The human brain integrates time-varying sensory information to perceive the external world, and utilize perceived information to act. However, due to short presentation or high signal-to-noise ratio, sensory information may not be perfectly given for accurate perception. Under this condition, the brain often actively perceives the ambiguous information. Understanding how sensory stimulus is integrated and how integrated evidence is transformed into behavior was considered important in neuroscience, not only to understand the human cognitive process but it provides critical insight into cognitive diseases and ultimately provide key to resolve cognitive dysfunction. To understand the underlying process of active visual perception, we focused on two behavior characteristics, 1) the interpretation of information periodically alternates over time, and 2) the period of interpretation alternation largely varies from individual to individual – during active visual perception. Especially, the relationship between the distinct perceptual behavior and time course of information integration was focused, and neurological factors that determine the information integration time was explored that may eventually control individual perceptual decision. First, the time of information integration was quantitatively measured, by analyzing rotational perception while random dot stimulus was given to a human. We found that the information integration time largely varies between 1 second to 4 seconds across individuals, and the time was robustly maintained regardless of external stimulus type. The information integration time was positively correlated to the period of bistable alternation behavior, and a computational model could accurately suggest how individual perceptual accuracy of a given stimulus can be optimized. Next, to find a specific neurological factor that determines the information integration time, we hypothesized that eye movements may induce intrinsic time course of perceptual behavior. Using various bistable perception experiments, we found that specific eye movement patterns always precede the different perceptual states, which could accurately predict the perceptual behavior of an ambiguous stimulus. We also found that slow rhythmic eye gaze oscillation during bistable perception, which period is positively correlated to the period of perceptual behavior change. Moreover, the frequency of saccadic (and micro-saccadic) eye movement during free viewing was positively correlated to the period of perceptual behavior, which implies that intrinsic temporal dynamics of the eye movement circuit is closely related to active perception. However, we found that manipulating eye movement without intentional control does not induce altered behavior, suggesting eye movement may not induce the perceptual decision, but only reflects the intrinsic temporal profile. Taken together, I have shown that active perception of ambiguous visual stimulus can be accurately predicted by information integration time and rhythmic eye gaze patterns, and how two factors contribute to individual perceptual behavior change
사람의 뇌는 시간적으로 변하는 감각 정보를 수집하여 외부 세상을 인지하고 이를 토대로 행동을 결정한다. 하지만 시간 제한 혹은 높은 잡음 등에 의해 주어진 감각 정보를 토대로 정확한 인지를 하기 어려운 경우, 뇌는 불완전한 정보에 개인의 해석을 추가하여 자극을 인지하곤 한다. 이러한 능동적인 시각 인지 과정에서 일어나는 감각 정보의 수집 기작을 밝히는 것은 단순히 사람의 인지 행동을 이해하는 것뿐만 아니라, 여러 인지 행동 장애의 원인을 파악하고 인지 장애를 치료할 수 있는 핵심 기작을 제시한다는 점에서 뇌과학에서 중요한 의미를 가진다. 본 학위논문에서는 능동적인 시각 인지 결정의 기작을 이해하기 위해, 불완전한 정보의 인지 도중 감각 정보를 수집 하는 시간 변화에 따른 인지 행동 변화를 설명하고, 정보 수집 시간을 결정하는 뇌 신경학적인 요소를 탐구하였다. 우선, 시간에 따라 정보의 양이 변화하는 무작위 점 자극에 대한 사람의 회전 운동 인지 행동을 분석하여, 뇌가 움직임을 인지하기 위해 수집하는 정보의 시간을 정량적으로 측정하였다. 측정된 정보 수집 시간은 개인 간의 편차가 약 4배로 매우 크게 나타났으며, 외부 자극의 종류가 바뀌어도 개인의 정보 수집 시간은 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 개인의 정보 수집 시간과 능동적 인지 해석의 변화 주기가 정비례하는 것을 확인하고, 주어진 시각 자극에 대한 개인의 인지 행동을 정확하게 예측하는 모델을 세워 움직임을 더 정확하게 인지할 수 있는 자극을 개인에 맞춰 제시할 수 있었다. 다음으로는, 능동적인 인지 과정 중 하나인 착시 도중 발견된 특이한 안구 운동에 주목하여, 안구 운동이 능동적인 시각 인지 행동을 결정할 것이라는 가정을 세웠다. 여러 쌍안정인지 자극에서 공통적으로 발견된 사실은, 정보를 해석하기 직전에 특징적인 안구 운동 패턴이 발견되며, 인지 행동의 변화 주기와 안구 운동의 진동 주기가 높은 상관관계를 보인다는 것이다. 발견된 주기적 안구 운동 패턴을 통해 개인이 쌍안정인지 자극을 어떻게 인지할 것인지 정확하게 예측할 수 있었으며, 아무런 목적없이 이미지를 자유롭게 보는 상황에서의 단속 운동 빈도도 쌍안정인지 결정이 바뀌는 빈도와 높은 양의 상관관계를 보이는 것을 확인하였다. 하지만 안구 운동 패턴을 조절해도 인지 행동이 원하는 방향으로 변화하지 않는 것을 확인하여, 안구 운동은 인지 행동을 주로 유도하기보다는 개인 고유의 정보 수집 시간 등을 잘 나타낸다는 사실을 확인하였다. 종합하여, 본 연구에서는 개인의 정보 수집 시간과 안구 운동을 측정하여 능동적 시각 인지 도중 감각 정보 수집 기작을 설명하였다.
