title: Cognitive Interpretations of Ambiguous Visual Stimuli
title: Kognitive Interpretationen mehrdeutiger visueller Reize
Creators: name: Naber, Marnix
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: Pupil
Mehrdeutig
Reize
Bewustsein
Pupille
Psychologie
Awareness
Rivalität
Rivalry
Ambiguity
Objecthood

description: Brains can sense and distinguish
      signals from background noise in physical environments, and
      recognize and classify them as distinct entities. Ambiguity
      is an inherent part of this process. It is a cognitive
      property that is generated by the noisy character of the
      signals, and by the design of the sensory systems that
      process them. Stimuli can be ambiguous if they are noisy,
      incomplete, or only briefly sensed. Such conditions may make
      stimuli indistinguishable from others and thereby difficult
      to classify as single entities by our sensory systems. In
      these cases, stimuli fail to activate a representation that
      may have been previously stored in the system. Deduction,
      through context and experience, is consequently needed to
      reach a decision on what is exactly sensed. Deduction can,
      however, also be subject to ambiguity as stimuli and their
      properties may receive multiple representations in the
      sensory system. In such cases, these multiple representations
      compete for perceptual dominance, that is, for becoming the
      single entity taken by the system as a reference point for
      subsequent behavior. These types of ambiguity and several
      phenomena that relate to them are at the center of this
      dissertation. Perceptual rivalry, the phenomenal experience
      of alternating percepts over time, is an example of how the
      brain may give multiple interpretations to a stimulus that is
      physically constant. Rivalry is a very typical and general
      sensory process and this thesis demonstrates some newly
      discovered properties of its dynamics. It was found that
      alternations between three perceptual interpretations – a
      relatively rare condition as rivalry generally occurs between
      two percepts – follow predictable courses (Chapter 2).
      Furthermore, such alternations had several properties that
      determine their speed and direction of spatial spread
      (suppression waves) in the visual field (Chapter 3). These
      properties of ambiguity were further strongly affected by
      attention and other introspective processes. To demarcate the
      true underlying process of perceptual rivalry and the
      accompanied changes in awareness, these subjective processes
      need to be either circumvented or controlled for. An
      objective measure of perceptual rivalry was proposed that
      resolved this issue and provided a good alternative for
      introspective report of ambiguous states (Chapter 4). Changes
      in percepts occur along a specific feature domain such as
      depth orientation for the famous Necker cube. Alternatively,
      luminance may also be a rivalry feature and one percept may
      appear brighter as the other rivaling percept. It was
      demonstrated that the pupil gets smaller when a percept with
      high luminance becomes dominant, and vice versa, gets bigger
      when a percept with low luminance gets dominant during
      perceptual rivalry. As such, the pupil can serve as a
      reliable objective indicator of changes in visual awareness.
      By using such reflexes during rivalry, several new properties
      of alternations were discovered and it was again confirmed
      that introspection can confound the true processes involved
      in ambiguity. Next, the usefulness of ambiguous stimuli was
      explored in the context of objects as entities (Chapter 5).
      Some ambiguous stimuli can induce two percepts that alternate
      along the feature domain of object coherency, that is,
      whether a single coherent object or multiple incoherent
      objects are seen. In other words, an ambiguous stimulus can
      induce two cognitive interpretations of either seeing an
      entity or not. It was reported that being aware of a single
      coherent object results in the increase in visual sensitivity
      for the areas that constitute the object. These results are
      evidence of how the activation of a representation of a
      single and unique object can guide and allocate attentional
      resources to relevant areas in the visual field in a top-down
      way. It was further explored which features help to bottom-up
      access such object representations (Chapter 6). Ambiguity of
      objects can be successfully resolved by adding strong
      contrasts between the object and its background in luminance
      and color. The size and variability of the object's shape was
      also found to be an important factor for its successful
      detection and identification. Furthermore, the
      characteristics of objects do not only determine the rate of
      success in a recognition task, but are equally important for
      the storage of their representations in memory if, for
      instance, the object is novel to the observer. The subjective
      experience of a novel object is also subject to ambiguity and
      objects may appear novel to the observer although they are
      familiar (i.e., previously shown to the observer), or vice
      versa, they appear familiar to the observer although they are
      actually novel. It was here shown that such subjective
      effects are reflected in the pupil (Chapter 7). In addition,
      if novel images were presented to observers, their pupils
      constricted stronger as compared to if familiar images were
      presented. Similarly, if novel stimuli were shown to
      observers, pupillary constrictions were stronger if these
      stimuli were successfully stored in memory as compared to
      those later forgotten. As such, the pupil reflected the
      cognitive process of novelty encoding. Finally, it was tested
      whether other cognitive processes, such as decision-making –
      an important process when multiple options are available and
      ambiguity has to be resolved with a conscious decision – were
      also reflected in changes of pupil size (Chapter 8). It was
      confirmed that the pupil tends to dilate after an observer
      has made a decision. These dilations can successfully be
      detected between individuals and further used to gain the
      upper hand during an interactive game. In sum, this thesis
      has explored how ambiguous signals affect perception and how
      ambiguity inside perceptual systems can be used to study
      processes of the brain. It is found that ambiguity follows
      predictable courses, can be objectively assessed with
      reflexes, and can provide insights into other neuronal
      mechanisms such as attention, object representations, and
      decision-making. These findings demonstrate that ambiguity is
      a core property of the sensory systems that enable living
      beings to interact with their surroundings. Ambiguity adds
      variation to behavior, allows the brain to flexibly interact
      with the world, and lies at the bottom of the dynamics of
      sense, interpretations, and behavioral decisions.
