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Functional Imaging with Reinforcement, Eyetracking, and Physiological Monitoring

We use functional brain imaging (fMRI) to study neural circuits that underlie decision-making.  To understand how outcomes affect decision processes, ...

When a visual stimulus suddenly appears, it captures attention, producing a transient improvement of performance on basic visual tasks. We investigate the effect of transient attention on stimulus representations in early visual areas using rapid event-related fMRI. Participants discriminated the orientation of one of two gratings preceded or followed by a nonpredictive peripheral cue. Compared to control conditions, precueing the target location improved performance and produced a larger fMRI response in corresponding retinotopic areas. This enhancement progressively increased from striate to extrastriate areas. Control conditions indicated that the enhanced fMRI response was not due to sensory summation of cue and target signals. Thus, an uninformative precue increases both perceptual performance and the concomitant stimulus-evoked activity in early visual areas. These results provide evidence regarding the retinotopically specific neural correlate for the effects of transient attention on early vision.

Transient attention enhances perceptual performance and FMRI response in human visual cortex.

Transient Aufmerksamkeit steigert Wahrnehmungsleistung-und fMRT-Antwort in der menschlichen Sehrinde.

Transient covert attention increases contrast sensitivity at the target location with an informative spatial cue. Here we explored whether an uninformative spatial cue (50% valid with two possible locations) also increases contrast sensitivity and whether contrast sensitivity is altered at the uncued location as compared to the neutral condition. For all four observers, transient covert attention had both a benefit and a cost: it enhanced contrast sensitivity at the cued location and impaired contrast sensitivity at the uncued location at both parafoveal and peripheral positions. These results are consistent with the idea of limited resources, and indicate that transient attention helps control the expenditure of cortical computation.

Attention enhances contrast sensitivity at cued and impairs it at uncued locations.

Achtung verbessert Kontrastempfindlichkeit bei cued und beeintr&#xE4;chtigt es bei uncued Standorten.

Attention and adaptation are both mechanisms that optimize visual performance. Attention optimizes performance by increasing contrast sensitivity for and neural response to attended stimuli while decreasing them for unattended stimuli; adaptation optimizes performance by increasing contrast sensitivity for and neural response to changing stimuli while decreasing them for unchanging stimuli. We investigated whether and how the adaptation state and the attentional effect on contrast sensitivity interact. We measured contrast sensitivity with an orientation-discrimination task, in two adaptation conditions--adapt to 0% or 100% contrast--in focused, distributed, and withdrawn attentional conditions. We used threshold and asymptotic performance to index the magnitude of the attentional effect--enhancement or impairment in contrast sensitivity--before and after adapting to high-contrast stimuli. The results show that attention and adaptation affect the contrast psychometric function in a similar but opposite way: Attention increases stimulus salience, whereas adaptation reduces stimulus salience. An interesting finding is that the adaptation state does not modulate the magnitude of the attentional effect. This suggests that attention affects the normalized signal once the effect of contrast adaptation has taken place and that these two mechanisms act separately to change contrast sensitivity. Attention can overcome adaptation to restore contrast sensitivity.

How do attention and adaptation affect contrast sensitivity?

