Modelli neurocognitivi della percezione, psicofisica e detezione del segnale

Università di Roma Tor Vergata

Modelli neurocognitivi della percezione

Neuropsicologia e Modelli Cognitivi Francesca Strappini francescastrappini@gmail.com

Sensazione e Percezione

Introduzione

Sensazione e Percezione. Wolfe et al., Zanichelli, 2018 Capitolo I. Introduzione

Psicofisica

• La psicofisica è stata definita l'analisi dei processi percettivi (intensi nel senso di esperienza percettiva e risposta comportamentale) studiati attraverso la variazione sistemativa delle proprietà di uno stimolo lungo una o più delle sue dimensioni fisiche (Bruce et al., 1996)
• La psicofisica può essere applicata a molto domini ma classificamente si è focalizzata sullo studio dei processi sensoriali primari
• Metodo delle soglie
• Metodo dello scaling
• La teoria della detezione del segnale Teorema di Bayes

Sensazione e Percezione. Wolfe et al., Zanichelli, 2018 Capitolo I. Introduzione

Psicofisica e meccanismi neuronali

• Fin dai suoi esordi la psicofisica ha formulato postulati sui meccanismi neuronali sottostanti che mettono in relazione gli stimoli fisici con la percezione. Questi includono il modo in cui l'informazione sensoriale viene codificata, il modo in cui questa viene influenzata da varie fonti di rumore, il modo in cui l'attività dei neuroni sensoriali viene convertita in un giudizio percettivo (ad esempio, attraverso un criterio decisionale), ecc ..
• Concetti come variabile decisionale e utilità, originariamente sviluppati nella psicofisica umana, hanno fornito un linguaggio per descrivere il funzionamento interno del cervello (Gold e Shadlen, 2007)

Psicofisica e neurofisiologia si influenzano a vicenda: le crescenti conoscenze fisiologiche consentono alla psicofisica moderna di formulare postulati sempre più dettagliati sui meccanismi neuronali.Sensazione e Percezione. Wolfe et al., Zanichelli, 2018 Capitolo I. Introduzione

La storia della psicofisica

• Gli psicofisici del XIX secolo utilizzavano spesso l'introspezione piuttosto che riportare misure quantitative. L'opera di Helmholtz (1867) non contiene funzioni psicometriche, piuttosto, il libro è costellato di osservazioni informali, compresi alcuni aneddoti affascinanti come questo sulla percezione delle dimensioni: "Ricordo ancora che una volta, da ragazzo, passando davanti al campanile di una chiesa, vidi delle persone sulla sua galleria che mi sembrarono delle bambole. Chiesi a mia madre di portarle giù per me, cosa che all'epoca credevo sarebbe stata in grado di fare se avesse allungato il braccio".
• Helmholtz descrive i suoi esperimenti e quelli di altri, non presentando i dati, ma invitando il lettore a verificarli con la propria esperienza. Questo illustra un altro assunto chiave di gran parte della psicofisica: esaminare gli aspetti più elementari e fondamentali della percezione umana, comuni a tutti gli esseri umani normalmente funzionanti, piuttosto che aspetti più sottili dell'esperienza umana che potrebbero fluttuare all'interno o tra gli individui. Ancora oggi, questo assunto è alla base del numero molto ridotto di soggetti spesso utilizzati negli studi psicofisici.

Sensazione e Percezione. Wolfe et al., Zanichelli, 2018 Capitolo I. Introduzione

Psicofisica moderna

• Tuttavia, la psicofisica moderna richiede generalmente giudizi oggettivi e quantitativi piuttosto che un resoconto verbale o un'introspezione. Il cuore di tutta la psicofisica moderna è la funzione psicometrica, in cui un aspetto quantitativo dello stimolo è correlato alla probabilità di un particolare giudizio. Questo viene spesso utilizzato per estrarre una soglia, in corrispondenza della quale la probabilità di un giudizio corretto supera un determinato livello
• La psicofisica è quasi sempre combinata con un framework matematico, come la teoria della detezione dei segnali. Un esempio classico è la legge di Weber/Fechner
• Weber (1846) osservò che la differenza appena percettibile tra due stimoli fisici, ad esempio la differenza minima di luminanza necessaria affinché una luce sia percepita come più luminosa dell'altra, tende a essere costante se espressa come percentuale dello stimolo di riferimento

Sensazione e Percezione. Wolfe et al., Zanichelli, 2018 Capitolo I. Introduzione

Gustav Theodor Fechner (1801-1887)

• Scienziato-filosofo, laureato in medicina e insegnante di fisica a Lispia, il suo maggior interesse era la relazione tra mente e materia
• All'interno del dibattito mente-corpo, tra dualisti e materialisti, Fechner propose che la mente fa parte di tutta la materia, animata e inanimata (panpsichismo) - libro "Nanna o sulla vita mentale delle piante"
• Malato al letto, il 22 Ottobre 1850 ("il giorno di Fechner"), ebbe l'intuizione di descrivere la relazione tra la sensazione (mente) e l'energia (materia) usando la matematica ("psicofisica")
• Gli studi di Fechner furono influenzati dagli studi sul tatto (soglia tattile di due punti di contatto) e sul peso degli oggetti effettuati da Weber

Sensazione e Percezione. Wolfe et al., Zanichelli, 2018 Capitolo I. Introduzione

Le soglie sensoriali

• Per Fechner, le scoperte più importanti di Weber riguardavano i giudizi di peso di oggetti. Weber chiedeva alle persone di sollevare un peso standard (cioè un peso che rimaneva uguale in una serie di prove sperimentali) e un peso di confronto, diverso da quello standard. Weber aumentava incrementalmente il peso di confronto nel corso di una serie di prove
• Weber scoprì che la capacità di una persona di rilevare la differenza tra peso standard e il peso di confronto dipendeva molto dal peso standard -> quando lo standard era leggero, le persone registravano prestazioni migliori
• SOGLIA ASSOLUTA: il più piccolo stimolo che può essere individuato (detezione) il 50% delle volte
• SOGLIA DIFFERENZIALE: la più piccola quantità di cambiamento dello stimolo fisico in grado di produrre una differenza appena percepibile (JND, Just noticible difference)