description: Unser Gehirn muss zu jeder Zeit
      relevante Signale von irrelevanten Informationen trennen.
      Dazu müssen diese als spezifische Einheiten erkannt und
      klassifiziert werden. Mehrdeutigkeit ist ein wesentlicher
      Aspekt dieses Verarbeitungsprozesses und kann durch
      verrauschte Eingangssignale und durch den Aufbau unserer
      sensorischer Systeme entstehen. Beispielsweise können Reize
      mehrdeutig sein, wenn sie verrauscht oder unvollständig sind
      oder nur kurzzeitig wahrgenommen werden. Unter solchen
      Bedingungen werden Wahrnehmung und Klassifikation eines
      Reizes deutlich erschwert. Bereits vorhandene kognitive
      Repräsentationen werden somit möglicherweise nicht aktiviert.
      Folglich müssen Rückschlüsse über die Reize aufgrund von
      Kontext und Erfahrung gezogen werden. Ein und derselbe Reiz
      kann jedoch unterschiedlich repräsentiert und im sensorischen
      System kodiert werden. Da nur eine Repräsentation die Basis
      zukünftigen Handelns bilden kann, entsteht eine Art
      Konkurrenz innerhalb der Wahrnehmung. Derartige
      Wahrnehmungsphänomene, die mit der Mehrdeutigkeit von Reizen
      in Verbindung stehen, bilden den Mittelpunkt der vorliegenden
      Dissertation. Wenn einem physikalisch konstanten Reiz mehrere
      Interpretationen zugeordnet werden, entsteht ein Wechsel
      zwischen diesen Einordnungen, den man wahrnimmt und Rivalität
      ("rivalry") nennt. In dieser Dissertation werden diverse neue
      Erkenntnisse zu diesem grundlegenden Phänomen der
      sensorischen Verarbeitung beschrieben. So wird gezeigt, dass
      Übergänge zwischen drei wahrgenommenen Interpretationen – ein
      vergleichsweise selten untersuchtes Phänomen, da Rivalität
      meist mit zweideutigen Reizen untersucht wird –
      vorhersehbaren Mustern folgen (Kapitel 2). Darüber hinaus
      zeigt sich, dass derartige Übergänge spezifische
      Eigenschaften aufweisen, welche die Geschwindigkeit und die
      Richtung ihrer räumlichen Ausbreitung im visuellen Feld
      bestimmen (Kapitel 3). Diese Eigenschaften der Mehrdeutigkeit
      werden weiterhin stark von Aufmerksamkeit und anderen,
      introspektiven Prozessen beeinflusst. Um die der Rivalität in
      der Wahrnehmung tatsächlich zugrundeliegenden Prozesse und
      die damit verbundenen Änderungen des Bewusstseins von
      derartigen subjektiven Prozessen abzugrenzen, müssen letztere
      kontrolliert oder sogar vollständig umgangen werden. Ein
      objektives Maß der Rivalität in der Wahrnehmung wird zur
      Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen und bietet eine wertvolle
      Alternative zu introspektivem Berichten über den
      Wahrnehmungszustand (Kapitel 4). Übergänge in der Wahrnehmung
      entstehen entlang einer bestimmten Merkmalsdimension des
      Reizes, wie beispielsweise der Orientierung des berühmten
      Neckerwürfels. Zudem kann auch eine Änderung in der
      Merkmalsdimension der Luminanz eine unterschiedliche
      Interpretation des Reizes hervorrufen. Es wird gezeigt, dass
      die Pupille kleiner wird, wenn eine Interpretation mit hoher
      Luminanz die Wahrnehmung übernimmt, und umgekehrt, dass die
      Pupille größer wird, wenn eine Interpretation mit niedriger
      Luminanz die Wahrnehmung übernimmt. Folglich kann die Pupille
      als ein zuverlässiges und objektives Maß für Änderungen in
      der Wahrnehmung verwendet werden. Durch die Verwendung
      solcher objektiven Maße konnten neue Eigenschaften der
      Übergänge in der Wahrnehmung aufgezeigt werden, welche die
      Theorie unterstützen, dass Introspektion die der Verarbeitung
      mehrdeutiger Situationen zugrundeliegenden Prozesse merklich
      beeinflussen kann. Als Nächstes wurden mehrdeutiger Reize im
      Zusammenhang mit der Wahrnehmung von Objekten eingesetzt
      (Kapitel 5). Am Beispiel der Kippfigur des "bewegten
      Diamanten" wird dabei die Bedeutung von mehrdeutigen Reizen
      veranschaulicht. Beim bewegten Diamanten werden zwei
      Interpretationen wahrgenommen, die sich entlang der Dimension
      der Objektkohärenz abwechseln. Das bedeutet, dass die
      Wahrnehmung zwischen einem einzelnen zusammenhängenden Objekt
      (Diamant) und mehreren unzusammenhängenden Komponenten kippt.
