Internal Models, Vestibular Cognition, and Mental Imagery: Conceptual Considerations

Vestibular cognition has recently gained attention. Despite numerous experimental and clinical demonstrations, it is not yet clear what vestibular cognition really is. For future research in vestibular cognition, adopting a computational approach will make it easier to explore the underlying mech- anisms. Indeed, most modeling approaches in vestibular science include a top-down or a priori component. We review recent Bayesian optimal observer models, and discuss in detail the conceptual value of prior assumptions, likelihood and posterior estimates for research in vestibular cognition. We then consider forward models in vestibular processing, which are required in order to distinguish between sensory input that is induced by active self-motion, and sensory input that is due to passive self-motion. We suggest that forward models are used not only in the service of estimating sensory states but they can also be drawn upon in an offline mode (e.g., spatial perspective transformations), in which interaction with sensory input is not desired. A computational approach to vestibular cogni- tion will help to discover connections across studies, and it will provide a more coherent framework for investigating vestibular cognition.

Hitting a moving target: Perception and action in the timing of rapid interceptions

Different interceptive tasks and modes of interception (hitting or capturing) do not necessarily involve similar control processes. Control based on preprogramming of movement parameters is possible for actions with brief movement times but is now widely rejected; continuous perceptuomotor control models are preferred for all types of interception. The rejection of preprogrammed control and acceptance of continuous control is evaluated for the timing of rapidly executed, manual hitting actions. It is shown that a preprogrammed control model is capable of providing a convincing account of observed behavior patterns that avoids many of the arguments that have been raised against it. Prominent continuous perceptual control models are analyzed within a common framework and are shown to be interpretable as feedback control strategies. Although these models can explain observations of on-line adjustments to movement, they offer only post hoc explanations for observed behavior patterns in hitting tasks and are not directly supported by data. It is proposed that rapid manual hitting tasks make up a class of interceptions for which a preprogrammed strategy is adopted-a strategy that minimizes the role of visual feedback. Such a strategy is effective when the task demands a high degree of temporal accuracy.

Market risk charge of the trading book: a comparison of the Basel II and Basel III

This paper aims to investigate if the market capital charge of the trading book increased in Basel III compared to Basel II. I showed that the capital charge rises by 232% and 182% under the standardized and internal model, respectively. The varying liquidity horizons, the calibration to a stress period, the introduction of credit spread risk, the restrictions on correlations across risk categories and the incremental default charge boost Basel III requirements. Nevertheless, the impact of Expected shortfall at 97.5% is low and long term shocks decrease the charge. The standardized approach presents advantages and disadvantages relative to internal models.

Impact of a Cleft Lip and/or Palate on Maternal Stress and Attachment Representations.

Objective : The announcement, prenatally or at birth, of a cleft lip and/or palate represents a challenge for the parents. The purpose of this study is to identify parental working internal models of the child (parental representations of the child and relationship in the context of attachment theory) and posttraumatic stress disorder symptoms in mothers of infants born with a cleft. Method : The study compares mothers with a child born with a cleft (n  =  22) and mothers with a healthy infant (n  =  36). Results : The study shows that mothers of infants with a cleft more often experience insecure parental working internal models of the child and more posttraumatic stress symptoms than mothers of the control group. It is interesting that the severity or complexity of the cleft is not related to parental representations and posttraumatic stress disorder symptoms. The maternal emotional involvement, as expressed in maternal attachment representations, is higher in mothers of children with a cleft who had especially high posttraumatic stress disorder symptoms, as compared with mothers of children with a cleft having fewer posttraumatic stress disorder symptoms. Discussion : Mothers of children with a cleft may benefit from supportive therapy regarding parent-child attachment, even when they express low posttraumatic stress disorder symptoms.

Experience-based Auditory Predictions Modulate Brain Activity to Silence as Do Real Sounds.

