Цели и хипотези

 Основната цел на проекта е да събере експериментални данни и да ги приложи за надграждане на нашия вдъхновен от мозъка spike-timing невронен модел на преработка на зрителна информация и вземане на решения с функционалност, тясно свързана с теориите за невроналните механизми на съзнателното и несъзнателното възприятие в мозъка.

 Съгласно последните научни изследвания различни части на мозъчната кора участват във възникването на съзнателното възприятие. Поради това моделът ни ще бъде надграден с допълнителни структури на база литературни данни за тяхната свързаност с коровите и подкорови структури, обработващи зрителната информация.

 За постигане на тази цел се планира провеждане на разнородни по трудност поведенчески експерименти: за статистическо обучение, за подпрагово възприятие и за илюзорно възприятие. Регистрирайки ЕЕГ в различните задачи ще позволи да търсим кое е общото при възникването на съзнателно възприятие при тези напълно различни сценарии. По този начин ще изключим участието на други процеси като памет, внимание и взимане на решение като следствие от възникването на съзнателно преживяване. Целта ни е да сравним свързаността на отделните структури (времеви зависимости, осцилации) с експериментално получените при различни когнитивни задачи.

 Тъй като експериментално е трудно изследването на подкоровите структури и връзката им с мозъчната кора, чрез модела ще може да се експериментира като се менят тези връзки – прави и обратни, с различните структури – за да се получи активност подобна на получената експериментално. За да „изразим“ възникването на съзнателно възприятие, освен сходството с регистрираната мозъчна активност при преход от несъзнателно възприятие, за оценка на моделното изпълнение ще използваме различни мерки – ентропия, сложност и т. н., каквито се прилагат в различните теории на съзнанието за характеризирането му. Това ще помогне също така да се открие дали базалните ганглии – структурата в мозъка, отговорна за вземането на решения, която е включена в нашия модел – допринася за съзнанието директно или само индиректно.

 Докато конкретното съдържание на съзнанието в планираните изследвания варира, поради което ще се включват различни мозъчни структури при обработката на сензорна информация, всички те включват преминаване от несъзнателно към съзнателно състояние. По тази причина ние очакваме, че в резултат на определяне на функционалните връзки между мозъчните структури въз основа на EEG данните, да установим обща структура, която е част от коровите и подкоровите невронни мрежи.

 Ние очакваме, че сравнявайки данните от поведенческите и електрофизиологични изследвания на условията, които имитират преход между две стимулни състояния с несъзнателни промени във възприятието на стимулите ще позволи да се разграничат процесите на обработка на сензорната информация и внимание от тези, включени при съзнателното възприемане.

 Ние ще получим нови данни за индивидуалните разликите в различните изследвания и следователно, за индивидуалните разлики при задачи с различни изисквания към вниманието и паметта, с различно перцептивно натоварване и с участие на различни когнитивни процеси. Ще получим информация за връзката между нивото на вътрешен шум в мозъка и динамиката на преходите от съзнателно към несъзнателно възприятие и обратно. Като краен резултат, поведенческите експерименти ще помогнат за генериране неврологични знания и експериментални данни, които ще допринесат за по-добро разбиране на йерархичната организация на човешкия мозък, динамичните свойства на мозъчните невронни мрежи, и в частност на характеристиките, свързани с мозъчната пластичност и обучение.

 Надграждането и усъвършенстването на нашия spike-timing модел с включването на различни мозъчни структури, участващи в преработката на зрителна информация и вземане на решения ще се основава на експериментални доказателства, както и на карта на човешкия мозък на различни нива. Моделът ще осигури софтуерно средство за симулация на невронно и синаптично ниво на когнитивните процеси в мозъка, включително влиянието на невромодулатори (допамин). Реалистичната структура и свързаност на нашия софтуерен симулатор би могла да допринесе и за in-silico експериментиране на ефектите на увреждане в мозъчните структури.

Подходи за постигане на изследователските цели, включително и
интердисциплинарност на проектното предложение

 За да се постигне целта на проекта ще се приложат следните подходи:

  1. Експериментални изследвания на съзнателното и несъзнателно възприятие при хора посредством поведенчески експерименти в комбинация със записване на електрическата мозъчна активност.
  2. Обработка на експерименталните данни и анализ, целящ да се разграничат съзнателното и несъзнателното възприятие и последващите възприятието когнитивни фази на обработка и участващите в нея мозъчни структури.
  3. Надграждане на структурата на нашия spike timing невронен модел, следвайки съвременните научни теории за невроналните основи на съзнанието и натрупаните експериментални доказателства, както и настройване на параметрите му в съответствие със получените от нас експериментални данни.