Sensazione e Percezione. Wolfe et al., Zanichelli, 2018 Capitolo I. Introduzione

La legge di Weber

• Weber: le soglie differenziali mutano in modo sistematico (es, la soglia differenziale di peso è sempre pari a 1/40 del peso standard)
• ds =KxS d -> soglia differenziale $ -> stimolo standard di riferimento K -> costante
• Esempio: se prendiamo in mano un peso da 40 gr (S) , la ds (JND) è di 1 gr. Se prendiamo 400 gr l'incremendo necessario è di 10 gr, ecc ... La costante (K = dS/S ) è uguale a 1/40= 10/400 = 0.025 (1/40)
• La legge di Weber ci dice che la dimensione fisica della soglia differenziale è una proporzione (K) del livello dello stimolo fisico

Sensazione e Percezione. Wolfe et al., Zanichelli, 2018 Capitolo I. Introduzione

La legge di Fechner

• Nella legge di Weber, Fechner trovò un modo per descrivere la relazione tra mente e materia. La soglia differenziale è l'unità di misura della mente, in quanto corrisponde al più piccolo cambiamento psicologico che può essere percepito p= klog S p -> percezione di uno stimolo k = costante S = livello dello stimolo fisico
• La relzione tra stimolo fisico e percezione è logaritmica (moltiplicata per una costante)
• l'esperienza psicologica di uno stimolo fisico (es., intensità della luce) aumenta meno rapidamente dell'effettivo aumentare dello stimolo fisico
• Fechner fu il primo a misurare i fenomeni psicologici e i suoi metodi sono ancora utilizzati in psicologia sperimentale

Intensità della sensazione (S) Intensità fisica dello stimolo (R)Sensazione e Percezione. Wolfe et al., Zanichelli, 2018 Capitolo I. Introduzione

Le soglie assolute nel mondo reale

Tabella 1.1 Soglie assolute nel mondo reale

Senso Soglia Vista La luce delle stelle o la fiamma di una candela a 50 kilometri di distanza in una notte buia e limpida Udito Il ticchettio di un orologio a 6 metri di distanza, senza altri rumori Sistema vestibolare Un'inclinazione di meno di mezzo minuto sul quadrante di un orologio Gusto Un cucchiaino di zucchero in 9 litri di acqua Odorato Una goccia di profumo in 3 stanze Tatto L'ala di una mosca che cade sulla guancia da un'altezza di 8 centimetri Fonte: E. Galanter, 1962. In New directions in psychology. T. Newcomb et al. (Eds.), Holt, Rinehart e Winston: New York.Sensazione e Percezione. Wolfe et al., Zanichelli, 2018 Capitolo I. Introduzione

Il metodo degli stimoli costanti

Vediamo alcuni metodi psicofisici attraverso l'esempio della misurazione della soglia assoluta

• Il metodo degli stimoli costanti richiede la somministrazione ripetuta di molti stimoli di intensità diversa presentati in modo casuale .
• La soglia non è un limite "rigido". A causa della variabilità del sistema nervoso, gli stimoli vicini alla soglia saranno a volte rilevati e a volte no
• E' semplice da usare ma è inefficiente perchè gran parte del tempo viene speso con stimoli che sono ben al di sopra o al di sotto della soglia

(A) 100 «Lo sento» Percentuale di volte in cui è stata segnalata la presenza 75 50 25 «Non lo sento» 0. 7 8 9 10 11 12 Livello dello stimolo (qualsiasi unità di misura) (B) 100 Percentuale di volte in cui è stata segnalata la presenza 75 Soglia 50 25 0 - 7 8 9 10 11 12 Livello dello stimolo (qualsiasi unità di misura) Figura 1.6 = Il metodo degli stimoli costanti Potremmo aspettarci che la soglia sia un passaggio netto nella de- tezione di uno stimolo, in cui si passa da "mai rilevato" a "sempre rilevato", come rappresentato qui (A), ma non è così. In realtà, gli esperimenti che misurano la soglia assoluta producono funzioni meno nette, che mettono in relazione lo stimolo con la risposta (B). La soglia (linea tratteggiata) è designata da un punto arbitrario sulla curva, spesso corrispondente al 50% delle rilevazioni.Sensazione e Percezione. Wolfe et al., Zanichelli, 2018 Capitolo I. Introduzione

Il metodo degli stimoli costanti: esempio

• Esempio: misurazione del neglect spaziale (o bias attentivo) utilizzando il compito di landmark A. Line Bisection Task 4 + 1000 - 1500 ms < 5000 ms B. Landmark Task + 1000 ms 150 ms < 5000 ms A B 1 All Subjects Psychometric Normal CDFs 0.9 Average Psychometric Normal CDF Proportion right-side longer Empirical Results 0.8 0.7 0.6 0.5 0.5 0.4 0.3 PSE 0.2 0.1 0 0 -0.90 -0.55 -0.28-0.14 0 0.14 0.28 0.55 0.76 -0.55 -0.28 -0.14 0 0.14 0.28 0.55 Stimulus Asymmetry (mm) Stimulus Asymmetry (mm) Proportion right-side longer 0.8 0.7 0.6 0.4 0.3| 0.2- 0.1 Time . Psychometric Normal CDF 0.9 . Average Empirical Results