Philosophy and Neuroscience Study Guide: Test 1

Can cognitive processes be inferred from neuroimaging data?

Churchland Neurophilosophy Introduction

∙ Excitable Cell – a cell that can pass a tiny electrical effect down its extent and that can be appropriately excited so that the organism may move, thereby feeding, fleeing, fighting,  or reproducing

∙ Our own brains are massive mounds of excitable cells

∙ In an attempt to understand our brains, certain intriguing problems arise such as how to  study the brain, how to conceive of what it is up to, and how our commonsense  conceptions of ourselves might fit with what we discover (examples of philosophical  problems) Don't forget about the age old question of What are the four questions banks are most interested in?

∙ Philosophical questions such as these span over a range of subject areas and as such it  may make no difference if asked by a philosopher or a neuroscientist as they are all part  of the same general investigation

What are the two ways to improve confidence in reverse inferences?

∙ What can or cannot be imagined by the empirical world is not independent of what is  already understood and believed about the empirical world

∙ Sustaining conviction of book: that top­down strategies and bottom­up strategies for  solving the mysteries of mind­brain function should not be pursued in icy isolation from  one another We also discuss several other topics like It is also known as translation exposure. what is it?

∙ For neuroscientists, a sense on how to get a grip on the big questions and of the  appropriate overarching framework with which to pursue hands­on research is essential  ∙ For philosophers, an understanding of what progress has been made in neuroscience is  essential to sustain and constrain theories about such things as how representations relate  to the world, whether representations are propositional in nature, how organisms learn,  whether mental states are emergent with respect to brain states, whether conscious states  are a single type of state, etc. 

Who proposed the idea of an autocerebroscope through which people could examine the activities of their brains?

Don't forget about the age old question of What are the divisions of italy?

∙ Guiding aim: to paint in broad strokes the outlines of a very general framework suited to  the development of a unified theory of the mind­brain. 

∙ Dualist argue: mind is a separate and distinct entity from the brain

∙ Want: unified theory about how the mind­brain works. We want a theory of how the  mind­brain represents whatever it represents and of the nature of the computational  processes of underlying behavior

∙ A characterization of the nature of representations is fundamental to answering how it is  that we can see or intercept a target or solve problems

Philosophy Meets the Neurosciences

∙ Philosopher Herbert Feigl proposed the idea of an autocerebroscope through which  people could examine the activities of their own brains.

∙ Positron Emission Tomography (PET) and functional magnetic resonance imaging  (fMRI) were tools for studying the brain that provided avenues for revealing which brain  areas are usually active when individuals perform specific tasks. This can help us better  understand which mental processes are involved in performing a given task.

∙ The idea that neurons constitute the basic functional, cellular units of the brain was not  widely accepted, until the beginning of the twentieth century, but this provided the  foundation for subsequent micro­level research

∙ Until recently, psychologists didn’t have access to the tools examining brain activity and  so had to rely on indirect measures We also discuss several other topics like What is a self-­fulfilling prophecy?

o 1. To measure the time it took for a subject to respond to a specific stimuli  (known as reaction time RT). 

o 2. Another was to note the error patterns that could be induced by manipulating  the conditions under which the stimuli were presented, from which researchers  could hypothesize about what operations the brain must be performing

∙ Psychologist George Miller and neurobiologist Michael Gazzaniga coined the term  cognitive neuroscience to designate the collaborative inquiry that integrates the  behavioral tools of the psychologist with the techniques for revealing brain function to  determine how the brain carries out the information processing that generates the  behavior.  Don't forget about the age old question of What are the rules for assigning oxidation numbers?

∙ As a result of diminished scientific content of the field, philosophy became identified  primarily with inquiries into values (ethics) and attempts to address foundational and  general questions about ways of knowing (epistemology) and conceptions about knowing (metaphysics). 

o Thus, epistemology became preoccupied with whether justified true belief  sufficed for knowledge and metaphysics addressed questions as whether events or objects and property are the basic constituents of reality.

Epistemic Issues in Procuring Evidence About the Brain: The Importance of Research Issues and Techniques If you want to learn more check out It is a type of amnesia that a person can recall some events during the circumscribed period. what is it?

∙ Evidence for scientific theories stems from observation

∙ Question: The fact that evidence consists of altered phenomena raises the  question: to what degree is what is taken as evidence just the product of the  alteration or in what respects does it reflect the original phenomena for which it is taken to be evidence? 

∙ A variety of indirect measures are used for evaluating instruments and techniques: o 1. Whether the instrument or technique is producing well­defined or  determinate results

o 2. The degree to which the results from one instrument or technique agree  with results generated in other ways 

o 3. The degree to which the purported evidence coheres with theories that  are taken to be plausible

∙ Goal: To promote an awareness of an epistemic challenge that is central to  scientific practice

∙ One issue arises from the studying of brains being done on members of different  species with these various techniques

o Issue arises due to significant differences in the organization of brains  across species, rendering the task of making inferences across species  challenging

∙ Some classic discoveries of neuroanatomy include:

o The discovery that neurons are the functional units of the nervous  system

o The identification of areas of the brain with different neural 

composition, patterns of connectivity, etc.