Interactions between stimuli's acoustic features and experience-based internal models of the environment enable listeners to compensate for the disruptions in auditory streams that are regularly encountered in noisy environments. However, whether auditory gaps are filled in predictively or restored a posteriori remains unclear. The current lack of positive statistical evidence that internal models can actually shape brain activity as would real sounds precludes accepting predictive accounts of filling-in phenomenon. We investigated the neurophysiological effects of internal models by testing whether single-trial electrophysiological responses to omitted sounds in a rule-based sequence of tones with varying pitch could be decoded from the responses to real sounds and by analyzing the ERPs to the omissions with data-driven electrical neuroimaging methods. The decoding of the brain responses to different expected, but omitted, tones in both passive and active listening conditions was above chance based on the responses to the real sound in active listening conditions. Topographic ERP analyses and electrical source estimations revealed that, in the absence of any stimulation, experience-based internal models elicit an electrophysiological activity different from noise and that the temporal dynamics of this activity depend on attention. We further found that the expected change in pitch direction of omitted tones modulated the activity of left posterior temporal areas 140-200 msec after the onset of omissions. Collectively, our results indicate that, even in the absence of any stimulation, internal models modulate brain activity as do real sounds, indicating that auditory filling in can be accounted for by predictive activity.

Geometric Structure of the Adaptive Controller of the Human Arm

The objects with which the hand interacts with may significantly change the dynamics of the arm. How does the brain adapt control of arm movements to this new dynamic? We show that adaptation is via composition of a model of the task's dynamics. By exploring generalization capabilities of this adaptation we infer some of the properties of the computational elements with which the brain formed this model: the elements have broad receptive fields and encode the learned dynamics as a map structured in an intrinsic coordinate system closely related to the geometry of the skeletomusculature. The low--level nature of these elements suggests that they may represent asset of primitives with which a movement is represented in the CNS.

An extreme value theory approach to calculating minimum capital risk requirements

This paper investigates the frequency of extreme events for three LIFFE futures contracts for the calculation of minimum capital risk requirements (MCRRs). We propose a semiparametric approach where the tails are modelled by the Generalized Pareto Distribution and smaller risks are captured by the empirical distribution function. We compare the capital requirements form this approach with those calculated from the unconditional density and from a conditional density - a GARCH(1,1) model. Our primary finding is that both in-sample and for a hold-out sample, our extreme value approach yields superior results than either of the other two models which do not explicitly model the tails of the return distribution. Since the use of these internal models will be permitted under the EC-CAD II, they could be widely adopted in the near future for determining capital adequacies. Hence, close scrutiny of competing models is required to avoid a potentially costly misallocation capital resources while at the same time ensuring the safety of the financial system.

Emotion and anticipation in an enactive framework for cognition (response to Andy Clark)

Undeniably, anticipation plays a crucial role in cognition. By what means, to what extent, and what it achieves remain open questions. In a recent BBS target article, Clark (in press) depicts an integrative model of the brain that builds on hierarchical Bayesian models of neural processing (Rao and Ballard, 1999; Friston, 2005; Brown et al., 2011), and their most recent formulation using the free-energy principle borrowed from thermodynamics (Feldman and Friston, 2010; Friston, 2010; Friston et al., 2010). Hierarchical generative models of cognition, such as those described by Clark, presuppose the manipulation of representations and internal models of the world, in as much detail as is perceptually available. Perhaps surprisingly, Clark acknowledges the existence of a “virtual version of the sensory data” (p. 4), but with no reference to some of the historical debates that shaped cognitive science, related to the storage, manipulation, and retrieval of representations in a cognitive system (Shanahan, 1997), or accounting for the emergence of intentionality within such a system (Searle, 1980; Preston and Bishop, 2002). Instead of demonstrating how this Bayesian framework responds to these foundational questions, Clark describes the structure and the functional properties of an action-oriented, multi-level system that is meant to combine perception, learning, and experience (Niedenthal, 2007).

