броят на сакадите и разпределението на фиксациите.

За изследване на процесите на спонтанна промяна на възприетата посока на движение са проведени експерименти с поредици от Глас патерни - спирали. Сравнени са честотата на възникване на промяна в две различни условия - при реална промяна в случайни моменти от движението и при възникване на спонтанна промяна на посоката на движение при илюзорно движение. Резулататите показват периодичност при възникване на спонтанна смяна на посоката на движение при илюзорно движение, което би могло да отразява синхронизацията между различни мозъчни структури когато стимулацията има повече от една интерпретации. При реално движение има по-голяма вариативност в отговорите на изследваните лица и по-висока честота на възприета смяна на посоката, което би могло да отразява взаимодействието между възходящите и низходящи процеси на преработка на информация в условия на неопределеност.

Определен е времевия праг за откриване на зрителен стимул сред сходни по форма и размер, но различни по ориентация шумови елементи. Установени са асиметрии в зависимост от ориентацията на стимулите, които не могат да се обяснят с хемисферни асиметрии и с взаимодействието между дорзалните и вентрални зрителни пътища.

Резултатите от проведените изследвания са публикувани в една статия с ИР и една статия в българско списание без ИФ. Част от резултатите са описани в доклад, приет за представяне на международна конференция, материалите от която предстои да бъдат публикувани в издание с ИР, а друга част са описани в доклад, подаден за рецензиране в конференция, която е реферирана в Scopus.

Two-dimensional smoothed histogram
Фигура 1. Двумерна загладена хистограма на позициите на погледа за всички изследвани лица и за всички стимули в последователните експерименти.
Фигура 2. Използваните изображения, подредени в съответствие с вероятността за представянето им в една и съща позиция.
Фигура 3. Ляво. Процент от отговорите, в които дадено изображение е поставено в определена позиция. Дясно. Вероятност едно и също изображение да заема дадена позиция. Номерът на изображенията е означен на абсцисата, а по ординатата са означени последователните позиции в решетката.
Фигура 4. Примери на кумулативната сума на отговорите на изследваните лица (в синьо) и регресионните линии за описание на зависимостта на кумулативната сума от поредицата представяния (червено) за лица, които успяват да открият правилото за класификация. Пунктираната линия представя идеалното изпълнение - линия, с наклон 1.
Фигура 5. Среден процент верни отговори за различните ориентации на триъгълниците.

Постигнати резултати през II етап

За този етап не беше предвидено провеждане на нови експерименти, но беше извършено допълнително независимо нормировъчно изследване на процесите на статистичеко обучение с 44 участници.

Анализът на данните от проведеното изследване на възпроизводимостта на пространствените регулярности в стимулацията показа, че информацията, която може да не е съществена за конкретно решение, може да бъде придобита, когато е част от зрителната стимулация, която участниците обработват активно.

За сравняване на промените във възприета посока на реално и илюзорно движение беше използван representational similarity analysis за определяне на сходството. Осреднените корелации за реални и илюзорни завъртания не се различаваха значимо, което показва сходни характеристики на невроналната активност. Searchlight анализът за сходството в мозъчната активност показа, че корелацията в активността, предизвикана от реалните завъртания става различна от нула при около –500 ms, а за илюзорните завъртания – при около –700 ms т.е. синхронизацията в активността в различни мозъчни структури възниква по-рано при спонтанно предизвиканите, илюзорни завъртания. Значими разлики между реални и илюзорни завъртания се установяват в интервалите между –300 и –100 ms преди отговора. Топографските карти на мозъчната активност показаха, че при откриване на промяна в посоката на илюзорните завъртане се включват повече мозъчни структури. Интересно е, че и при двата типа движения има момент във времето, при който синхронизираната мозъчна активност обхваща почти всички мозъчни структури, което е в съответствие с Теорията за глобалното невронално работно пространство за съзнанието.