∙ As critical as neuroanatomy is for understanding the brain, understanding function requires techniques that directly intervene of the functioning of the brain and  render the functional processes salient

∙ One of the oldest approaches to identifying the function of brain components is  analysis of the deficits resulting from lesions (localized damage) to those  components

o The goal of this approach is to identify a psychological deficit associated  with it and to infer from that what contribution the damaged area made to  normal psychological function

∙ One challenge in lesion research is determining precisely what areas of the brain  are injured

o The most general inference is that the damaged area was in some way  necessary to the normal performance. Still, this inference is problematic  due to there being times an organism can recover or develop an alternative way of performing a function over time after brain injury. The challenge is

even greater when one tries to specify just what aspect of the task the 

damaged part played.

∙ One strategy: To attempt to dissociate 2 mental functions by showing that damage to a given brain part may interfere with both functions – typically shown through  double dissociation, but this method is not full­proof

∙ Another method of inducing targeted brain function is with electrical stimulation.  However, just as with lesion studies, the challenge is to constrain the 

interpretation of the contribution of the stimulated site to normal mental function

Neuroanatomical Foundations of Cognition: Connecting the Neural Level with the Study of Higher Brain Areas

∙ Important to recognize that many neuroscientists approach the brain as a stratified system o Generally acknowledged that there are a wide range of levels at which to  investigate the brain (ranging from macro to micro)

o Levels from micro to macro: neurotransmitters, synapses, neurons, pathways,  brain areas, systems, the brain, and central nervous system

o Each level has its own methods and problem domains

o Furthermore, some levels lend themselves more easily than others to  interdisciplinary involvement

∙ Goal (1): To show that even if one’s philosophical interest in neuroscience are confined  mainly to its role in cognitive explanations, understanding some important issues at the  micro level can enhance one’s ability to draw from this science

∙ Goal (2): To encourage the philosophical appreciation of neuroscience as a science, apart  from its contributions to other fields

∙ This chapter seeks to emphasize the neuron doctrine (the view that neurons are visibly  discrete, cellular units) and the reaction of the doctrine to higher level theories ∙ Goal (3): Facilitate a deeper, more informed perspective of the grosser level, the level  from which philosophers most commonly draw in relating neuroscience and philosophy ∙ Neurons = nerve cells

o Consist of major parts: cell body (soma), axon, and dendrites

o Axons aka processes

o Dendrites: receive incoming signals and carry them to the cell body o Axons: carry signals (action potentials) away from the cell body and toward the  synapse

o Synapse: a junction between 2 neurons, that is, between the axon terminal of the  presynaptic cell and the dendrite of the postsynaptic cell

 Can be chemical or electrical, but most are chemical

 Signal transmission between the 2 cells is mediated by neurotransmitters  Synaptic Cleft: open space between the presynaptic cell and the 

postsynaptic cell 

 Electrical synapses are mediated by the flow of electrical current from one cell to the next

 At these, the presynaptic and postsynaptic cells are linked by a gap  junction

∙ Key Concepts of Neural Structure:

o In chemical synapses there is no physical contact between presynaptic and  postsynaptic neurons

o Neurons are discretely bounded, physically separate, and distinct cells o Axonal and dendritic processes are physically integral to the nerve cell and  continuous with the cell body

o Functionally relevant differences among neuronal types can be microscopically  observed 

∙ The Cell Theory: the theory that animal and plant tissues are composed of and generated  from cells

o Attraction to Schwann’s 1839 Theory

 All living tissue is composed of the same, basic, cellular elements

 He proposed a general mechanism for cellular generation whereby cells  are formed from inside out, by the gradual accretion of new material in a  matter analogous to crystallization 

 Later in the 1850s, others proposed that cells are generated through  cellular division

 Despite this, Schwann’s theory is still credited with establishing cells as  basic building blocks of life

∙ The Neuron Doctrine: the view that neurons are discrete, individual cells, one physically  discontinuous from another

Can Cognitive Processes be Inferred from Neuroimaging Data?

∙ Reverse Inference: the engagement of a particular cognitive process in inferred from the  activation of a particular brain region

Introduction

∙ Functional neuroimaging techniques, such as fMRI, provide a measure of local brain  activity in response to cognitive tasks undertaken during scanning

∙ Contrary to typical use of this tool, there is increasing use of neuroimaging data to infer  the engagement of particular cognitive functions based on activation in particular brain  regions

∙ Goal: To analyze reverse inference and to characterize some limitations on the  effectiveness of this strategy

∙ Goal of cognitive psychology: to understand the underlying mental architecture that  supports cognitive functions

o They examine the effects of task manipulation on behavioral variables and use  this data to test models of cognitive function

Inference in Neuroimaging

∙ Reverse inference reasons backwards from the presence of brain activation to the  engagement of a particular cognitive function

∙ Cognitive neuroscience is generally interested in mechanistic understanding of the neural  processes that support cognition

Estimating Selectivity Using the BrainMap Database

∙ The greatest determinate of the strength of a reverse inference is the degree to which the  region of interest is selectively activated by the cognitive process of interest o Unfortunately, it’s quite difficult to determine clearly the selectivity of activation  in a particular brain region

Improving Reverse Inferences

∙ 2 ways to improve confidence in reverse inferences

o Increase the selectivity of response in the brain region of interest

o Increase the prior probability of the cognitive process in question

∙ Selectivity is outside of the control of the experimenter

∙ But an estimate of selectivity can at least be obtained

∙ The size of the region of interest will affect selectivity, suggesting reverse inference to  smaller regions will provide more confidence

Conclusion

∙ There is substantial excitement about the ability of functional neuroimaging to help  researchers discover the organization of cognitive functions

