Maintaining internal representations: The role of the human superior parietal lobe

In sensorimotor integration, sensory input and motor output signals are combined to provide an internal estimate of the state of both the world and one's own body. Although a single perceptual and motor snapshot can provide information about the current state, computational models show that the state can be optimally estimated by a recursive process in which an internal estimate is maintained and updated by the current sensory and motor signals. These models predict that an internal state estimate is maintained or stored in the brain. Here we report a patient with a lesion of the superior parietal lobe who shows both sensory and motor deficits consistent with an inability to maintain such an internal representation between updates. Our findings suggest that the superior parietal lobe is critical for sensorimotor integration, by maintaining an internal representation of the body's state.

Internal representations of temporal statistics and feedback calibrate motor-sensory interval timing.

Humans have been shown to adapt to the temporal statistics of timing tasks so as to optimize the accuracy of their responses, in agreement with the predictions of Bayesian integration. This suggests that they build an internal representation of both the experimentally imposed distribution of time intervals (the prior) and of the error (the loss function). The responses of a Bayesian ideal observer depend crucially on these internal representations, which have only been previously studied for simple distributions. To study the nature of these representations we asked subjects to reproduce time intervals drawn from underlying temporal distributions of varying complexity, from uniform to highly skewed or bimodal while also varying the error mapping that determined the performance feedback. Interval reproduction times were affected by both the distribution and feedback, in good agreement with a performance-optimizing Bayesian observer and actor model. Bayesian model comparison highlighted that subjects were integrating the provided feedback and represented the experimental distribution with a smoothed approximation. A nonparametric reconstruction of the subjective priors from the data shows that they are generally in agreement with the true distributions up to third-order moments, but with systematically heavier tails. In particular, higher-order statistical features (kurtosis, multimodality) seem much harder to acquire. Our findings suggest that humans have only minor constraints on learning lower-order statistical properties of unimodal (including peaked and skewed) distributions of time intervals under the guidance of corrective feedback, and that their behavior is well explained by Bayesian decision theory.

The RatSLAM project : robot spatial navigation

Rats are superior to the most advanced robots when it comes to creating and exploiting spatial representations. A wild rat can have a foraging range of hundreds of meters, possibly kilometers, and yet the rodent can unerringly return to its home after each foraging mission, and return to profitable foraging locations at a later date (Davis, et al., 1948). The rat runs through undergrowth and pipes with few distal landmarks, along paths where the visual, textural, and olfactory appearance constantly change (Hardy and Taylor, 1980; Recht, 1988). Despite these challenges the rat builds, maintains, and exploits internal representations of large areas of the real world throughout its two to three year lifetime. While algorithms exist that allow robots to build maps, the questions of how to maintain those maps and how to handle change in appearance over time remain open. The robotic approach to map building has been dominated by algorithms that optimise the geometry of the map based on measurements of distances to features. In a robotic approach, measurements of distance to features are taken with range-measuring devices such as laser range finders or ultrasound sensors, and in some cases estimates of depth from visual information. The features are incorporated into the map based on previous readings of other features in view and estimates of self-motion. The algorithms explicitly model the uncertainty in measurements of range and the measurement of self-motion, and use probability theory to find optimal solutions for the geometric configuration of the map features (Dissanayake, et al., 2001; Thrun and Leonard, 2008). Some of the results from the application of these algorithms have been impressive, ranging from three-dimensional maps of large urban strucutures (Thrun and Montemerlo, 2006) to natural environments (Montemerlo, et al., 2003).

Lingodroids : studies in spatial cognition and language

The Lingodroids are a pair of mobile robots that evolve a language for places and relationships between places (based on distance and direction). Each robot in these studies has its own understanding of the layout of the world, based on its unique experiences and exploration of the environment. Despite having different internal representations of the world, the robots are able to develop a common lexicon for places, and then use simple sentences to explain and understand relationships between places even places that they could not physically experience, such as areas behind closed doors. By learning the language, the robots are able to develop representations for places that are inaccessible to them, and later, when the doors are opened, use those representations to perform goal-directed behavior.

Human-humanoid interaction: Is a humanoid robot perceived as a human?

