Psychophysics and perceptual decision-making based on a feature continuous motion judgment task

Abstract

Perceptual decision-making constitutes a fundamental cognitive task in daily life, requiring constant utilization of sensory perception to accumulate evidence about the world's state and adjust one’s behavior accordingly. Traditional experimental setups often request subjects to make decisions based on a limited set of alternatives, such as determining the direction of motion stimuli (e.g., left or right). However, the human sensory system inherently operates continuously, allowing perception of motion directions spanning from 0° to 360°. Evaluating perception on a continuous scale provides an opportunity to understand the underlying processes in greater detail. Despite the growing prominence of probing perception continuously, the impact of stimuli and re-porting methods on continuous judgments remains unclear. To address this gap, we adapted a classical categorical motion judgment task, widely employed in perceptual decision-making, to a feature-continuous framework. Our initial study examined the influence of two continuous reporting methods and three versions of a typical motion stimulus, the random dot kinematogram (RDK), on subjects' behavioral responses. We discovered that a pure motor-based response method led to reporting anisotropies and two types of biases absent when using a novel visual-based response method, which yielded more precise responses. Additionally, perceptual distinctions between the tested RDKs and a novel misperception were identified, phenomena not reported in prior experiments utilizing categorical tasks. Our second study extended the feature-continuous design to a neuroimaging experiment using functional magnetic resonance imaging (fMRI). Employing a Brownian motion-based RDK and a visual-based report method, we observed that primarily early visual regions in the occipital pole and not higher brain regions conveyed continuous stimulus and choice-related information. The analysis of the concurrently recorded gaze data suspends the suggestion that these results were originating from attentional confounds. The dissertation results underscore the advantages of a continuous experimental framework over the categorical when investigating continuous sensory perception. Furthermore, it emphasizes the potential impact of stimulus and report methods on the interpretation of behavioral and cognitive aspects of perceptual decisions.

Die Entscheidungsfindung ist eine grundlegende kognitive Aufgabe des täglichen Lebens. Dabei benutzt der Mensch seine Sinne, um den Zustand der umgebenden Welt zu analysieren und das Verhalten daran anzupassen. Traditionelle Experimente zur Untersuchung der Entscheidungsfindung basierten auf einer begrenzten Anzahl von alternativen Entscheidungsmöglichkeiten. Zum Beispiel musste eine Versuchsperson unterscheiden, ob sich ein Objekt nach links oder rechts bewegt. Viele der menschlichen Sinneswahrnehmungen funktionieren jedoch kontinuierlich, ermöglichen also beispielsweise die Unterscheidung von allen Bewegungsrichtungen zwischen 0° und 360°. Auf diese Fähigkeiten angepasste kontinuierliche Experimente erlauben eine detailliertere Aufschlüsselung des menschlichen Verhaltens und werden nun häufiger angewendet. Der Einfluss von Stimuli und Reportmethoden auf das gemessene Verhalten in solchen kontinuierlichen Experimentaldesigns ist jedoch noch unklar. Um diese zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein Entscheidungsfindungsparadigma von einem kategorischen auf ein kontinuierliches Framework adaptiert. Hier mussten die Versuchspersonen die Bewegungsrichtung einer Punktewolke (im englischen Random Dot Kinematogram, RDK) bestimmen. Die Untersuchung verschiedener Reportmethoden zeigte, dass motorbasierte Reportmethoden einerseits ungenauer sind und andererseits Anisotropien bedingten, während visuell basierte Reportmethoden präzisere Antworten lieferten. Zudem konnten Wahrnehmungsunterschiede zwischen verschiedenen Implementationen der RDKs und eine neue Fehlwahrnehmung aufgezeigt werden, welche mit den klassischen kategorischen Experimentaldesigns nicht feststellbar waren. Die gewonnenen Erkenntnisse wurde in einer folgenden Studie dazu genutzt, die an der Entscheidungsfindung beteiligte Hirnareale mittels funktionaler Magnetresonanztomografie zu definieren. Unter Verwendung eines RDKs und einer visuell basierten Reportmethode konnte festgestellt werden, dass hauptsächlich Regionen des visuellen Kortex kontinuierliche Stimulus und Entscheidungsinformationen trugen. Durch die Auswertung der gleichzeitig aufgezeichneten Augenbewegungen konnte außerdem gezeigt werden, dass diese Ergebnisse nicht auf Aufmerksamkeitsartefakten beruhten. Hier wurden primär höhere Regionen, wie der Parietallappen, für Wahrnehmungsentscheidungen verantwortlich gemacht.