∙ Caution should be exercised in the use of reverse inference, esp. in cases where the prior  belief in the engagement of a cognitive process and selectivity of activation in the region  of interest are low

Mining the Brain for a New Taxonomy of the Mind

∙ Topic: The article summarizes a debate for the right taxonomy for understanding  cognition and the proper role of neuroscientific evidence in specifying this taxonomy ∙ Everyone in the psychological sciences agrees that the mind is organized o The debate is over what is the best way this organization is described ∙ Concepts and categories of psychology stem from

o Folk­psychological notions

o Metaphysical assumptions

o Analytic frameworks

o The need to explain specific observation

∙ Mechanistic perspective – every machine needs its driver

∙ Ontology – a set of assumptions about what elementary building blocks of the reality to  be represented actually are

∙ Brain’s native ontology – categories it uses to interpret the world

∙ Goals: Review some of the researcher’s efforts to explore the brain’s native ontology and  the outcome of their use of these explorations to motivate revisions to the basic categories of psychology, attempt to clarify their motivations, and reflect on some possible  implications

The Cognitive Ontology: Why Worry?

∙ Motivation of debate: the growing realization that cognitive processes do not map to the  brain in a particularly straightforward way

∙ Many to many – mapping between cognitive processes and the brain that generally  require a number of different neural regions; and any given brain region typically  supports multiple different cognitive processes 

∙ Three groups with differing views:

o Conservatives – expect that it should be possible to specify a set of fundamental  operations that will allow cognitive theories and process models to map more  cleanly onto the brain than is currently evident

 They advocate the consideration of neurobiological evidence during the  analysis and decomposition of a cognitive process into its components o Moderates – suspect that elements in the current ontology are composites, and  some elements may not reflect any aspect of psychological reality

 Arguing the brain can and should act as one arbiter of the psychologically  real

 Like conservatives, they expect the end result to be a set of mental  operations that will often map to brain regions one­to­one

o Radicals – ready to rethink the very foundations of psychology in light of  evidence from neuroscience and evolutionary biology

 They expect the end result to lead to very few one­to­one mappings  between brain regions and the psychological primitives 

∙ These groups differ by degree of revision and amount of one­to­one function structure  mapping

∙ All the groups suppose we reject the autonomy of psychology from neuroscience ∙ The debate’s about the ontological requirements for a unified science of the mind and the  proper role of neurobiological evidence in the construction of such an ontology ∙ Visual word form area – response not just when words are viewed, but also when they are heard and when they are read in Braille, and responses not just to words but to other  kinds of visual objects as well 

∙ For Prince and Friston ­  the goal of functional labels should be to explain and predict  how an area responds in different contexts

∙ 2 inferences:

o Reverse Inference – the ability to conclude that a particular mental operation is  occurring given the observation of brain activity

o Forward Inference – the compliment: the ability to predict which brain region(s)  will be engaged by a particular psychological process

o Generic functional attributions don’t sufficiently preserve and reflect what we  know about the functional differentiation of different regions of the brain ∙ What the functional import of any instance of neural firing is will depend on the larger  neural and environmental context

∙ Poldrack argued – if we generate proper ontology, it will be possible to map compoment  operations to specific regions of the brain

∙ Penner­Wilger and Anderson have advocated for cross­domain modeling: o Aim of which is the specification of “workings” – low level domain general  component operations that can be put to many different uses 

∙ Conservative approach requires neural functional segregation sufficient to support robust  reverse inference 

∙ Lenartowicz found that all constructs were discriminable from one another, with the  interesting exception that task switching was discriminable from neither response  selection nor response inhibition

o Requires that the overall pattern of activity is relatively more similar within than  it is between categories

∙ Clear implication: failures of neural selectivity render psychological constructs suspect ∙ To accurately predict from brain data the category of tasks being performed, and to  predict brain activation patterns from the task category, often requires a dimensional  space that does not align well with our current psychological categories  ∙ The author urges that we should seriously consider the likelihood that the best way to  understand brain’s native ontology is in evolutionarily inspired, ecological, and inactive  terms 

Conclusions

∙ Original question of exploration: Whether, how, and to what degree should neuroscience  data ought to influence the concepts and categories used to structure psychology  ∙ Looks at the relationship between scientific and folk concepts of the mind and experience

Predictive coding explains binocular rivalry: An epistemological review Abstract

∙ Binocular rivalry occurs when the eyes are presented with different stimuli and subjective perception alternates between them.

∙ This review takes an epistemological approach to rivalry that considers the brain as  engaged in probabilistic unconscious perceptual inference about the causes of its sensory  input.

∙ The core of the explanation is that selection of one stimulus, and subsequent alternation  between stimuli in rivalry occur when:

o  (i) there is no single model or hypothesis about the causes in the environment that enjoys both high likelihood and high prior probability and 

o (ii) when one stimulus dominates, the bottom–up, driving signal for that stimulus  is explained away while, crucially, the bottom–up signal for the suppressed  stimulus is not, and remains as an unexplained but explainable prediction error  signal.