Анализът на експеримента за откриване на стимул сред фонов шум беше извърпен с дрейф‑дифузионен модел (DDM), който позволява да се разделят трите основни компонента на вземане на решение: скоростта на натрупване на доказателства, нивото на предпазливост при вземане на решение и времето, несвързано с вземането на решение (включва ранно обработване на информацията за стимула и подготовка на отговора). Като обобщение на резултатите може да се направи извода, че откриването на стимулите сред фоновия шум и определянето на тяхната ориентация преминава през различни етапи, които се отразяват на различни електрофизиологични маркери. Ранните етапи на преработка отразяват несъзнателното възприятие и се различават за различните ориентации. Те се проявават в различни времеви прозорци за постериорната активност и показват значими ориентационни ефекти в бета активността в зависимост от времето на представяне. В последващия етап на преработка на информацията се откриват множество различия между фигурите, ориентирани надясно и наляво в мозъчната активност, регистрирана от всички електроди в краткотрайни времеви прозорци. Промени има в ангажирането на вниманието в зависимост от ориентацията на триъгълниците и времето за представяне като това се отразява в мощността на алфа активността. В крайния етап на изпълнението на задачата за откриване на фигурите и определяне на ориентацията им се наблюдават значими разлики в активността, регистрирана от постериорните и моторни канали за всички ориентации. Наблюдават се изменения в подготовката за моторния отговор, характеризирана чрез LRP активността, най-силно изразена за ориентации надясно като тези разлики зависят от времето за отговор.

Анализът на експериментите за класификация на изображения включваше определяне на времевия ход на процесите на търсене и намиране на правилото при класификация на зрителни изображения и изследване на ефекта на сложността на правилото за класификация на зрителни изображения върху стратегиите на участниците. HMM показа как участниците адаптират поведението си, когато правилото става по‑сложно — от стабилни евристични подходи към променливи стратегии, а при някои, към релационно разсъждение. Така моделът разкрива не само структурата на задачата, но и индивидуалните различия в когнитивната гъвкавост.

Резултатите от проведените изследвания са публикувани в 6 статии с SJR и 2 нереферирани доклада на конференции. Изнесени са и 10 доклада на международни научни конференции, представящи резултатите по този работен пакет. Подготвят се материали с непубликуваните резутати, които да бъдат подадени за рецензиране и публикуване.

Work packet 1

Results achieved during stage I

Appropriate equipment for studying brain activity during behavioral experiments has been purchased and the research team has been trained to use it.

Appropriate specialized programs have been developed to study the transition between unconscious and conscious perception in statistical learning processes, to change direction perception, and to detect a stimulus amidst background visual noise. Appropriate visual stimulation was created and tested for all experiments.

Experiments were conducted to investigate statistical learning in two different approaches - with only behavioral experiments and as a combination of behavioral and electrophysiological experiments to investigate the process of statistical learning in its development and to characterize the role of attention in this process. This is necessary because some theories of consciousness equate conscious activity with attention. Our results showed significant changes in accuracy and response time as well as eye movement parameters during statistical training. The study of eye movements during the detection of spatial regularities allows to evaluate the progress of the static learning process and its effectiveness. The most relevant parameters of eye movements to describe this process are the number of saccades and the distribution of fixations.

To study the processes of spontaneous change of the perceived direction of movement, experiments were conducted with series of Glass patterns - spirals. The frequency of occurrence of a change in two different conditions was compared - with a real change at random moments of the movement and with the occurrence of a spontaneous change of the direction of movement with illusory movement. The results show a periodicity in the occurrence of spontaneous movement direction change during illusory movement, which could reflect synchronization between different brain structures when the stimulation has more than one interpretation. In real motion, there is greater variability in subjects' responses and a higher frequency of perceived direction change, which could reflect the interplay between top-down and down-top information processing processes under conditions of uncertainty.

The time threshold for detecting a visual stimulus among noise elements similar in shape and size but different in orientation was determined. Asymmetries were found depending on the orientation of the stimuli, which could not be explained by hemispheric asymmetries and the interaction between the dorsal and ventral visual pathways.

