動的環境下における視覚遮蔽と認知

環境内での物体や観察者の動きは、近くの物体が遠くの物体を遮るときに、オクルージョン（遮蔽）やディオクルージョンのパターンを引き起こすことがよくあります。動物が木の葉を通して見える場合のように、オブジェクトの一部だけが遮られる場合があります。このような極端な場合でも、常に少数のオブジェクトの断片しか見えない場合でも、視覚システムは形状全体を正確に復元できます ( Palmer、Kellman、および Shipley 2006 )。また、オブジェクトが再び表示される前にビューから完全に消えてしまう場合もあります。たとえば、人が柱の後ろを歩き、反対側から再び現れる可能性があります。この方法で動的に遮蔽されたオブジェクトは、たとえ見えなくなっても、引き続き存在するか、オクルーダーの背後に存続しているように感じられます。それが再び見えるようになったとき、その経験は正確に、それが遮られる前に一瞬前に見えていたのと同じ物体であるという経験になります。動的オクルージョンは日常の認識の中に広く存在しているにもかかわらず、オブジェクトが存続することが実際に何を意味するのか、つまり、オブジェクトが目に見えない間にそのオブジェクトに関する情報がどのように維持され、表現されるのかについてはほとんど知られていません。最近の研究では、機能的磁気共鳴画像法 (fMRI) を使用して、物体が視界から遮られたときにその物体に関するどのような情報が表現されるかを検討しています。

実験課題の動画　↓

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5322156/bin/NIHMS829712-supplement-2.mp4

オブジェクトの同一性はオクルージョン中に維持されるが、その特徴は維持されないというものです。オクルーダーの背後で消えるオブジェクトと再出現するオブジェクトの間の連続性は、オブジェクトの特徴の一部が変化した場合でも見ることができます。たとえば、オクルーダーの背後で消える赤い円と、反対側に再び現れる緑の四角形は、同じ継続的に移動するオブジェクトとして認識される場合があります。この現象は「トンネル効果」と呼ばれています (Burke 1952; Flombaum and Scholl 2006 ; Flombaum, Scholl, and Pylyshyn 2008 ; Michotte 1964)。トンネル効果における物体の同一性は、物体の表面の特徴よりも時空間的連続性によってより強く決定され、物体の同一性がその表面の特徴と強く結びついていない可能性があることを示唆している( Bahrami, 2003 ; Feldman and Tremoulet 2006 ; Flombaum and Scholl 2006 ; Flombaum、Scholl、および Santos 2008 ; Gao および Scholl 2010 ; Howard および Holcombe 2008 ; Kahneman、Treisman、および Gibbs 1992 ; Oksama および Hyönä 2008 ; Papenmeier、Meyerhoff、Jahn、および Huff 2013 ; Pylyshyn 2001、2004 ;佐伯 2003 ;ショルおよび Pylysyn 1999 )。
同様に、複数の物体の追跡中、観察者はいくつかのディストラクターの中から追跡していた移動ターゲットを識別できますが、どのターゲットが以前に割り当てられた名前を持っていたかを思い出すことはできません ( Pylyshyn 1989 )。

トンネル効果はまた、長距離の見かけの運動とある程度の類似点を共有しており、表面の特徴が一致しない 2 つの連続して点滅する物体の間に運動が見られます (Exner 1875 ; Kolers 1964 ; Kolers and Pomerantz 1971 ; Korte 1915 ; Navon 1976 ; Prazdny 1986 ; Wertheimer 1912 )。長距離の見かけの動きに関する初期の理論は、非特異的な「塊のような」表現が見かけの動きの経路に沿って形成され、この単純なトークンが時空間的近接性に基づいて連続するインスタンス間で照合されることを示唆しました ( Attneave 1974 ; Ullman) 1980 ; Marr 1982)。モーション トークンは、見かけのモーション パスに沿った相互作用 ( Yantis と NAKAMA 1998 ) や、境界領域間の見かけのモーションの認識 ( Stanley と Rubin 2003、2005 )を説明するためにも使用されています。このような抽象的な表現は、その特徴を具体的に表現せずに、動的オクルージョン中のオブジェクトの永続性の基礎となることもあります。