Detection of gait perturbations based on proprioceptive information. Application to Limit Cycle Walkers

Walking on irregular surfaces and in the presence of unexpected events is a challenging problem for bipedal machines. Up to date, their ability to cope with gait disturbances is far less successful than humans': Neither trajectory controlled robots, nor dynamic walking machines (Limit CycleWalkers) are able to handle them satisfactorily. On the contrary, humans reject gait perturbations naturally and efficiently relying on their sensory organs that, if needed, elicit a recovery action. A similar approach may be envisioned for bipedal robots and exoskeletons: An algorithm continuously observes the state of the walker and, if an unexpected event happens, triggers an adequate reaction. This paper presents a monitoring algorithm that provides immediate detection of any type of perturbation based solely on a phase representation of the normal walking of the robot. The proposed method was evaluated in a Limit Cycle Walker prototype that suffered push and trip perturbations at different moments of the gait cycle, providing 100% successful detections for the current experimental apparatus and adequately tuned parameters, with no false positives when the robot is walking unperturbed.

Arquitectura cognitiva híbrida para la navegación autónoma de UAVs mediante mapas topológicos visuales

El objetivo fundamental de la presente tesis doctoral es el diseño de una arquitectura cognitiva, que pueda ser empleada para la navegación autónoma de vehículos aéreos no tripulados conocidos como UAV (Unmanned Aerial Vehicle). Dicha arquitectura cognitiva se apoya en la definición de una librería de comportamientos, que aportarán la inteligencia necesaria al UAV para alcanzar los objetivos establecidos, en base a la información sensorial recopilada del entorno de operación. La navegación autónoma del UAV se apoyará en la utilización de un mapa topológico visual, consistente en la definición de un grafo que engloba mediante nodos los diferentes landmarks ubicados en el entorno, y que le servirán al UAV de guía para alcanzar su objetivo. Los arcos establecidos entre los nodos del mapa topológico, le proporcionarán de la información necesaria para establecer el rumbo más adecuado para alcanzar el siguiente landmark a visitar, siguiendo siempre una secuencia lógica de navegación, basada en la distancia entre un determinado landmark con respecto al objetivo final ó landmark destino. La arquitectura define un mecanismo híbrido de control, el cual puede conmutar entre dos diferentes modos de navegación. El primero es el denominado como Search Mode, el cual se activará cuando el UAV se encuentre en un estado desconocido dentro del entorno, para lo cual hará uso de cálculos basado en la entropía para la búsqueda de posibles landmarks. Se empleará como estrategia novedosa la idea de que la entropía de una imagen tiene una correlación directa con respecto a la probabilidad de que dicha imagen contenga uno ó varios landmarks. De esta forma, la estrategia para la búsqueda de nuevos landmarks en el entorno, se basará en un proceso continuo de maximización de la entropía. Si por el contrario el UAV identifica la existencia de un posible landmark entre los definidos en su mapa topológico, se considerará que está sobre un estado conocido, por lo que se conmutará al segundo modo de navegación denominado como Homing Mode, el cual se encargará de calcular señales de control para la aproximación del UAV al landmark localizado. Éste último modo implementa un control dual basado en dos tipos de controladores (FeedForward/FeedBack) que mediante su combinación, aportarán al UAV señales de control cada vez más óptimas, además de llevar a cabo un entrenamiento continuo y en tiempo real. Para cumplir con los requisitos de ejecución y aprendizaje en tiempo real de la arquitectura, se han tomado como principales referencias dos paradigmas empleados en diferentes estudios dentro del área de la robótica, como son el paradigma de robots de desarrollo (developmental robots) basado en un aprendizaje del robot en tiempo real y de forma adaptativa con su entorno, así como del paradigma de modelos internos (internal models) basado en los resultados obtenidos a partir de estudios neurocientíficos del cerebelo humano; dicho modelo interno sirve de base para la construcción del control dual de la arquitectura. Se presentarán los detalles de diseño e implementación de los diferentes módulos que componen la arquitectura cognitiva híbrida, y posteriormente, los diferentes resultados obtenidos a partir de las pruebas experimentales ejecutadas, empleando como UAV la plataforma robótica aérea de AR.Drone. Como resultado final se ha obtenido una validación completa de la arquitectura cognitiva híbrida objetivo de la tesis, cumplimento con la totalidad de requisitos especificados y garantizando su viabilidad como aplicación operativa en el mundo real. Finalmente, se muestran las distintas conclusiones a las cuales se ha llegado a partir de los resultados experimentales, y se presentan las diferentes líneas de investigación futuras que podrán ser ejecutadas.