The results of the conducted research were published in one article with SJR and one article in a Bulgarian journal without rang. Part of the results are described in a report accepted for presentation at an international conference, the materials of which are to be published in an edition with SJR, and another part is described in a report submitted for review at a conference that is referenced in Scopus.

Two-dimensional smoothed histogram
Figure 1. Two-dimensional smoothed histogram of gaze positions for all subjects studied and for all stimuli in successive experiments.
Figure 2. Images used, ordered according to the probability of their presentation in the same position.
Figure 3. Left. Percentage of responses where an image is placed in a specific position. Right. Probability of the same image occupying a given position. The number of the images is indicated on the abscissa, and the consecutive positions in the grid are indicated on the ordinate.
Figure 4. Examples of the cumulative sum of subjects' responses (in blue) and the regression lines describing the dependence of the cumulative sum on the series of presentations (red) for subjects who succeed in detecting the classification rule. The dashed line represents the ideal performance - a line with a slope of 1.
Figure 5. Average percentage of correct answers for the different orientations of the triangles.

Results achieved during stage I

No new experiments were planned for this stage; however, an additional independent norming study of statistical learning processes was conducted with 44 participants.

Analysis of the data from the study on the reproducibility of spatial regularities in the stimulation showed that information—which might not be essential for a specific decision—can be acquired when it is part of the visual stimulation that participants are actively processing.

Representational similarity analysis was used to compare changes in the perceived direction of real versus illusory motion. The averaged correlations for real and illusory rotations did not differ significantly, indicating similar characteristics of neuronal activity. A searchlight analysis of the similarity in brain activity revealed that the correlation in activity elicited by real rotations became significantly different from zero at approximately –500 ms, whereas for illusory rotations, this occurred at approximately –700 ms; in other words, synchronization of activity across various brain structures emerges earlier in the case of spontaneously induced, illusory rotations. Significant differences between real and illusory rotations were observed in the intervals between –300 ms and –100 ms prior to the response. Topographic maps of brain activity indicated that a greater number of brain structures are engaged when a change in the direction of illusory rotation is detected. Interestingly, for both types of motion, there is a point in time at which synchronized brain activity encompasses nearly all brain structures—a finding consistent with the Global Neuronal Workspace theory of consciousness.

The analysis of the experiment on detecting a stimulus amidst background noise was conducted using a drift-diffusion model (DDM), which allows for the separation of three core components of decision-making: the rate of evidence accumulation, the decision threshold (level of caution), and non-decision time (encompassing early stimulus processing and response preparation). In summary, the detection of stimuli against background noise and the determination of their orientation involve distinct stages, which are reflected in various electrophysiological markers. Early processing stages reflect unconscious perception and vary according to stimulus orientation; these manifest within specific time windows in posterior activity and show significant orientation-related effects in beta-band activity, contingent upon the time of presentation. During the subsequent stage of information processing, numerous differences emerge—across brain activity recorded from all electrodes and within brief time windows—between figures oriented to the right and those oriented to the left. Furthermore, attentional engagement varies based on the orientation of the triangles and the time of presentation, a phenomenon reflected in the power of alpha-band activity. In the final stage of the task—involving both figure detection and orientation determination—significant differences are observed in the activity recorded from posterior and motor channels, regardless of the specific orientation. Changes are observed in the preparation for the motor response—characterized by LRP activity—which are most pronounced for rightward orientations; these differences depend on response time.

The analysis of the image classification experiments involved determining the temporal course of the processes of searching for and discovering the classification rule, as well as investigating the effect of rule complexity on participants' strategies. The HMM demonstrated how participants adapt their behavior as the rule becomes more complex—shifting from stable heuristic approaches to variable strategies, and, in some cases, to relational reasoning. Thus, the model reveals not only the structure of the task but also individual differences in cognitive flexibility.

The results of the conducted research have been published in 6 articles with an SJR ranking and 2 non-refereed conference papers. Additionally, 10 presentations on the results of this work package were delivered at international scientific conferences. Materials containing the as-yet unpublished results are currently being prepared for submission for peer review and publication.