Bistable perception is an intriguing phenomenon whereby the interpretation of ambiguous visual signals alternates spontaneously between two possible states. Often, the alternation of states is observed to be fairly periodic with a consistent phase duration of each state. This specific temporal features of bistable perception may provide insight into the dynamics of perceptual processing for incomplete sensory information, so for this reason, it has been extensively studied. However, the exact mechanism of bistable perception is still elusive. So far, it has been unknown whether the frequency of phase alternation is simply determined by given visual stimuli or is independent of stimuli and reflects internal parameters instead. Also, it has been unclear how this frequency can be altered by other sensory modalities such as auditory noise. To address this issue, we performed a series of psychophysics experiments on bistable perception with various visual stimuli, and with and without acoustic noise.
First, we measured the phase duration of bistable perception for three types of visual stimuli. We observed an identical log-normal distribution of phase duration time within each individual, which suggests that the frequency of phase alternation is fairly consistent across stimuli. Second, we statistically showed that acoustic tone can alter perception, which shows possibility that other sensory stimuli can alter temporal dynamics. Lastly, when continuous acoustic noise was introduced during the experiments, the phase duration of most subjects was systematically modulated in a way that variation across subjects was significantly reduced, indicating that visual perception under ambiguous conditions can be significantly altered by multi-modal noise.
To explain these psychophysical experiment results, we built a conceptual model that could explain the bistable perception mechanism and multi-modal integration process. Our simulation suggests that our observation can be achieved from the combined contribution of external noise and the internal modulation of neural activity. Our results reveal that bistable perception may be a multimodal integrated process involving both upstream and downstream neural activity.
쌍 안정 지각(Bistable Perception)이란 두 가지로 해석할 수 있는 모호한 시각적 자극이 주어졌을 때, 자극에 대한 인지가 두 가지 해석 사이에서 번갈아 바뀌는 현상을 말한다. 이러한 쌍 안정 지각에서는 인지가 주기적으로 바뀌는 특징을 가지고 있으며, 이 시간적 동적 특성을 이해하는 것은 사람의 뇌가 어떻게 불완전한 정보를 처리하는지에 대한 큰 단서를 줄 수 있어 많은 연구가 진행되어 왔다. 하지만, 쌍 안정 지각이 일어나는 정확한 기작은 정확하게 밝혀지지 않았으며, 주기적인 인지 변화가 외부 자극에 의해 결정이 되는 것인지(bottom-up) 또는 자극과는 관련 없이 뇌의 어떤 내부적 특징에 의해 정해지는 것인지(top-down)도 불분명하다. 더 나아가 시각적 인지가 다른 감각에 의해서 바뀔 수 있는지도 정확히 밝혀지지 않았다. 이러한 점을 밝혀내기 위해, 우리는 일련의 심리물리학 실험을 통하여 여러 가지 시각적 자극을 통해 쌍 안정 지각을 이해하고, 청각 자극이 시각 인지에 어떤 영향을 미치는지 연구하였다.
첫째로, 우리는 세 가지 모호한 시각적 자극을 이용하여, 각 자극에서 인지의 지속 시간을 측정하였다. 세 가지 자극 모두에서 인지의 지속 시간(phase duration)이 log-normal 분포를 보이는 것을 확인하였고, 각각의 실험자 안에서는 자극에 관계 없이 인지 지속 시간이 비슷하다는 것을 확인할 수 있었다. 둘째로, 우리는 짧은 청각 자극이 인지의 변화를 바꿀 수 있다는 사실을 통계적으로 보였으며, 마지막으로는 지속적인 청각 소음이 주어졌을 때, 실험자들의 인지 지속 시간의 변화가 특별한 규칙을 가지고 변화하는 것을 관찰하였다. 이러한 일련의 실험으로 모호한 자극의 시각적 인지는 공감각적 자극에 의해서 특정한 경향성을 가지고 변화한다는 사실을 밝혀내었다.
이러한 실험 결과를 설명하기 위해서, 우리는 쌍 안정 지각을 설명할 수 있는 시뮬레이션 모델을 만들었으며, 이 모델을 통해서 실험결과를 설명하고자 하였다. 이 모델에서 공감각적인 신호를 처리하기 위해서는 외부에서부터 전해지는 신호 (bot-tom-up)와 뇌의 내부 상태(top-down)가 동시에 변화해야 실험 결과를 설명할 수 있었으며, 이를 통해 쌍 안정 지각은 top-down과 bottom-up의 복합적인 과정을 필요로 한다고 주장할 수 있다.
