Using hysteresis to test the role of adaptation and short-term visual memory in perceptual decision: a translational approach

Abstract

O sistema visual humano está constantemente a processar informações sensoriais diversas e frequentemente concorrentes para tomar decisões perceptuais. Isto também é verdade para o domínio de percepção de cores que é não linear, dando origem a várias definições de espaço de cores e tridimensional. Tal frequentemente resulta numa aparência perceptual variável da mesma cor dada. Além disso, a percepção de cores pode ser afetada pelo contexto temporal do estímulo visual em termos da sua trajetória. Isso resulta num fenómeno conhecido como histerese perceptiva e dois mecanismos neuronais diferentes podem explicá-lo, em analogia aos sistemas dinâmicos físicos. O primeiro mecanismo é a persistência, ou memória, uma causa de histerese positiva, que força a pessoa a manter uma percepção atual por mais tempo. A segunda é a adaptação ou fadiga (uma causa de histerese negativa), que por sua vez favorece a mudança para uma percepção concorrente mais cedo (levando a desvios negativos). O objetivo deste estudo foi investigar os mecanismos temporais relacionados ao contexto que sustentam a histerese perceptiva na percepção de cores. Achámos expectável que a confiança na experiência perceptual recente pudesse oferecer informações críticas sobre o papel da memória de curto prazo na percepção de cores. O estudo da histerese, portanto, liga de forma inovadora dois processos neuronais muito importantes, fadiga neuronal e memória de curto prazo, e abre janelas para a compreensão de mecanismos concorrentes subjacentes à decisão perceptual. Os dados comportamentais foram recolhidos em dois grupos, neurotípicos e pessoas no espectro do autismo, para responder se a histerese ocorre na percepção de cores e qual o mecanismo dominante (adaptação ou persistência), assim como se mecanismos de alto nível como memória e o binding (integração de partes do estimulo num todo) tem algum papel decisivo. São apresentados dados preliminares sobre a Perturbação do Espectro do Autismo e discutida a hipótese de que a adaptação está alterada nessa condição, à luz de evidências de que pessoas com autismo muitas vezes apresentam percepção visual alterada. Para este fim, projetámos um novo paradigma experimental onde usamos estímulos de mudança de cor em dois espetros de cor diferentes (eixos de cores azul-verde e verde-vermelho), incluindo quatro condições distintas: correspondência de estímulos simples, memória de estímulos simples, correspondência de estímulos compostos e memória de estímulos compostos. A tarefa dos participantes era comparar a mudança de cor com uma cor alvo. Os nossos resultados revelaram que o contexto temporal recente afeta a percepção atual da percepção de cores ao usar estímulos simples, indicando histerese perceptiva. Curiosamente, a histerese negativa dominou, sugerindo que os mecanismos de adaptação prevalecem. Esse efeito desapareceu quando as condições do estímulo forçaram o processamento visual holístico, definido pela ligação de elementos locais num só. Estes efeitos revelam que a tomada de decisão perceptual dinâmica é influenciada pela trajetória da experiência perceptual muito recente e depende se é necessário processamento global ou não.

To make perceptual judgements, the human visual system is constantly processing diverse and, frequently, competing sensory information. This is also true for the colour perception domain which is nonlinear, giving rise to multiple colour space definitions, and tri-dimensional. This frequently results in variable perceptual appearance of the same given colour. Furthermore, the colour perception may be affected by the temporal context of the visual stimulus in terms of its trajectory. This results in a phenomenon known as perceptual hysteresis and two different neural mechanisms might explain it, in analogy to physical dynamical systems. The first mechanism is persistence, or memory, a cause of positive hysteresis, which forces one to keep a current percept for longer. The second is adaptation or fatigue (a cause of negative hysteresis), which in turn favours the switch to a competing percept early on (leading to negative lags). The goal of this study is to investigate temporal context-related mechanisms that underpin perceptual hysteresis in colour perception. We expected that reliance on recent perceptual experience could offer critical information on the role of short-term memory in colour perception. Therefore, the study of hysteresis innovatively links two very important neural processes, neural fatigue and short-term memory, and opens windows into understanding competing mechanisms underlying perceptual decision. Behavioural data were collected in two groups, neurotypicals and people in the spectrum of autism, to answer whether hysteresis occurs in colour perception and if this is the case which mechanism dominates (adaptation or persistence) and whether high level mechanisms such as memory and binding play a role. Preliminary data on Autism Spectrum Disorder is presented and we discuss the hypothesis that adaptation is altered in this condition in light of the evidence that people with autism often show disturbed visual perception. To this end we design a new experimental paradigm where we used colour changing stimuli in two different colour ranges (Blue-green and Green-Red colour axes) including four distinct conditions: Simple Stimuli Match, Simple Stimuli Memory, Compound Stimuli Match and Compound Stimuli Memory. Participants task was to compare the changing colour to a target colour and press a button when their colour matched. Our findings revealed that recent temporal context affects current perception of colour perception when using simple stimuli, indicating perceptual hysteresis. Interestingly negative hysteresis dominated suggesting that adaptation mechanisms prevail. This effect disappeared when the stimulus conditions enforced holistic visual processing, defining by binding of local elements into a bound stimulus. These results reveal that ongoing perceptual decision making is influenced by the trajectory of very recent perceptual experience and depends on whether binding is required or not.