Prior expectation has shown to be engaged with changes of neural activity in the sensory areas which were essentially responsive to the physical input of sensory stimuli. Predictive coding theory delineates neural responses in visual cognition by reciprocal signaling between two computational units; representation (R) unit representing prior information of upcoming stimuli and error (E) unit encoding unpredicted portion between the prior information and the actual input. However, it is little known how cortical responses reflect visual expecta-tion in temporal dynamics. We used functional magnetic resonance imaging (fMRI) to measure the blood oxy-gen level dependent (BOLD) signal in humans while evoking blockwise category-specific expectation (low, mid, high probability of face stimuli). At the same time, the tasks were manipulated to be orthogonal with the expec-tations, so that participants did not attend on a specific category. Simulated BOLD timeseries were computa-tionally modeled by the weighted sum of representation and error signals, together constituting predictive code, where representation units develop to minimize the activity of error units. Compared to the traditional percep-tion model, predictive coding best explained the real BOLD signal in the category selective regions. ROIs in the left retrosplenial cortex and right frontal pole were correlated with representation signal, and left middle frontal gyrus was correlated with erro signal, indicating reciprocal signaling of two units across cortical hierarchy. These results suggest that neural population dynamics are determined by predictive coding during perceptual expecta-tion, and results support the idea that the predictive coding accounts for the neural mechanism in visual perception.
인간 뇌의 시각 시스템은 감각 정보를 위계적, 병렬적으로 처리하여 인간이 환경과 상호작용을 하는데 중요한 기능을 수행한다. 효과적인 시 지각(visual perception)은 외부로부터 정보가 두뇌로 입력되는 상향식 전달 뿐만 아니라, 예상과 같은 인지기능을 표상하는 하향식 전달의 신호처리에 의해 이루어진다는 것이 최근 많은 연구를 통해 밝혀져 왔다. 시각 자극 예상은 시각 자극 처리시 관여하는 대뇌 영역의 신경활동에 변화를 일으키는데, 예상에 유효한 자극에 대해 감소한 뇌신경활성 현상이 나타나고, 자극 예상 만으로 관련 영역의 신경활성이 증가하는 현상이 보고되었다. 예측부호화(predictive coding)이론은 시 지각에 대한 대뇌의 신경메커니즘을 이론적, 정량적으로 모델링 함으로써, 위 현상에 대해 예상하는 사전 정보(prior information)가 두뇌에 표상(represent)되어있고, 사전 정보와 실제 주어지는 자극과의 오차(error)만을 전달하는 효율적인 정보 처리의 방식이 표상된 것으로 설명한다. 기존 연구들은 시각자극 예상 시 변화된 시각피질의 뇌신경활동을 조사하고 결과가 예측부호화 이론과 상응한다고 보고하였다. 그러나 시각 자극을 예상하는 동안 시각처리와 관여된 영역들의 자체적 정보 처리와 상호적 정보 교환이 시간에 따라 어떻게 이루어 지는지 대한 연구는 아직 부족한 상황이다. 따라서 본 연구는 시각 자극 예상 과제를 설계하여 얼굴, 집 자극이 나타날 확률을 다르게 하여 시각 자극 예상을 유도하고, 이 때 수반되는 뇌신경활동을 기능적 자기공명영상(fMRI)을 통해 기록, 분석하였다. 이를 통해, 각 얼굴과 집의 시각 정보를 처리하는 영역(Fusiform face area, parahippocampal place area)의 시간에 따른 뇌신경활동이 예측부호인 representation unit과 error unit의 가중 합으로 설명되고, 해당 영역의 예측부호 신호는 시각 자극 예상과제를 수행하고 있을 때 각 카테고리에 대해 활성화되는 영역의 활동과 관련이 있었다. 또한 representation unit은 좌측 팽대후부피질(retrosplenial cortex)과 우측 전두극(frontal pole), error unit은 좌측 중간전두이랑(middle frontal gyrus)의 활동과 유의하게 연관이 있는 결과를 얻었다. 본 연구의 결과를 통해 뇌가 외부 환경의 감각 자극과 상호작용하는 작동 기전에 대한 이해를 높일 수 있고, HCI등의 솔루션 개발 시 생체 신호로부터의 인지 기능 해독에 기여할 수 있다.