Introduction

∙ Binocular Rivalry ­ If one stimulus is shown to one eye and another stimulus to the other, then subjective experience alternates be­tween them. For example, when an image of a  house is presented to one eye and an image of a face to the other, then subjective  experience alternates between the house and the face.

o Binocular rivalry is a challenge to our understanding of the visual system, and it is of special importance for studies of phenomenal consciousness in humans and  monkeys, because the stimulus presented to subjects can be held constant while  the phenomenal percept changes

∙ Most approaches to rivalry stress the role of inhibition, adaptation and stochastic noise. o We take the approach of epistemology—the theory of knowledge— to go behind  these approaches and ask the more fundamental theoretical question: ‘‘why  should a perceptual system, such as the brain, have and exploit such mechanisms  in the first place?” 

o The motivation behind this approach is the idea that binocular rivalry is an  epistemic response to a seemingly incompatible stimulus condition where two  distinct objects occupy the same spatiotemporal location.

o Our intent: to describe a unifying framework for the burgeoning class of data  already in hand concerning binocular rivalry

Core properties of predictive coding

∙ A core task for the brain is to represent the environmental causes of its sensory input.  This is computationally difficult; it is difficult to compute the causes when only the  effects are known: 

o as Hume reminded us, causes and effects are distinct existences and, in principle,  many different environmental events could be causes of the same sensory effect.  o Conversely, the same environmental causes can occur in different contexts, so the  same environmental event can be the cause of many different sensory effects. ∙ Rather than trying to work backwards from sensory effects to environmental causes,  neuronal computational systems work with models, or as we shall say hypotheses, that  predict what the sensory input should be

∙ The hypothesis that generates the best predictions then determines perceptual content.  The hierarchical inversion of the generative models needed to finesse this inverse 

problem can be reduced to quite simple processes that, in principle, can be implemented  by the brain.

∙ Bayesian Perceptual Inference ­ According to this kind of Bayesian theory, the  hypothesis with the highest posterior probability (i.e., most probable given the input)  wins and gets to determine the perceptual content of the system. The posterior probability depends on the likelihood (i.e., how well the hypothesis predicts the input); and on the  prior probability of the hypothesis (i.e., how probable the hypothesis was before the  input). These prior expectations are constructed hierarchically and are context­sensitive.

∙ In a hierarchical setting, that uses empirical Bayes, priors are not extracted directly from  the natural scene statistics, nor are they free parameters. They emerge naturally on  interaction with the world as learning suppresses pre­diction errors at all levels of a  hierarchical model. The hierarchal nature of these models is central to empirical Bayes  because priors on lower levels are themselves constrained by, and accountable to, higher  levels.

∙ The prediction error signal plays a crucial role in inference since it helps to update  hypotheses at higher levels, such that better predictions can be issued and the prediction  error continually minimized.

∙ A system can minimize free­energy by changing its configuration to change the way it  samples the environment, or to change its expectations. These changes correspond to  action and perception, respectively, and lead to an adaptive exchange with the  environment that is characteristic of biological systems. In short, any change to the  brain’s state or connection parameters that reduces free­energy renders sensory input less  surprising.

∙ What ultimately determines the resulting conscious perception is the best hypothesis: the  one that makes the best predictions and that, taking priors into consideration, is  consequently assigned the highest posterior probability.

Two problems concerning rivalry: Selection and alternation

∙ In dichoptic viewing conditions, where one stimulus is shown to one eye and another to  the other eye, binocular matching fails because two different objects seem to occupy the  same spatiotemporal position. 

∙ The epistemological task for the system, given this incompatible or ‘‘un­ecological”  condition is then to ex­plain the combined bottom–up signal stemming from the two  stimuli: it does this rather elegantly by selecting only one stimulus at a time and then  alternating between them. To account for binocular rivalry, two things must then be 

explained

∙ The selection problem: why is there a perceptual decision to select one stimulus for  perception rather than the other, and, further why is one of the two stimuli selected rather  than some conjunction or blend of them?

∙ The alternation problem: why does perceptual inference alternate between the two stimuli rather than stick with the selected one?

∙ The core of these various approaches to rivalry is that selection and alternation in rivalry  must be explained in terms of two mechanisms: inhibition of the incoming signal from  the stimulus which is not dominant, which is meant to explain selection; and adaptation  of the inhibitory influence of the relevant neural populations, which is meant to explain  alternation.

A Bayesian approach to the selection problem

∙ Assume the stimuli are a house and a face and that the percept currently experienced by  the subject is the face. Then the question, from a Bayesian perspective, is why the face  hypothesis (F) has the highest probability, given the conjoint evidence (I) of a house and  a face. The question splits into two: (i) why is F favored over the hypothesis that it is a  house (H)? (ii) Why is F selected over some kind of conjunctive or blended hypothesis  that it is a ‘house­face’ (F AND H)?

o If, for some reason, F has a higher prior, then it will be selected for perceptual  dominance.

Solving the alternation problem

∙ The key point is that even though F successfully explains the face­signal, there remains a  large error signal, stemming from the house­stimulus

∙ Structural instability can be mediated using deterministic mechanisms. Another possible  mechanism for perceptual alternations relies on stochastic or random effects. Because the brain is trying to minimize its free­energy, it has to explore the free­energy landscape. A  generic scheme for this exploration relies on random or stochastic effects (cf., random 

mutations in evolutionary selection or random noise in simulated annealing). ∙ In multi­stable dynamical systems, this can be expressed as stochastic resonance. 

∙ Put simply, random changes, due to neuronal noise, in the brain’s state can occasionally  push it over the free­energy barrier separating the house and face wells. This mechanism  does not involve changes in, or adaptation of, the free­energy landscape but rests on  dynamical instability introduced by random fluctuations in the brain’s state.