      Es wird gezeigt, dass die Interpretation des Reizes als ein
      einziges kohärentes Objekt, verglichen mit der Interpretation
      als mehrere Komponenten, zu einer Erhöhung der visuellen
      Empfindlichkeit innerhalb des Objektes führt. Diese
      Ergebnisse sind ein Beleg dafür, wie die Aktivierung einer
      Interpretation eines Reizes als Einzelobjekt (im Vergleich
      zur Komponentenwahrnehmung) dazu führt, dass die
      Aufmerksamkeit top-down zu den relevanten Bereichen des
      Gesichtsfeldes gelenkt wird. Es wird weiter untersucht,
      welche Eigenschaften des Reizes zu einer bottom-up
      Aktivierung der Interpretation solcher Objekte beitragen
      (Kapitel 6). Die Mehrdeutigkeit von Objekten kann erfolgreich
      aufgehoben werden, indem man einen starken Kontrast in
      Luminanz oder Farbe zwischen dem Objekt und dem Hintergrund
      erzeugt. Auch die Größe und die Form haben einen großen
      Einfluss auf die Detektion und Identifikation von Objekten.
      Des Weiteren sind die Eigenschaften eines Objektes nicht nur
      bestimmend für die Erfolgsquote bei der Objekterkennung,
      sondern ebenso bedeutend für die Speicherung der
      Repräsentation im Gedächtnis, beispielsweise von neu
      wahrgenommenen Objekten. Das Klassifizieren von Objekten
      durch die Versuchsperson wird ebenfalls durch Mehrdeutigkeit
      beeinflusst. So kann ein Objekt der Versuchsperson einerseits
      als neu erscheinen, obwohl es bereits bekannt war, weil es
      beispielsweise der Versuchsperson schon einmal gezeigt worden
      ist. Andererseits kann auch ein eigentlich unbekanntes Objekt
      der Versuchsperson dennoch vertraut vorkommen. In dieser
      Arbeit wird gezeigt, dass solche subjektiven Effekte einen
      Einfluss auf die Pupillengröße haben (Kapitel 7). Außerdem
      verkleinert sich die Pupille der Versuchspersonen beim
      Betrachten neuer Bilder stärker als bei bekannten. Ein
      ähnlicher Effekt wird gefunden, wenn das Bild vorher
      erfolgreich im Gedächtnis gespeichert wurde. Daher ist es
      wahrscheinlich, dass die Pupille die Verfestigung von neuen
      Objekten im Gedächtnis widerspiegelt. Abschließend wird
      untersucht, ob sich kognitive Prozesse, wie
      Entscheidungsfindung – ein wichtiger Prozess, falls mehreren
      Optionen zur Verfügung stehen und Mehrdeutigkeit aufgehoben
      werden soll – auch in der Pupille widerspiegeln (Kapitel 8).
      Es wird zunächst bestätigt, dass die Pupillen sich erweitern,
      nachdem man eine Entscheidung getroffen hat. Neu wird
      gezeigt, dass diese Pupillenausdehnungen erfolgreich von
      anderen Personen erkannt und verwendet werden können, um ein
      interaktives Spiel gegen die erste Person (den "Gegner") zu
      gewinnen. Insgesamt wird in dieser Dissertation untersucht,
      wie mehrdeutige Reize die Wahrnehmung beeinflussen und wie
      Mehrdeutigkeit verwendet werden kann, um Prozesse des Gehirns
      zu studieren. Es hat sich gezeigt, dass Mehrdeutigkeit
      vorhersehbaren Mustern folgt, sie objektiv mit Reflexen
      gemessen werden kann, und Einblicke in neuronale Prozesse wie
      Aufmerksamkeit, Objektwahrnehmung und
      Entscheidungsmechanismen liefern kann. Diese Ergebnisse
      zeigen, dass Mehrdeutigkeit eine zentrale Eigenschaft
      sensorischer Systeme ist, und Lebewesen in die Lage versetzt,
      mit ihrer Umwelt flexibel zu interagieren. Mehrdeutigkeit
      macht das Verhalten vielfältiger, ermöglicht es dem Gehirn,
      mit der Welt auf verschiedenen Wegen zu interagieren, und ist
      die Basis der Dynamik von Wahrnehmung, Interpretation und
      Entscheidung.