抽象的なモーションパスのような表現は、完全に遮られた物体の表現に関与する神経領域を調べ、頭頂間溝 (IPS)、MT、LOC などのより高次の視覚野の活性化を発見したいくつかの研究の結果と一致しています。 (アサドとマンセル 1995; ベイカー カイザーズ、ジェレマ、ウィッカー、ペレット 2001; ハルムとゼキ 2006; マキン、ポリアコフ、エルデレディ 2009; オルソン、ゲイテンビー、レオン、スクドラルスキー、ゴア 2003 ; シュワリ、カーティス、ジョンソン2007）。たとえば、オルソンら。(2003)は、被験者がオクルーダーの後ろを通過するボールを見ている間の fMRI 活動を測定しました。ボールは徐々に閉塞されるか、オクルーダーと接触すると一度に消え、その後徐々にまたは瞬時に反対側に再び現れ、その運動経路に沿って進み続けます。徐々に遮蔽されたオブジェクトのオクルージョン中、静的なオブジェクトの消失よりも強い活性化が IPS および MT で観察され、オクルージョン中にオブジェクトの動きがそれらの領域で表現されたことを示唆しています。瞬間的な消失は、遮蔽された運動信号の形成を混乱させると考えられていました。Hulme と Zeki (2006) は、家や顔が近くの表面によって徐々に遮られるか、瞬間的に消えるという同様の実験を実施しました。FFA 内の顔と LOC 内の家では、瞬時に消失した場合よりもオクルージョン中の方が大きな活性化が見られました。刺激はオクルージョンと消失の前に可視であったため、活性化の違いは、オクルージョン中のオブジェクトの継続的な表現、または「オブジェクトの存在の認識」に起因すると考えられました。どちらの研究でも、カテゴリや動作経路を超えたオブジェクトの特徴が表現されているかどうかについては言及されていません。

ただし、いくつかの最近の研究では、オクルージョン中にさらに低レベルのオブジェクトのプロパティが表現される可能性があることが示唆されています。Flombaum、Scholl、および Pylyshyn (2008 ) は、複数のオブジェクトの追跡中にドット プローブ タスクを使用して、オクルージョン中にオブジェクトの空間範囲が維持されることを発見しました。物体の特徴間の類似性と非類似性によっても、物体への結合の程度が決定される可能性があり、特徴が積極的に表現されていることが示唆されます ( Caplovitz、Shaprio、および Stroud 2011 ; Hein and Moore 2012 )。特徴ベースのグループ化は、複数のオブジェクトの追跡中にも発生する可能性があり、追跡パフォーマンスを促進または低下させるために視覚システムによって自動的に使用されることがあります ( Erlikhman, Keane, Mettler, Horowitz, and Kellman 2013 ; Keane, Mettler, Tsoi, and Kellman 2011 ) 。私たちの知る限り、動的オクルージョン中に低レベルの物体の特徴が表現されるかどうかを調べた研究はありませんが、空間の刺激されていない領域に目に見えない物体が存在する見かけの動きの研究では、視覚における初期視覚野の役割が繰り返し確認されています。初期視覚野の活性化は、視覚イメージ中に物理的に存在しない物体についても同様に観察されています (Albers、Kok、Toni、Dijkerman、および de Lange 2013; Klein、Paradis、Poline、Kosslyn、および Bihan 2006; Slotnick、Thompson、およびコスリン、2005 年）。したがって、動的に遮蔽されたオブジェクトは、初期の視覚領域を含む視覚表現階層全体にわたって高い忠実度で表現され得る。