∙ In short, either structural or dynamic mechanisms of predictive coding, or a combination,  can explain perceptual alternation. Alternation ensues in rivalry conditions specifically  where there is a large unexplained but explainable error signal. In Bayesian terms, in this  situation no one hypothesis has both high likelihood and high prior, and inference  becomes unstable.

∙ In this framework, the inhibition is not of the bottom– up, incoming signal per se. Rather  it is inhibition of the competing high­level hypotheses that could explain away the  sensory signal. 

o In other words, inhibition decreases top–down predictions of the suppressed  stimulus. The epistemological motivation for this is that the best per­forming  hypothesis dominates perceptual content. The explanation for competition among  high level explanations is simple; our experience of the world tells us that only  one object can exist in the same place at the same time. This hyperprior is learnt  and engrained in our neuronal circuits as an empirical prior.

∙ In sum, the proposal therefore motivates inhibition and adaptation in a more principled  way than non­epistemological accounts, and thus explains rivalry as an unavoidable and  emergent outcome of representational systems like the brain. It rests on the recurrent  dynamics required by hierarchical inference and positions itself in direct opposition to  conventional heuristics that frame perception in terms of feedforward dynamics

Integrating psychophysical evidence under the predictive coding framework

∙ Rivalry tends to occur when there is an increasing incompatibility between the stimuli  presented to the two eyes. More consistent stimuli will tend to fuse. This fits within the  predictive coding frame­work because it is a case where the conjoint hypothesis does  have high prior. 

o That is, were the stimuli a mouth­less face and a mouth, then the updated,  dominant hypothesis F* (‘‘it’s a face with a mouth”) would have a substantial  prior. Fusion would then be allowed since the most likely hypothesis will have a  high prior and the system will settle in a deep third well.

∙ Often, there is no clear­cut shift between percepts in binocular rivalry. Dominance breaks through in small patches of the visual field and gradually spreads before completely or  partially suppressing the competing image

∙ So there are periods where the subject experiences some of the face and some of the  house. This is explained by the at­tempts to update the currently dominating hypothesis  by exploring the free­energy landscape in response to the pre­diction error signal. The  system does not stabilize with these patches because much prediction error still is unac counted for and because the conjoint hypothesis has a very low prior.

∙ Inter­ocular Grouping: Subjects may also experience rivalry where they per­form visual  grouping of items presented to both eyes. For example, if there is an image of half a face  and half a house presented to one eye, and an image of the other halves of the face and of  the house presented to the other eye, then there may be perceptual rivalry between a  house and a face; the two halves of the two images have been grouped together, and it is  the re­grouped percepts that are rival­ling, not the original segmented images

∙ In a different type of paradigm Blake and colleagues ­lowed one stimulus to achieve  dominance before they gradually decreased the intensity of the stimuli and swapped  them. When the suppressed stimulus is swapped to the eye of the dominant stimulus, it  becomes dominant, suggesting a role for eye­dominance rather than pattern competition  in rivalry. This is also consistent with predictive coding. With respect to processing for 

the dominant eye stimulus it is a situation where there is successful pre­diction of  (gradual or non­rapid) changes in the world.

∙ On the assumption that there is less adaptation effect for such changing stimuli the  system should remain relatively stable, and one should expect the dominant eye to  continue its domination.

∙ Rivalry can also occur for a single stimulus presented to one or both eyes. The experience of monocular rivalry is less stable than in bin­ocular rivalry and seems to occur mostly  for fairly rudimentary stimuli such as a mesh of blurred green and red gratings. 

o We think this reflects dynamically stable priors for the hypothesis that the  environment has line segments of different distinct orientations. In other words,  this is something the visual system is always expecting

∙ Our account of Levelt’s Second Proposition is that, when the fixed eye stimulus is  dominant, changes in the unexplained prediction error from the suppressed stimulus in  the variable eye induces changes in the overall energy landscape, such that the perceptual decision for the fixed stimulus is brought away from or towards transitions over the free energy barrier.

∙ (i) When one stimulus is viewed in a congruent context and the other in a non­congruent  context, the dominance duration of the former tend to increase. Introducing a congruent  context does not increase bottom–up error signal strength when suppressed, so the  predictive coding framework can explain why context modulation does not give shorter  dominance periods for the non­congruent stimulus. 

o  the other hand, context in­creases the prior for a congruent stimulus relative to a  non­congruent stimulus, so it would take longer for the posterior for the dominant, updated hypothesis to be destabilized. This would explain the increased  dominance periods. 

∙ (ii) With practice, voluntary (endogenous) attention can prolong dominance periods for  the attended stim­ulus without however being able to extinguish rivalry (on the other  hand, endogenous attention to properties of the suppressed stimulus will not bring that  stimulus out of suppression.

o This is an example of a top–down process modulating dominance. In the  predictive coding framework we can view endogenous selective attention as  increasing or enforcing priors for a certain hypothesis.

7. Accounting for conflicting neurophysiological and imaging evidence ∙ It is important to remember that neuronal implementations of predictive coding  require both the representation of the prediction and the prediction error in  hierarchically ordered pairs of levels in the brain. It is the hierarchal deployment of  reciprocal changes among these that will offer an explanation for diverse empirical  findings.