Aufmerksamkeit und Anpassung sind beide Mechanismen, die die visuelle Leistung zu optimieren. Aufmerksamkeit optimiert die Leistung durch Erh&ouml;hung der Kontrastempfindlichkeit f&uuml;r und neuronale Reaktion auf bewachten Reize gleichzeitig reduzieren sie f&uuml;r unbeaufsichtigte Reize; Anpassung optimiert die Leistung durch Erh&ouml;hung der Kontrastempfindlichkeit f&uuml;r und neuronale Reaktion auf wechselnde Reize gleichzeitig reduzieren sie f&uuml;r unver&auml;nderliche Reize. Wir untersuchten, ob und wie der Anpassung-Staat und die syn&auml;sthetischen Wirkung auf Kontrastempfindlichkeit interagieren. Wir Ma&szlig;en Kontrast Empfindlichkeit mit einer Aufgabe, Orientierung-Diskriminierung, zwei Anpassung Bedingungen--an 0 % oder 100 % Kontrast--konzentriert, verteilte und zur&uuml;ckgezogene syn&auml;sthetischen Bedingungen anzupassen. Wir verwendet Schwellenwert und asymptotische Leistung, um das Ausma&szlig; der syn&auml;sthetischen ab--Erweiterung oder Beeintr&auml;chtigung der Kontrastempfindlichkeit--vor und nach der Anpassung an hohe Kontraste Reize zu indizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass Unterst&uuml;tzung und eine Anpassung die Kontrast psychometrische Funktion in einer &auml;hnlichen aber gegen&uuml;ber Weise beeinflussen: Aufmerksamkeit erh&ouml;ht Reiz hervortreten, w&auml;hrend Anpassung Reiz hervortreten reduziert. Eine interessante Erkenntnis ist, dass der Anpassung-Staat nicht die Gr&ouml;&szlig;enordnung des Effekts syn&auml;sthetischen modulieren. Dies deutet darauf hin, dass Aufmerksamkeit beeinflusst das normalisierte Signal, sobald die Wirkung der Kontrast Anpassung stattgefunden hat und dass diese beiden Mechanismen separat handeln, um die Kontrastempfindlichkeit &auml;ndern. Aufmerksamkeit &uuml;berwinden Anpassung um Kontrastempfindlichkeit wiederherzustellen.

Wie wirken Unterst&uuml;tzung und eine Anpassung Kontrastempfindlichkeit?

Human psychophysics and monkey physiology studies have shown that attention modulates early vision - contrast sensitivity and processing. But how can we bridge the effects of attention on perceptual performance to their neural underpinnings? Here we implement a population-coding model that estimates attentional effects on population contrast response given psychophysical data. Model results show that whereas endogenous (sustained, voluntary) attention changes population contrast-response via contrast gain, exogenous (transient, involuntary) attention changes population contrast-response via response gain.

A population-coding model of attention's influence on contrast response: Estimating neural effects from psychophysical data.

Menschliche Psychophysik und Affe Physiologie-Studien haben gezeigt, dass Aufmerksamkeit fr&uuml;he Vision - Kontrastempfindlichkeit und Verarbeitung moduliert. Aber wie k&ouml;nnen wir die Auswirkungen der Aufmerksamkeit auf wahrnehmbare Leistung zu ihrer neuronalen Grundlagen &uuml;berbr&uuml;cken? Hier setzen wir ein Bev&ouml;lkerung-Codierung Modell, das den syn&auml;sthetischen Auswirkungen auf die Bev&ouml;lkerung Kontrast Antwort Psychophysikalische Daten sch&auml;tzt. Modellergebnisse zeigen, dass w&auml;hrend endogene (nachhaltig, freiwillige) Aufmerksamkeit Bev&ouml;lkerung Kontrast-Antwort per Kontrast-Verst&auml;rkung &auml;ndert, exogene (transient, unfreiwillige) Aufmerksamkeit Bev&ouml;lkerung Kontrast-Antwort per Antwort-Gewinn &auml;ndert.

Bev&ouml;lkerung-Codierung Modell Aufmerksamkeit des Einflusses auf Kontrast Antwort: Absch&auml;tzung von neuronale Effekten von psycho-physischen Daten.

Covertly attending to a stimulus location increases spatial acuity. Is such increased spatial acuity coupled with a decreased acuity at unattended locations? We measured the effects of exogenous (transient and involuntary) and endogenous (sustained and voluntary) attention on observers' acuity thresholds for a Landolt gap resolution task at both attended and unattended locations. Both types of attention increased acuity at the attended and decreased it at unattended locations relative to a neutral baseline condition. These trade-off findings support the idea that limited processing resources affect early vision, even when the display is impoverished and there is no location uncertainty. There was no benefit without a cost.

Attention trades off spatial acuity.

