How the mind constitutes itself through perceptual learning

Most theories of perception assume a rigid relationship between objects of the physical world and the corresponding mental representations. We show by a priori reasoning that this assumption is not fulfilled. We claim instead that all object-representation correspondences have to be learned. However, we cannot learn to perceive all objects that there are in the world. We arrive at these conclusions by a combinatory analysis of a fictive stimulus world and the way to cope with its complexity, which is perceptual learning. We show that successful perceptual learning requires changes in the representational states of the brain that are not derived directly from the constitution of the physical world. The mind constitutes itself through perceptual learning.

MENTAL IMAGERY IN PERCEPTUAL LEARNING

L'imagerie mentale est définie comme une expérience similaire à la perception mais se déroulant en l'absence d'une stimulation physique. Des recherches antérieures ont montré que l'imagerie mentale améliore la performance dans certains domaines, comme par exemple le domaine moteur. Cependant, son rôle dans l'apprentissage perceptif n'a pas encore été étudié. L'apprentissage perceptif correspond à l'amélioration permanente des performances suite à la répétition de la même tâche. Cette thèse présente une série des résultats empiriques qui montrent que l'apprentissage perceptif peut aussi être achevé en l'absence des stimuli physiques. En effet, imaginer des stimuli visuels amène à une meilleure performance avec les stimuli réels. Donc, les processus sous-jacents l'apprentissage perceptif ne sont pas uniquement déclenchés par les stimuli sensoriels, mais également par des signaux internes. En plus, l'apprentissage perceptif à travers l'imagerie mentale ne se réalise que seule-ment quand les stimuli ne sont pas (complètement) présents, mais gaiement quand les stimuli montrés ne sont pas utiles quant à la résolution de la tâche. - Mental imagery is described as an experience that resembles pereeptnal ex-perience but which occurs in the absence ef a physical stimulation. Despite its beneficial effects in, among others, motor performance, the role of mental imagery m perceptual learning has not yet been addressed. Here we focus on a specific sensory modality: vision. Perceptual learning is the ability to improve perception in a stable way through the repetition of a given task Here I demonstrate by a series of empirical results that a perceptual improve¬ment can also occur in the absence of a stimulation. Imagining visual stimuli is sufficient for successful perceptual learning. Hence, processes underlying perceptual learning are not only stimulus-driven but can also be driven by internally generated signals. Moreover, I also show that perceptual learning via mental imagery can occur not only when physical stimuli are (partially) absent, but also in conditions where stimuli are uninformative with respect to the task that has to be learned.

Anesthesia prevents auditory perceptual learning.

BACKGROUND: An auditory perceptual learning paradigm was used to investigate whether implicit memories are formed during general anesthesia. METHODS: Eighty-seven patients who had an American Society of Anesthesiologists physical status of I-III and were scheduled to undergo an elective surgery with general anesthesia were randomly assigned to one of two groups. One group received auditory stimulation during surgery, whereas the other did not. The auditory stimulation consisted of pure tones presented via headphones. The Bispectral Index level was maintained between 40 and 50 during surgery. To assess learning, patients performed an auditory frequency discrimination task after surgery, and comparisons were made between the groups. General anesthesia was induced with thiopental and maintained with a mixture of fentanyl and sevoflurane. RESULTS: There was no difference in the amount of learning between the two groups (mean +/- SD improvement: stimulated patients 9.2 +/- 11.3 Hz, controls 9.4 +/- 14.1 Hz). There was also no difference in initial thresholds (mean +/- SD initial thresholds: stimulated patients 31.1 +/- 33.4 Hz, controls 28.4 +/- 34.2 Hz). These results suggest that perceptual learning was not induced during anesthesia. No correlation between the bispectral index and the initial level of performance was found (Pearson r = -0.09, P = 0.59). CONCLUSION: Perceptual learning was not induced by repetitive auditory stimulation during anesthesia. This result may indicate that perceptual learning requires top-down processing, which is suppressed by the anesthetic.

Cholinergic enhancement of perceptual learning : behavioral, physiological, and neuro-pharmacological study in the rat primary visual cortex

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive.