動的に遮蔽された物体の皮質の特徴を調べるために、視野の異なる象限を通過して遮蔽されたさまざまな物体（円と星）を被験者に提示しました。この設計により、物体が見えて動いている領域と、物体が遮られて完全に見えない領域に対応する機能的な MRI 活動を分離することができました。オルソンらと同様。(2003) によると、オブジェクトはオクルージョン象限に到達すると即座に消えるか、徐々にオクルージョンされる (つまり、オクルーダーの後ろを通過する) かのいずれかです。私たちは、動的オクルージョン中に初期視覚領域 (V1 ～ V3) でアクティビティがあり、そのアクティビティにオブジェクトの特徴の表現が含まれている場合、オブジェクトのアイデンティティはそれらの領域で解読できるはずであると仮説を立てました。そうではなく、表現の精度が低く、より「塊状」である場合、物体の動きや存在に対応する活動が初期の皮質領域に存在する可能性がありますが、対応する活動のパターンには、異なる物体を区別するために必要な形状情報が含まれていないことになります。オブジェクトの種類。ただし、LOC などの高次視覚領域ではオブジェクトの同一性が保存されている可能性があります (Hulme and Zeki 2006)。結果のプレビューとして、動的遮蔽に対応する活性化が初期視覚野 (V1 ～ V3) で発見され、徐々に遮蔽されるが、瞬時に消える物体には見られませんでした。ただし、いくつかの手段を使用すると、オブジェクトのアイデンティティは、初期の視覚領域ではなく、後の視覚領域でのみ解読できました。私たちは、動的オクルージョン中の初期の視覚領域の活動を、オブジェクトの位置、その動作経路、または注意の経路を表す情報を示すものとして解釈します。対照的に、高次の視覚領域の役割は、何らかの形式情報を含むオブジェクトのアイデンティティの表現を維持することです。初期視覚野で表現される正確な時空間情報により、オブジェクトがオクルージョンから再出現すると、デノボオブジェクト表現を必要とせずに、より高いレベルのオブジェクト固有の情報が迅速に更新されることが可能になると推測されます。これは、遮蔽されている間に特徴を変化させるオブジェクト間で時空間的連続性が認識される理由を説明している可能性があります。

総合すると、私たちの結果は、ダイナミック オクルージョン中のオブジェクト表現が「Kosslyn 風」というよりは「Pylyshyn 風」である可能性があることを示唆しています。Pylyshyn は以前、オブジェクト ファイル (FINST) またはトークンのようなオブジェクト表現について主張していました ( Pylyhsyn 1989 )。物体が完全に消えると、私たちはそれを追跡して追跡することができ、その移動経路と軌跡を表現してその位置を更新しますが、その形状に関する特定の詳細を正確に表現することはできなくなります。代わりに、私たちはオブジェクトのアイデンティティのより抽象的な表現を、おそらくより高いレベルの視覚領域で維持します。そのため、似たような形状が後で再出現することを期待できますが、オブジェクトの初期段階でそのエッジや方向に関する正確な情報を継続的に保存していません。視覚処理。同様に、長距離の見かけの動きの場合、時空間的連続性が維持されている限り、形状、方向、色が異なる物体の 2 つの連続した提示の間で動きを容易に認識できます ( Kolers and Pomerantz 1971 )。この理論によれば、初期視覚野で観察される活性化は、遮蔽中の物体の運動経路またはその「塊のような」表現に対応している可能性があります。これらの領域では、円と星を区別できませんでした。その形状に関する情報がその表現レベルで維持されていなかったためです。この見解は、遮蔽された不可視のオブジェクトの豊かな表現を記述すると言える、Kosslyn 風の表現スキームとは対照的です。初期の視覚皮質は視覚的イメージ中に活性化されることがわかっており、視覚化はフィードバックを介して、実際に物体を見ているときに活性化する皮質の領域を再活性化すると主張されている (Albers, Kok, Toni, Dijkerman, and de Lange 2013; Klein、Paradis、Poline、Kosslyn、および Bihan 2006; Slotnick、Thompson、および Kosslyn 2005 )。私たちの発見は、より高いレベルの皮質領域からより低いレベルの皮質領域へのフィードバックの概念をサポートしていますが、提案されている詳細な表現のレベルではサポートされていません。ただし、これらの代表体制は相互に排他的ではありません。物体が目に見えず、初期視覚野で表現されている間、いくつかの形状特徴がまだ維持されている可能性があります。現在の設計は単純にそのような表現を検出するには弱すぎた可能性があります。あるいは、この特定の実験におけるオクルージョンの性質 (広い領域で一度に大きく動くオブジェクト全体が消える) がそのような表現のサポートに適していなかった可能性があります。

要約すると、我々は初期視覚野において動的に遮られた物体に対応する皮質活動を発見した。このアクティビティはオブジェクトのアイデンティティをエンコードするものではありませんが、速度、位置 ( Akselrod、Herzog、および Öğmen、2014 )、またはグローバル方向 ( Hidama、Nagai、Sekuler、Bennet、およびGyoba 2011 )などの形式以外のプロパティを表す場合があります。 。また、アクティビティが、モーション パス自体に関する情報 ( Schwarzkopf、Sterzer、および Rees、2011 ; Sterzer、Haynes、および Rees、2006 )、またはパスに沿った注意 ( Culham、Brandt ) など、オブジェクトに関連しない情報を反映している可能性もあります。 、Cavanagh、Kanwisher、Dale、および Tootell、1998 年）。これは、オクルージョン中に、初期視覚野にはオブジェクトのトークンまたは FINST のような表現 ( Pylyshyn、1989 ) のみが存在する可能性があることを示唆しています。この表現により、外観間の追跡と対応が可能になりますが、特定のフォーム情報は保持されません。対照的に、形状識別情報は、オクルージョン中に表現される場合、高次の視覚領域内で表現される。初期視覚野には詳細な情報が欠如しているため、長距離の見かけの動きのように、知覚的に異なる物体間の動きの認識が容易になる可能性があります。

