Bifurcation Study of a Neural Fields Competition Model with an Application to Perceptual Switching in Motion Integration - Archive ouverte HAL Access content directly
Reports (Research Report) Year : 2013

Bifurcation Study of a Neural Fields Competition Model with an Application to Perceptual Switching in Motion Integration

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Abstract

The phenomenon of perceptual multistability in which alternate interpretations of a fixed stimulus are perceived intermittently is an active area of research and the underlying mechanisms that gate perception are little understood. Numerical tools from bifurcation analysis are applied to the study of a competition model posed as a feature-only neural field equation. In the absence of input the model with a spike-frequency adaptation mechanism has been shown to produce an array of complex spatio-temporal dynamics local to a Bogdanov-Takens point. Here, we demonstrate how, with the introduction of an input, the organisation of solutions in parameter space changes via symmetry breaking. The model is then used to investigate a more complex stimulus in the context of motion integration that is multistable in terms of its perceived direction of motion, the so-called multistable barber pole, which has been the subject of concurrent psychophysics experiments. We bring the model to an operating regime where known physiological response properties are reproduced whilst also working close to bifurcation. We find that in this regime the model is able to account for characteristic behaviour from experiment in terms of the type of switching observed and changes in the rate of switching with respect to contrast. In this way, the modelling study sheds light on the underlying mechanisms that drive perceptual switching in different contrast regimes. The general approach presented is applicable to a broad range of perceptual competition problems in which spatial interactions play a role.
Le phénomène de multistabilité perceptive au cours duquel plusieurs interprétations d'un même stimulus alternent est un domaine de recherche actif et les mécanismes sous-jacent qui guident cette perception restent mal compris. Dans ce papier, les outils numériques d'analyse de bifurcations sont appliqués à l'étude d'un modèle de compétition décrit dans le cadre des champs neuronaux. En l'absence d'entrée et avec un mécanisme d'adaptation de type spike-frequency, le modèle produit un ensemble de dynamiques spatio-temporelles complexes au voisinage d'un point de Bogdanov-Takens. Dans ce papier, nous montrons comment, avec l'introduction d'une entrée, l'organisation des solutions dans l'espace des paramètres change via la cassure de symétrie. Le modèle est ensuite utilisé pour étudier un stimulus plus complexe dans le cadre de l'intégration de mouvement qui est multistable en terme de direction perçue du mouvement. Ce stimulus est le barber pole et une étude psychophysique a été menée simultanément. Nous plaçons le modèle dans un régime de fonctionnement où les propriétés physiologiques des réponses sont reproduites, tout en travaillant également à proximité de la bifurcation. Nous trouvons que dans ce régime, le modèle est capable de rendre compte des comportements caractéristiques observés expérimentalement, en terme de nature des changements perceptifs et du taux de changements en fonction du contraste. Cette étude met en lumière les mécanismes sous-jacents qui entrainent les changements perceptifs en fonction du contraste. L'approche générale présentée est applicable à un large éventail de problèmes de compétition au niveau perceptif pour lesquels les interactions spatiales jouent un rôle.
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Dates and versions

hal-00783525 , version 1 (01-02-2013)

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  • HAL Id : hal-00783525 , version 1

Cite

James Rankin, Andrew I. Meso, Guillaume S. Masson, Olivier Faugeras, Pierre Kornprobst. Bifurcation Study of a Neural Fields Competition Model with an Application to Perceptual Switching in Motion Integration. [Research Report] RR-8220, INRIA. 2013, pp.37. ⟨hal-00783525⟩
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