∙ Single unit studies in monkeys, yield the following consistent picture. Starting with  the LGN, there seems to be no evidence of rivalry related changes in the geniculo striate system 

∙ Successive stages of the visual cortex show increasing levels of activity in phase with  the animal’s reports of dominance: at low levels (V1) only few units selective for a  given stimulus will fire in phase with dominance and suppression. At middle levels  (V4, MT) more will, but the picture is somewhat mixed with some cells more active  than other, almost no cells completely suppressed and some cells even active when  their preferred stimulus were suppressed. 

o This suggests that single unit recording can selectively sample either the  predicting neurons or the prediction error neurons.

∙ In general, fMRI studies in humans furnish a different picture. These studies have  found that activity during rivalry corresponds to activity during physical alternations  of stimuli over a large posterior portion of the brain ranging from temporal (fusiform  and parahippocampal) areas, over V1, including monocular areas such as the blind  spot representation and extending all the way to the lateral geniculate nucleus. 

o Thus, in these areas of the brain, fMRI activity during dominance is  comparable to activity during monocular viewing and activity during 

suppression is comparable to when the stimulus is not presented to the subject. ∙ Perceptual rivalry presents a particular challenge to interpreting fMRI results in terms of predictive coding. This is because low­level areas that represent the elemental  features of both stimuli will always express prediction error, because only one set of  sensory signals can be explained away at any time. 

o This means that there may be no difference in fMRI signals between the two  perceptual states in these regions.

∙ In short, fMRI correlates of rivalry may be driven by top–down predictions, whereas  electrophysiological responses may reflect predictions or prediction error, depending  on which population or unit is recorded.

∙ Irrespective of these considerations, the highest prediction error (free­energy and  BOLD signal) would be anticipated during perceptual transitions, when neither  stimulus is explained away.

o In summary, generative models and predictive coding therefore provide a  framework that is capable of unifying the apparently conflicting findings on  binocular rivalry.

Discussion

∙ Under the account described here, an empirical Bayes framework with generative models and implemented with predictive coding or free­energy minimization explains many  aspects of binocular rivalry; because dichoptic viewing of mutually inconsistent stimuli  creates a situation where no hypothesis about the environmental causes of the incoming  sensory signal has both a high prior and high likelihood.

Conclusions

∙ Core properties of a theoretical framework for perceptual inference in the brain based on  generative models and predictive coding can be described in fairly basic probabilistic 

terms. The framework can explain and unify many aspects of binocular rivalry, in  particular why one stimulus is selected for perception and why there is alternation be tween stimuli. 

∙ The framework also accommodates many of the major psychophysical findings on rivalry and provides a unified interpretation of the apparently conflicting single­unit and fMRI  studies of rivalry.

What is it like to be a Bat?

∙ Consciousness is what makes the mind­body problem really intractable ∙ It occurs at many levels of animal life, though we cannot be sure of its presence in the  simpler organisms, and it is very difficult to say in general what provides evidence of it ∙ The fact that an organism has conscious experience at all means, basically, that there is  something it is like to be that organism.

∙ Fundamentally an organism has conscious mental states if and only if there is something  that it is like to be that organism ­ something it is like for the organism. ∙ We may call this the subjective character of experience.

∙ It is impossible to exclude the phenomenological features of experience from a, reduction in the same way that one excludes the phenomenal features of an ordinary substance from a physical or chemical reduction of it­namely, by explaining them as effects on the minds of human observers

∙ If physicalism is to be defended, the phenomenological features must themselves be  given a physical account. But when we examine their subjective character it: seems that  such a result is impossible. The reason is that every subjective phenomenon is essentially  connected with a single point of view, and it seems inevitable that an objective, physical theory will abandon that point

∙ Bats used as an example:

o The essence of the belief that bats have experience is that there is something that  it is like to be a bat. Most bats perceive the external world primarily by sonar, or  echolocation, detecting the reflections, from objects within range, of their own  rapid, subtly modulated, high­frequency shrieks. 

o Their brains are designed to correlate the outgoing impulses with the subsequent  echoes, and the information thus acquired enables bats to make precise  discriminations of distance, size, shape, motion, and texture comparable to those  we make by vision. 

o But bat sonar, though clearly a form of perception, is not similar in its operation  to any sense that we possess, and there is no reason to suppose that it is  subjectively like anything we can experience or imagine.

∙ Our own experience provides the basic material for our imagination, whose range is  therefore limited

∙ I want to know what it is like for a bat to be a bat. Yet if I try to imagine this, I am  restricted to the resources of my own mind, and those resources are inadequate to the  task.

∙ So if extrapolation from our own case is involved in the idea of what it is like to be a bat,  the extrapolation must be incompletable. We cannot form more than a schematic  conception of what it is like

∙ Edge of the topic: namely, the relation between facts on the one hand and conceptual  schemes or systems of representation on the other.

∙ My realism about the subjective domain in all its forms implies a belief in the existence  of facts beyond the reach of human concepts

o one might believe that there are facts which could not ever be represented or  comprehended by human beings, even if the species lasted forever­simply  because our structure does not permit us to operate with concepts of the requisite  type.

∙ Reflection on what it is like to be a bat seems to lead us, therefore, to the conclusion that  there are facts that do not consist in the truth of propositions expressible in a human  language. 

o We can be compelled to recognize the existence of such facts without being able  to state or comprehend them.

∙ The point of view in question is a type

o It is often possible to take up a point of view other than one's own, so the  comprehension of such facts is not limited to one's own case.

 There is a sense in which phenomenological facts are perfectly objective:  one person can know or say of another what the quality of the other's 

experience is. 