As humanoid robots become more commonplace in our society, it is important to understand the relation between humans and humanoid robots. In human face-to-face interaction, the observation of another individual performing an action facilitates the execution of a similar action, and interferes with the execution of different action. This phenomenon has been explained by the existence of shared internal representations for the execution and perception of actions, which would be automatically activated by the perception of another individual's action. In one interference experiment, null interference was reported when subjects observed a robotic arm perform the incongruent task, suggesting that this effect may be specific to interacting with other humans. This experimental paradigm, designed to investigate motor interference in human interactions, was adapted to investigate how similar the implicit perception of a humanoid robot is to a human agent. Subjects performed rhythmic arm movements while observing either a human agent or humanoid robot performing either congruent or incongruent movements. The variance of the executed movements was used as a measure of the amount of interference in the movements. Both the human and humanoid agents produced significant interference effect. These results suggest that observing the action of humanoid robot and human agent may rely on similar perceptual processes. Furthermore, the ratio of the variance in incongruent to congruent conditions varied between the human agent and humanoid robot. We speculate this ratio describes how the implicit perception of a robot is similar to that of a human, so that this paradigm could provide an objective measure of the reaction to different types of robots and be used to guide the design of humanoid robots interacting with humans. © 2004 IEEE.

A dedicated binding mechanism for the visual control of movement.

The human motor system is remarkably proficient in the online control of visually guided movements, adjusting to changes in the visual scene within 100 ms [1-3]. This is achieved through a set of highly automatic processes [4] translating visual information into representations suitable for motor control [5, 6]. For this to be accomplished, visual information pertaining to target and hand need to be identified and linked to the appropriate internal representations during the movement. Meanwhile, other visual information must be filtered out, which is especially demanding in visually cluttered natural environments. If selection of relevant sensory information for online control was achieved by visual attention, its limited capacity [7] would substantially constrain the efficiency of visuomotor feedback control. Here we demonstrate that both exogenously and endogenously cued attention facilitate the processing of visual target information [8], but not of visual hand information. Moreover, distracting visual information is more efficiently filtered out during the extraction of hand compared to target information. Our results therefore suggest the existence of a dedicated visuomotor binding mechanism that links the hand representation in visual and motor systems.

Genetically Generated Neural Networks II: Searching for an Optimal Representation

Genetic Algorithms (GAs) make use of an internal representation of a given system in order to perform optimization functions. The actual structural layout of this representation, called a genome, has a crucial impact on the outcome of the optimization process. The purpose of this paper is to study the effects of different internal representations in a GA, which generates neural networks. A second GA was used to optimize the genome structure. This structure produces an optimized system within a shorter time interval.

The Subjective Sensation of Synchrony: an Experimental Study

People performing actions together have a natural tendency to synchronize their behavior. Consistently, people doing a task together build internal representations not only of their actions and goals, but also of the other people performing the task. However, little is known about which are the behavioral mechanisms and the psychological factors affecting the subjective sensation of synchrony, or "connecting" with someone else. In this work, we sought to find which factors induce the subjective sensation of synchrony, combining motion capture data and psychological measures. Our results show that the subjective sensation of synchrony is affected by performance quality together with task category, and time. Psychological factors such as empathy and negative subjective affects also correlate with the subjective sensation of synchrony. However, when people estimate synchrony as seen from a third person perspective, their psychological factors do not affect the accuracy of the estimation. We suggest that to feel this sensation it is necessary to, first, have a good joint performance and, second, to assume the existence of an attention monitoring mechanism that reports that the attention of both participants (self and other) is focused on the task.

Neural correlates of affordance competition in dorsal premotor cortex

Le travail présenté dans cette thèse porte sur le rôle du cortex prémoteur dorsal (PMd) au sujet de la prise de décision (sélection d’une action parmis nombreux choix) et l'orientation visuelle des mouvements du bras. L’ouvrage décrit des expériences électrophysiologiques chez le singe éveillé (Macaca mulatta) permettant d’adresser une fraction importante des prédictions proposées par l'hypothèse des affordances concurrentes (Cisek, 2006; Cisek, 2007a). Cette hypothèse suggère que le choix de toute action est l’issue d'une concurrence entre les représentations internes des exigences et des atouts de chacune des options présentées (affordances; Gibson, 1979). Un intérêt particulier est donné au traitement de l'information spatiale et la valeur des options (expected value, EV) dans la prise de décisions. La première étude (article 1) explore la façon dont PMd reflète ces deux paramètres dans la période délai ainsi que de leur intéraction. La deuxième étude (article 2) explore le mécanisme de décision de façon plus détaillée et étend les résultats au cortex prémoteur ventral (PMv). Cette étude porte également sur la représentation spatiale et l’EV dans une perspective d'apprentissage. Dans un environnement nouveau les paramètres spatiaux des actions semblent être présents en tout temps dans PMd, malgré que la représentation de l’EV apparaît uniquement lorsque les animaux commencent à prendre des décisions éclairées au sujet de la valeur des options disponibles. La troisième étude (article 3) explore la façon dont PMd est impliqué aux “changements d'esprit“ dans un procès de décision. Cette étude décrit comment la sélection d’une action est mise à jour à la suite d'une instruction de mouvement (GO signal). I II Les résultats principaux des études sont reproduits par un modèle computationnel (Cisek, 2006) suggérant que la prise de décision entre plusieurs actions alternatives peux se faire par voie d’un mécanisme de concurrence (biased competition) qui aurait lieu dans la même région qui spécifie les actions.