 Предложеният изследователски проект е интердисциплинарен, тъй като включва психофизични експерименти с хора, придружени с електрофизиологични записи на мозъчната активност, както и математическо моделиране на наблюдаваното поведение.

Project objectives and hypotheses

 The project's main objective is to collect experimental evidence and apply it to develop further our brain-inspired spike timing neural network model of visual information perception and decision making with functionality closely related to theories of cellular mechanisms of conscious and unconscious perception in the brain.

 According to recent scientific investigations, various cortical areas take part in the emergence of conscious perception. Because of this, our model will be upgraded with additional structures based on literature data about their connectivity with the cortical and subcortical structures processing the visual information.

 For this aim, we plan to conduct behavioural experiments with varying difficulty: statistical learning, sub-threshold perception, and illusory perception. Registering EEG in the different tasks will allow searching the common characteristics in conscious experience emergence in these entirely different scenarios. In this way, we will differentiate the participation of other processes such as memory, attention, and decision-making in the emergence of conscious experience. We aim to compare the functional connectivity (temporal dependencies, oscillations) obtained experimentally in the different cognitive tasks.

 Since it is difficult to investigate the subcortical brain structures and their links with the cortex experimentally, changing their connections – feedforward and feedback, with different model structures – in order to obtain activity similar to the experimental one. To "express" the emergence of conscious experience, except the similarity with registered brain activity during the transition from unconscious perception, we will use various measures for model performance – entropy, complexity, etc., applied in different theories of consciousness for its characterization. This will also reveal whether the basal ganglia – the structure in the brain responsible for decision making included in our model – contributes to consciousness directly or only indirectly.

 Whereas the particular content of consciousness in the planned studies varies, and thus different brain structures will be involved, at least in the sensory processing, all of them include a transition from unconscious to a conscious state. Hence, we expect that there will be a common structure that will be part of all cortical and sub-cortical networks extracted from the functional connectivity measures of EEG.

 НWe expect that contrasting the conditions that mimic the perceptual alternations occurring during bistable perception with the unconscious changes will allow separating the processes of sensory information processing and bottom-up attention from those involved in perceptual awareness for each particular task.

 We will obtain novel data about the inter-individual differences in the different studies and, consequently, about the individual differences in tasks with different perceptual demands and load and with the involvement of various cognitive processes. For example, we may evaluate whether the dynamics of perceptual alternations in spontaneous motion direction change of dynamic stimuli is specific for each individual. Moreover, we may assess the role of internal noise in perceptual changes in bistable perception by using the data from the study of stimulus detection in noise. As a whole, the results of the behavioural studies will contribute to the generation of neuroscientific knowledge and data sets, contributing to a better understanding of the multilevel and multiscale organisation of the human brain; to the dynamic properties of brain networks: in particular, features involved in plasticity, and learning.

 Upgrade and refinement of our spike timing model incorporating various brain structures involved in visual information processing and decision making will rely on experimental evidence as well as on a multilevel map of the human brain. The model will provide a software tool for simulation at the neuronal and synaptic levels of cognitive processes in the brain including neuromodulators (dopamine) influence. The realistic structure and connectivity of our software simulator could also contribute to in-silico experimentation of the effects of involved brain structures damages.

Approaches for accomplishment of the research goals
including interdisciplinarity of the project

 To accomplish the project goal, the following approaches will be applied:

  1. Experimental investigation of conscious and unconscious perception in humans via behavioural experiments in combination with brain electrical activity recordings.
  2. Experimental data processing and analyses aimed at distinguishing conscious and unconscious perceptual and post-perceptual cognitive stages of processing and the brain areas involved in them.
  3. Upgrade of our spike timing neural network model structure following contemporary scientific theories of neural correlates of consciousness and accumulated experimental evidence as well as adjustment of its parameters in line with collected experimental data.

 The proposed research is interdisciplinary since it includes psychophysical experiments with humans, accompanied by electrophysiological recordings of brain activity and mathematical modelling of the observed behaviour.