ダイナミック オクルージョン中のオブジェクト表現が「Kosslyn 風」というよりは「Pylyshyn 風」である可能性があることを示唆しています。Pylyshyn は以前、オブジェクト ファイル (FINST) またはトークンのようなオブジェクト表現について主張していました ( Pylyhsyn 1989 )。物体が完全に消えると、私たちはそれを追跡することができ、その移動経路と軌跡を表現してその位置を更新しますが、その形状に関する特定の詳細を正確に表現することはできなくなります。代わりに、私たちはオブジェクトのアイデンティティのより抽象的な表現を、おそらくより高いレベルの視覚領域で維持します。そのため、似たような形状が後で再出現することを期待できますが、オブジェクトの初期段階でそのエッジや方向に関する正確な情報を継続的に保存していません。視覚処理も同様に、長距離の見かけの動きの場合、時空間的連続性が維持されている限り、形状、方向、色が異なる物体の 2 つの連続した提示の間で動きを容易に認識できます ( Kolers and Pomerantz 1971 )。この理論によれば、初期視覚野で観察される活性化は、遮蔽中の物体の運動経路またはその「塊のような」表現に対応している可能性があります。これらの領域では、円と星を区別できませんでした。その形状に関する情報がその表現レベルで維持されていなかったためです。この見解は、遮蔽された不可視のオブジェクトの豊かな表現を記述すると言える、Kosslyn 風の表現スキームとは対照的です。初期の視覚皮質は視覚的イメージ中に活性化されることがわかっており、視覚化はフィードバックを介して、実際に物体を見ているときに活性化する皮質の領域を再活性化すると主張されている (Albers, Kok, Toni, Dijkerman, and de Lange 2013; Klein、Paradis、Poline、Kosslyn、および Bihan 2006; Slotnick、Thompson、および Kosslyn 2005 )。より高いレベルの皮質領域からより低いレベルの皮質領域へのフィードバックの概念をサポートしていますが、提案されている詳細な表現のレベルではサポートされていません。ただし、これらの代表体制は相互に排他的ではありません。物体が目に見えず、初期視覚野で表現されている間、いくつかの形状特徴がまだ維持されている可能性があります。現在の設計は単純にそのような表現を検出するには弱すぎた可能性があります。あるいは、この特定の実験におけるオクルージョンの性質 (広い領域で一度に大きく動くオブジェクト全体が消える) がそのような表現のサポートに適していなかった可能性があります。

要約すると、初期視覚野において動的に遮られた物体に対応する皮質活動を発見した。このアクティビティはオブジェクトのアイデンティティをエンコードするものではありませんが、速度、位置 ( Akselrod、Herzog、および Öğmen、2014 )、またはグローバル方向 ( Hidama、Nagai、Sekuler、Bennet、およびGyoba 2011 )などの形式以外のプロパティを表す場合があります。 また、アクティビティが、モーション パス自体に関する情報 ( Schwarzkopf、Sterzer、および Rees、2011 ; Sterzer、Haynes、および Rees、2006 )、またはパスに沿った注意 ( Culham、Brandt ) など、オブジェクトに関連しない情報を反映している可能性もあります。 、Cavanagh、Kanwisher、Dale、および Tootell、1998 年）。これは、オクルージョン中に、初期視覚野にはオブジェクトのトークンまたは FINST のような表現 ( Pylyshyn、1989 ) のみが存在する可能性があることを示唆しています。この表現により、外観間の追跡と対応が可能になりますが、特定のフォーム情報は保持されません。対照的に、形状識別情報は、オクルージョン中に表現される場合、高次の視覚領域内で表現される。初期視覚野には詳細な情報が欠如しているため、長距離の見かけの動きのように、知覚的に異なる物体間の動きの認識が容易になる可能性があります。