Étude des conceptions alternatives et des processus de raisonnement des étudiants de chimie du niveau collégial sur la molécule, la polarité et les phénomènes macroscopiques

La chimie est un sujet difficile étant donné ses concepts nombreux et souvent peu intuitifs. Mais au-delà de ces difficultés d’ordre épistémologique, l’apprentissage de la chimie peut être en péril lorsqu’il s’appuie sur des fondations instables, mêlées de conceptions alternatives. Les conceptions alternatives sont les représentations internes, tacites, des étudiants, qui sont en désaccord avec la théorie scientifiquement acceptée. Leur présence dans leur esprit peut nuire à la compréhension conceptuelle, et elle peut mener les étudiants à expliquer le comportement de la matière incorrectement et à faire des prédictions inexactes en chimie. Les conceptions alternatives sont réputées répandues et difficiles à repérer dans un cadre traditionnel d’enseignement. De nombreuses conceptions alternatives en chimie ont été mises en lumière par différents groupes de chercheurs internationaux, sans toutefois qu’une telle opération n’ait jamais été réalisée avec des étudiants collégiaux québécois. Le système d’éducation postsecondaire québécois représentant un contexte unique, une étude des difficultés particulières de ces étudiants était nécessaire pour tracer un portrait juste de la situation. De plus, des chercheurs proposent aujourd’hui de ne pas faire uniquement l’inventaire des conceptions, mais de s’attarder aussi à étudier comment, par quel processus, elles mènent à de mauvaises prédictions ou explications. En effet, ils soutiennent que les catalogues de conceptions ne peuvent pas être facilement utilisés par les enseignants, ce qui devrait pourtant être la raison pour les mettre en lumière : qu’elles soient prises en compte dans l’enseignement. Toutefois, aucune typologie satisfaisante des raisonnements et des conceptions alternatives en chimie, qui serait appuyée sur des résultats expérimentaux, n’existe actuellement dans les écrits de recherche. Plusieurs chercheurs en didactique de la chimie suggèrent qu’une telle typologie est nécessaire et devrait rendre explicites les modes de raisonnement qui mettent en jeu ces conceptions alternatives. L’explicitation du raisonnement employé par les étudiants serait ainsi la voie permettant de repérer la conception alternative sur laquelle ce raisonnement s’appuie. Le raisonnement est le passage des idées tacites aux réponses manifestes. Ce ne sont pas toutes les mauvaises réponses en chimie qui proviennent de conceptions alternatives : certaines proviennent d’un manque de connaissances, d’autres d’un agencement incorrect de concepts pourtant corrects. Comme toutes les sortes de mauvaises réponses d’étudiants sont problématiques lors de l’enseignement, il est pertinent de toutes les considérer. Ainsi, ces préoccupations ont inspiré la question de recherche suivante : Quelles conceptions alternatives et quels processus de raisonnement mènent les étudiants à faire de mauvaises prédictions en chimie ou à donner de mauvaises explications du comportement de la matière? C’est pour fournir une réponse à cette question que cette recherche doctorale a été menée. Au total, 2413 étudiants ont participé à la recherche, qui était divisée en trois phases : la phase préliminaire, la phase pilote et la phase principale. Des entrevues cliniques ont été menées à la phase préliminaire, pour explorer les conceptions alternatives des étudiants en chimie. Lors de la phase pilote, des questionnaires à choix multiples avec justification ouverte des réponses ont été utilisés pour délimiter le sujet, notamment à propos des notions de chimie les plus pertinentes sur lesquelles concentrer la recherche et pour mettre en lumière les façons de raisonner des étudiants à propos de ces notions. La phase principale, quant à elle, a utilisé le questionnaire à deux paliers à choix multiples « Molécules, polarité et phénomènes » (MPP) développé spécifiquement pour cette recherche. Ce questionnaire a été distribué aux étudiants via une adaptation de la plateforme Web ConSOL, développée durant la recherche par le groupe de recherche dont fait partie la chercheuse principale. Les résultats montrent que les étudiants de sciences de la nature ont de nombreuses conceptions alternatives et autres difficultés conceptuelles, certaines étant très répandues parmi leur population. En particulier, une forte proportion d’étudiants croient que l’évaporation d’un composé entraîne le bris des liaisons covalentes de ses molécules (61,1 %), que tout regroupement d’atomes est une molécule (78,9 %) et que les atomes ont des propriétés macroscopiques pareilles à celles de l’élément qu’ils constituent (66,0 %). D’un autre côté, ce ne sont pas toutes les mauvaises réponses au MPP qui montrent des conceptions alternatives. Certaines d’entre elles s’expliquent plutôt par une carence dans les connaissances antérieures (par exemple, lorsque les étudiants montrent une méconnaissance d’éléments chimiques communs, à 21,8 %) ou par un raisonnement logique incomplet (lorsqu’ils croient que le seul fait de posséder des liaisons polaires rend nécessairement une molécule polaire, ce qu’on observe chez 24,1 % d’entre eux). Les conceptions alternatives et les raisonnements qui mènent à des réponses incorrectes s’observent chez les étudiants de première année et chez ceux de deuxième année du programme de sciences, dans certains cas avec une fréquence diminuant entre les deux années, et dans d’autres, à la même fréquence chez les deux sous-populations. Ces résultats permettent de mitiger l’affirmation, généralement reconnue dans les écrits de recherche, selon laquelle les conceptions alternatives sont résistantes à l’enseignement traditionnel : selon les résultats de la présente recherche, certaines d’entre elles semblent en effet se résoudre à travers un tel contexte d’enseignement. Il demeure que plusieurs conceptions alternatives, carences dans les connaissances antérieures de base et erreurs de raisonnement ont été mises en lumière par cette recherche. Ces problèmes dans l’apprentissage mènent les étudiants collégiaux à faire des prédictions incorrectes du comportement de la matière, ou à expliquer ce comportement de façon incorrecte. Au regard de ces résultats, une réflexion sur l’enseignement de la chimie au niveau collégial, qui pourrait faire une plus grande place à la réflexion conceptuelle et à l’utilisation du raisonnement pour la prédiction et l’explication des phénomènes étudiés, serait pertinente à tenir.