 They are subjective, however, in the sense that even this objective  ascription of experience is possible only for someone sufficiently similar  to the object of ascription to be able to adopt his point of view­to 

understand the ascription in the first person as well as in the third, so to  speak

∙ In our own case we occupy the relevant point of view, but we will have as much  difficulty understanding our own experience properly if we approach it from another  point of view as we would if we tried to understand the experience of another species  without taking up its point of view.

∙ Bears directly on the mind­body problem

o For if the facts of experience­facts about what it is like for the experiencing  organism­are accessible only from one point of view, then it is a mystery how the 

true character of experiences could be revealed in the physical operation of that  organism. 

o The latter is a domain of objective facts par excellence­the kind that can be  observed and understood from many points of view and by individuals with  differing perceptual systems

∙ A Martian scientist with no understanding of visual perception could understand the  rainbow, or lightning, or clouds as physical phenomena, though he would never be able  to understand the human concepts of rainbow, lightning, or cloud, or the place these  things occupy in our phenomenal world. 

∙ The objective nature of the things picked out by these concepts could be apprehended by him because, although the concepts themselves are connected with a particular point of  view and a particular visual phenomenology, the things apprehended from that point of  view are not: they are observable from the point of view but external to it; hence they can be comprehended from other points of view also, either by the same organisms or by  others

∙ We appear to be faced with a general difficulty about psychophysical reduction. In other  areas the process of reduction is a move in the direction of greater objectivity, toward a  more accurate view of the real nature of things. 

o This is accomplished by reducing our dependence on individual or species specific points of view toward the object of investigation

∙ Experience itself, however, does not seem to fit the pattern.

o If the subjective character of experience is fully comprehensible only from one  point of view, then any shift to greater objectivity ­that is, less attachment to a  specific viewpoint­does not take us nearer to the real nature of the phenomenon: it takes us farther away from it.

∙ The reduction can succeed only if the species­specific viewpoint is omitted from what is  to be reduced.

∙ It would be truer to say that physicalism is a position we cannot understand because we  do not at present have any conception of how it might be true

∙ Donald Davidson has argued that if mental events have physical causes and effects, they  must have physical descriptions. He holds that we have reason to believe this even  though we do not­and in fact could not­have a general psychophysical theory

o Davidson's position is that certain physical events have irreducibly mental  properties, and perhaps some view describable in this way is correct

∙ We cannot genuinely understand the hypothesis that their nature is captured in a physical  description unless we understand the more fundamental idea that they have an objective  nature (or that objective processes can have a subjective nature)

∙ At present we are completely unequipped to think about the subjective character of  experience without relying on the imagination­without taking up the point of view of the  experiential subject. 

o This should be regarded as a challenge to form new concepts and devise a new  method­an objective phenomenology not dependent on empathy or the 

imagination. Though presumably it would not capture everything, its goal would  be to describe, at least in part, the subjective character of experiences in a form  comprehensible to beings incapable of having those experiences.

Brain Mechanisms of Vision

∙ In man, the cerebral cortex almost completely envelopes the rest of the brain ∙ The degree to which an animal depends on an organ is an index on the organ’s  importance that is even more convincing than size, and dependence on the cortex has  increased rapidly as mammals have evolved

o i.e. a man without a cortex is almost a vegetable, speechless, sightless, senseless ∙ The cerebral cortex is complex in its structure as well as its functions ∙ Goal: To sketch out the present state of knowledge of one subdivision of the cortex: the 

primary visual cortex, the most elementary of the cortical regions concerned with vision o Will lead to biological purpose of visual perception

∙ The cerebral cortex: a highly folded plate of neural tissue about 2mm thick  ∙ In late 19th century, it was noted that a brain injury, depending on location, could cause  paralysis or blindness or numbness or speech loss

∙ Systematic mapping of the cortex led to a fundamental realization: most of the sensory  and motor areas contained systematic 2­dimensional maps of the world they represented ∙ An important feature of cortical maps is their distortion

o The scale of the map varies as it does in a Mercator projection, the rule for the  cortex being that the regions for highest discrimination or delicacy of function  occupy relatively more cortical area

∙ Issue that was left neglected by the advances in mapping cortical projections: How the  brain analyzes information?

∙ Goal 2: Show that, for vision at least, the world is represented in a far more distorted way ∙ The 1st major insight into cortical organization was the recognition of this subdivision  into areas having widely different functions, with a tendency to ordered mapping

o Important basic notion: Information on any given modality such as sight or sound  is transported first to a primary cortical area and from there, either directly or via  the thalamus, to successions of higher areas

∙ The 2nd major insight: the realization that the operations that the cortex performs on the  information it receives are local

o Sets of fibers bring information to the cortex; by the time several synapses have  been traversed the influence of the input has spread vertically to all cell layers;  finally several other sets of fibers carry modified messages out of the area o What is common to all regions is the local area of the wiring

 Whatever any given region of the cortex does, it does locally. At stages  where there is any kind of detailed, systematic topographical mapping the  analysis must be piecemeal