Teilnahme an heimlich an einen Reiz-Speicherort erh&ouml;ht r&auml;umliche Sch&auml;rfe. So erh&ouml;hte r&auml;umliche Sch&auml;rfe gepaart mit einer verminderten Sehsch&auml;rfe an unbeaufsichtigten Standorten ist? Wir messen die Auswirkungen der exogenen (transient und unfreiwillige) und endogene (nachhaltiges und freiwillige) Aufmerksamkeit auf Beobachter Sch&auml;rfe Schwellenwerte f&uuml;r Landolt L&uuml;cke Aufl&ouml;sung Aufgaben auf beide besuchte und unbeaufsichtigte Standorte. Beide Arten von Aufmerksamkeit erh&ouml;hte Sch&auml;rfe bei der beaufsichtigten und verringerte es an unbeaufsichtigten Standorten im Vergleich zu einer neutralen Ausgangszustand. Dieser Kompromiss-Ergebnisse unterst&uuml;tzen die Idee, die Verarbeitung zu begrenzten Ressourcen auswirken fr&uuml;he Vision, auch wenn die Anzeige verarmt und es keine Lage Ungewissheit gibt. Es gab keinen Vorteil ohne Kosten.

Aufmerksamkeit Handwerks aus r&auml;umlichen Sch&auml;rfe.

The computational processes by which attention improves behavioral performance were characterized by measuring visual cortical activity with functional magnetic resonance imaging as humans performed a contrast-discrimination task with focal and distributed attention. Focal attention yielded robust improvements in behavioral performance accompanied by increases in cortical responses. Quantitative analysis revealed that if performance were limited only by the sensitivity of the measured sensory signals, the improvements in behavioral performance would have corresponded to an unrealistically large reduction in response variability. Instead, behavioral performance was well characterized by a pooling and selection process for which the largest sensory responses, those most strongly modulated by attention, dominated the perceptual decision. This characterization predicts that high-contrast distracters that evoke large responses should negatively impact behavioral performance. We tested and confirmed this prediction. We conclude that attention enhanced behavioral performance predominantly by enabling efficient selection of the behaviorally relevant sensory signals.

Attentional enhancement via selection and pooling of early sensory responses in human visual cortex.

Die Rechenprozesse die Aufmerksamkeit verbessert die verhaltensbasierte Leistung zeichneten sich durch Messung der visuelle kortikale Aktivit&auml;t mit funktionelle Magnetresonanztomographie, wie Menschen eine Kontrast-Diskriminierung-Aufgabe mit fokalen und verteilte Aufmerksamkeit durchgef&uuml;hrt. Fokale Aufmerksamkeit hat robuste Leistungsverbesserungen Verhaltens begleitet von Erh&ouml;hungen der kortikalen Antworten ergeben. Quantitative Analyse ergab, dass wenn Leistung nur durch die Empfindlichkeit der gemessenen sensorische Signale begrenzt wurden, die Leistungsverbesserungen Verhaltens eine unrealistisch gro&szlig;e Reduktion in Antwort Variabilit&auml;t entsprach haben w&uuml;rde. Verhaltensbasierte Leistung zeichnete stattdessen gut durch ein pooling und Auswahl-Prozess, wof&uuml;r die gr&ouml;&szlig;ten sensorischen Antworten, die am st&auml;rksten durch Aufmerksamkeit, moduliert die wahrnehmbare Entscheidung dominiert. Diese Charakterisierung prognostiziert, dass die kontrastreiche Distracters, die gro&szlig;e Antworten evozieren die verhaltensbasierte Leistung beeintr&auml;chtigen sollte. Wir haben getestet und best&auml;tigt diese Vorhersage. Wir schlie&szlig;en, dass Aufmerksamkeit Verhaltens Leistung &uuml;berwiegend durch effiziente Auswahl der behaviorally relevanten sensorische Signale verbessert.

Article	Year
Transient attention enhances perceptual performance and FMRI response in human visual cortex. Neuron\| PubMed ID: 15694332	2005
Attention enhances contrast sensitivity at cued and impairs it at uncued locations. Vision research\| PubMed ID: 15797776	2005
How do attention and adaptation affect contrast sensitivity? Journal of vision\| PubMed ID: 17685805	2007
A population-coding model of attention's influence on contrast response: Estimating neural effects from psychophysical data. Vision research\| PubMed ID: 18926845	2009
Attention trades off spatial acuity. Vision research\| PubMed ID: 19385088	2009
Attentional enhancement via selection and pooling of early sensory responses in human visual cortex. Neuron\| PubMed ID: 22153378	2011

Franco Pestilli

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