Perceptual Learning via Modification of Cortical Top-Down Signals

The primary visual cortex (V1) is pre-wired to facilitate the extraction of behaviorally important visual features. Collinear edge detectors in V1, for instance, mutually enhance each other to improve the perception of lines against a noisy background. The same pre-wiring that facilitates line extraction, however, is detrimental when subjects have to discriminate the brightness of different line segments. How is it possible to improve in one task by unsupervised practicing, without getting worse in the other task? The classical view of perceptual learning is that practicing modulates the feedforward input stream through synaptic modifications onto or within V1. However, any rewiring of V1 would deteriorate other perceptual abilities different from the trained one. We propose a general neuronal model showing that perceptual learning can modulate top-down input to V1 in a task-specific way while feedforward and lateral pathways remain intact. Consistent with biological data, the model explains how context-dependent brightness discrimination is improved by a top-down recruitment of recurrent inhibition and a top-down induced increase of the neuronal gain within V1. Both the top-down modulation of inhibition and of neuronal gain are suggested to be universal features of cortical microcircuits which enable perceptual learning.

Mechanisms of perceptual learning of depth discrimination in random dot stereograms.

Perceptual learning is a training induced improvement in performance. Mechanisms underlying the perceptual learning of depth discrimination in dynamic random dot stereograms were examined by assessing stereothresholds as a function of decorrelation. The inflection point of the decorrelation function was defined as the level of decorrelation corresponding to 1.4 times the threshold when decorrelation is 0%. In general, stereothresholds increased with increasing decorrelation. Following training, stereothresholds and standard errors of measurement decreased systematically for all tested decorrelation values. Post training decorrelation functions were reduced by a multiplicative constant (approximately 5), exhibiting changes in stereothresholds without changes in the inflection points. Disparity energy model simulations indicate that a post-training reduction in neuronal noise can sufficiently account for the perceptual learning effects. In two subjects, learning effects were retained over a period of six months, which may have application for training stereo deficient subjects.

Perceptual learning of motion discrimination by mental imagery.

Perceptual learning can occur when stimuli are only imagined, i.e., without proper stimulus presentation. For example, perceptual learning improved bisection discrimination when only the two outer lines of the bisection stimulus were presented and the central line had to be imagined. Performance improved also with other static stimuli. In non-learning imagery experiments, imagining static stimuli is different from imagining motion stimuli. We hypothesized that those differences also affect imagery perceptual learning. Here, we show that imagery training also improves motion direction discrimination. Learning occurs when no stimulus at all is presented during training, whereas no learning occurs when only noise is presented. The interference between noise and mental imagery possibly hinders learning. For static bisection stimuli, the pattern is just the opposite. Learning occurs when presented with the two outer lines of the bisection stimulus, i.e., with only a part of the visual stimulus, while no learning occurs when no stimulus at all is presented.

Perceptual learning in motion discrimination that generalizes across motion directions

When human subjects discriminate motion directions of two visual stimuli, their discrimination improves with practice. This improved performance has been found to be specific to the practiced directions and does not transfer to new motion directions. Indeed, such stimulus-specific learning has become a trademark finding in almost all perceptual learning studies and has been used to infer the loci of learning in the brain. For example, learning in motion discrimination has been inferred to occur in the visual area MT (medial temporal cortex) of primates, where neurons are selectively tuned to motion directions. However, such motion discrimination task is extremely difficult, as is typical of most perceptual learning tasks. When the difficulty is moderately reduced, learning transfers to new motion directions. This result challenges the idea of using simple visual stimuli to infer the locus of learning in low-level visual processes and suggests that higher-level processing is essential even in “simple” perceptual learning tasks.

Perceptual learning reflects external noise filtering and internal noise reduction through channel reweighting

To investigate the nature of plasticity in the adult visual system, perceptual learning was measured in a peripheral orientation discrimination task with systematically varying amounts of external (environmental) noise. The signal contrasts required to achieve threshold were reduced by a factor or two or more after training at all levels of external noise. The strong quantitative regularities revealed by this novel paradigm ruled out changes in multiplicative internal noise, changes in transducer nonlinearites, and simple attentional tradeoffs. Instead, the regularities specify the mechanisms of perceptual learning at the behavioral level as a combination of external noise exclusion and stimulus enhancement via additive internal noise reduction. The findings also constrain the neural architecture of perceptual learning. Plasticity in the weights between basic visual channels and decision is sufficient to account for perceptual learning without requiring the retuning of visual mechanisms.