La comprensión temprana de la adquisición del conocimiento: viejas propuestas, nuevos horizontes

Este artículo revisa hallazgos y modelos teóricos en torno a un aspecto del desarrollo de la teoría de la mente, a saber: la comprensión temprana de cómo se adquiere el conocimiento. La revisión realizada indica que mientras la investigación inicial sugiere que esta comprensión emerge a los cuatro años de edad, hallazgos recientes indican que se encuentra ya presente al final del primer año de vida. A partir de esto, la teoría emergente sobre el aprendizaje cultural propuesta por Tomasello y colaboradores propone la integración de ambos hallazgos en una misma trayectoria de desarrollo. A pesar de sus contribuciones, esta novedosa propuesta podría enriquecerse de dos distintas formas: 1) esclareciendo las diferencias específicas en cuanto a la capacidad del infante y la del niño preescolar para comprender los estados mentales como representaciones internas, y 2) especificando los mecanismos que subyacen la trayectoria de desarrollo de la comprensión del comportamiento como el producto de la actividad mental.

Reality monitoring and visual hallucinations in Parkinson's disease

Between 8 and 40% of Parkinson disease (PD) patients will have visual hallucinations (VHs) during the course of their illness. Although cognitive impairment has been identified as a risk factor for hallucinations, more specific neuropsychological deficits underlying such phenomena have not been established. Research in psychopathology has converged to suggest that hallucinations are associated with confusion between internal representations of events and real events (i.e. impaired-source monitoring). We evaluated three groups: 17 Parkinson's patients with visual hallucinations, 20 Parkinson's patients without hallucinations and 20 age-matched controls, using tests of visual imagery, visual perception and memory, including tests of source monitoring and recollective experience. The study revealed that Parkinson's patients with hallucinations appear to have intact visual imagery processes and spatial perception. However, there were impairments in object perception and recognition memory, and poor recollection of the encoding episode in comparison to both non-hallucinating Parkinson's patients and healthy controls. Errors were especially likely to occur when encoding and retrieval cues were in different modalities. The findings raise the possibility that visual hallucinations in Parkinson's patients could stem from a combination of faulty perceptual processing of environmental stimuli, and less detailed recollection of experience combined with intact image generation. (C) 2002 Elsevier Science Ltd. All fights reserved.

Seleção de informações de guia de rota para a concepção de sistemas de navegação

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Cognição e ação significativa: contribuições do realismo pragmaticista para a epistemologia contemporânea

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)