Neuroimaging evidence implicating cerebellum in the experience of hypercapnia and hunger for air

Recent neuroimaging and neurological data implicate cerebellum in nonmotor sensory, cognitive, vegetative, and affective functions. The present study assessed cerebellar responses when the urge to breathe is stimulated by inhaled CO2. Ventilation changes follow arterial blood partial pressure CO2 changes sensed by the medullary ventral respiratory group (VRG) and hypothalamus, entraining changes in midbrain, pons, thalamus, limbic, paralimbic, and insular regions. Nearly all these areas are known to connect anatomically with the cerebellum. Using positron emission tomography, we measured regional brain blood flow during acute CO2-induced breathlessness in humans. Separable physiological and subjective effects (air hunger) were assessed by comparisons with various respiratory control conditions. The conjoint physiological effects of hypercapnia and the consequent air hunger produced strong bilateral, near-midline activations of the cerebellum in anterior quadrangular, central, and lingula lobules, and in many areas of posterior quadrangular, tonsil, biventer, declive, and inferior semilunar lobules. The primal emotion of air hunger, dissociated from hypercapnia, activated midline regions of the central lobule. The distributed activity across the cerebellum is similar to that for thirst, hunger, and their satiation. Four possible interpretations of cerebellar function(s) here are that: it subserves implicit intentions to access air; it provides predictive internal models about the consequences of CO2 inhalation; it modulates emotional responses; and that while some cerebellar regions monitor sensory acquisition in the VRG (CO2 concentration), others influence VRG to adjust respiratory rate to optimize partial pressure CO2, and others still monitor and optimize the acquisition of other sensory data in service of air hunger aroused vigilance.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Movement Sonification: Effects on Motor Learning beyond Rhythmic Adjustments

Motor learning is based on motor perception and emergent perceptual-motor representations. A lot of behavioral research is related to single perceptual modalities but during last two decades the contribution of multimodal perception on motor behavior was discovered more and more. A growing number of studies indicates an enhanced impact of multimodal stimuli on motor perception, motor control and motor learning in terms of better precision and higher reliability of the related actions. Behavioral research is supported by neurophysiological data, revealing that multisensory integration supports motor control and learning. But the overwhelming part of both research lines is dedicated to basic research. Besides research in the domains of music, dance and motor rehabilitation, there is almost no evidence for enhanced effectiveness of multisensory information on learning of gross motor skills. To reduce this gap, movement sonification is used here in applied research on motor learning in sports. Based on the current knowledge on the multimodal organization of the perceptual system, we generate additional real-time movement information being suitable for integration with perceptual feedback streams of visual and proprioceptive modality. With ongoing training, synchronously processed auditory information should be initially integrated into the emerging internal models, enhancing the efficacy of motor learning. This is achieved by a direct mapping of kinematic and dynamic motion parameters to electronic sounds, resulting in continuous auditory and convergent audiovisual or audio-proprioceptive stimulus arrays. In sharp contrast to other approaches using acoustic information as error-feedback in motor learning settings, we try to generate additional movement information suitable for acceleration and enhancement of adequate sensorimotor representations and processible below the level of consciousness. In the experimental setting, participants were asked to learn a closed motor skill (technique acquisition of indoor rowing). One group was treated with visual information and two groups with audiovisual information (sonification vs. natural sounds). For all three groups learning became evident and remained stable. Participants treated with additional movement sonification showed better performance compared to both other groups. Results indicate that movement sonification enhances motor learning of a complex gross motor skill-even exceeding usually expected acoustic rhythmic effects on motor learning.