 One can only assume that as the information on visual or touch or sound is relayed from one cortical area to the next the map becomes progressively  more blurred and the information carried more abstract

o The 1st understanding of the local analysis that the cortex must perform came in  the primary visual area, which is now the best understood of any cortical region  and is still the only one where the analysis and consequent transformations of  information are known in any detail

o Main point: Primary cortex is in no sense the end of the visual path o The retinal ganglion cells and the cells of the retinal geniculate are primarily  concerned with making a comparison between the light level in one small area of  the visual scene and the average illumination of the immediate surround ∙ The 1st of the two major transformations accomplished by the visual cortex is the  rearrangement of incoming information so that most of its cells respond to specifically  oriented line segments

o A typical cell responds only when light fall sin a particular part of the visual  world, but illuminating that area diffusely has little effect or none, and small spots of light are not much better

o The simplest cells behave as though they received their input directly from several cells with center­surround, circularly symmetrical fields – type found in layer IV. ∙ The 2nd major group of orientation­specific neurons are the far more numerous complex  cells

o Main feature is that they are less particular about the exact position of a line ∙ The 2nd major function of the monkey visual cortex is to combine the inputs from the 2  eyes

∙ Cells of like complexity tend to be grouped in layers, with the circularly symmetrical  cells lower in layer IV, simple cells just above them, and complex cells in layers II, III,  V, and VI.

∙ The relation between layer and projection site probably deserves to be ranked as a 3rd major insight into cortical organization

∙ The next stimulus variable to be considered is the position of the receptive field in the  visual field

∙ Eccentricity – the distance of a cell’s receptive field from the center of gaze ∙ Aggregate field – the pile of superimposed fields that are mapped in a penetration  beginning at any point on the cortex

o The size is a function of eccentricity

∙ Regularity: moving the electrode about 1 or 2mm always produces a displacement in  visual field that’s roughly enough to take one into an entirely new region o Observation suggests the way the visual cortex solves a basic problem: how to  analyze the visual scene in detail in the central part and much more crudely in the  periphery

∙ 2­deoxyglucose technique for assessing brain activity: capitalizes on the fact that brain  cells depend mainly on glucose as a source of metabolic energy and that the closely  similar compound 2­deoxyglucose can to some extent masquerade as glucose (Sokoloff)

o The Sokoloff Procedure is to inject an animal with deoxyglucose that’s been  labeled with the radioactive isotope carbon 14, stimulate the animal in a way  calculated to activate certain neurons and then immediately examine the brain fro  radioactivity, which reveals active areas where cells will have taken up more  deoxyglucose than those in quiescent areas. 

∙ For most physiologically defined systems mentioned, there are no anatomical correlates  so far

o On the other hand, in the past few years several anatomists have shown the  connection from one region of the cortex to another terminate in passages that  have regular periodicity of about a millimeter.

∙ Fine periodic subdivisions are a general feature of the cerebral cortex ∙ For the visual cortex: Particular stimuli turn neurons on or off; groups of neurons do  indeed perform particular transformations

Decomposing and Localizing Vision: An Exemplar for Cognitive Neuroscience

∙ Exemplar: an example of successful research which provides a model to be emulated ∙ We aren’t aware of intermediate operations that the brain’s performing

Getting Started: Identifying the Locus of Control

∙ More popular locus: occipital lobe

∙ Ferrier’s later claim (1881): both the angular gyrus and occipital lobe figured in vision  and that only legions to both could produce complete and enduring blindness, but he  continued to emphasize the angular gyrus

o In retrospect, Ferrier’s lesions produced deficits due to the fact his incisions were  cut deeply and severed the nerve pathways from the thalamus to the occipital  cortex

o Moreover, his failure to eliminate vision with occipital lobe lesions was due to  incomplete removal of the visual processing areas in the occipital lobe ∙ Beginning of the 20th century, the striate cortex became generally accepted as the locus of visual processing

From Simple Localization to Mechanistic Explanation

∙ Henschen (1893) 

o Showed that deficits in different parts of the occipital lobe produced blindness in  different parts of the visual field and proposed that the occipital lobe must be  topographically organized so that different parts of the retina projected on to 

different areas of the visual cortex (leading him to refer to it as the cortical retina). o His occipital lobe map was reverse from the accepted map

∙ Microlesion studies could reveal topographical organization, but not the actual function  performed by cells in the striate cortex since the result of lesions was complete blindness ∙ Hubel and Wiesel made the discovery that cells in the striate cortex responded most  vigorously not to spots of light but to oriented lines or bars

o What they termed simple cells had receptive fields with spatially distinct on and  off areas along a line at a particular orientation

o What they termed complex cells were responsive to bars of light at a particular  orientation anywhere within the receptive field 

o Hypercomplex cells: responded maximally only to bars extending just the width  of their receptive field

o Hubel and Wiesel proposed a decomposition of processing within striate cortex,  with one type of cell supplying information to other cells and each carrying out its own information processing 

o Also proposed the discovery of the primary function of striate cortex, but with a  prophetic caveat: “The elaboration of simple cortical fields from geniculate  concentric fields, complex from simple, and hypercomplex from complex is 

probably the prime function of the striate cortex – unless there are still other as  yet unidentified cells there” 

o Proposed that in one direction successive columns were dominated by alternative  eyes while in the other direction successive columns were responsive to different  orientations of the stimulus

o Consequence(s) of research: 

 to reveal complexity of striate cortex 

 demonstrate that the striate cortex is not the sole locus of visual 

processing, since detecting oriented bars of light is not yet perception

o Question for further research: Where else is visual information processed, and  what does each of these areas contribute?

Beyond Direct Localization: Identifying Pre­Striate Visual Areas

∙ The second means of moving beyond direct localization is to discover additional  components that contribute to the function

∙ In the 1st half of the 20th century, brain research was dominated by an anti­localizationist  sentiment that construed most of the cortex as jointly sub serving cognitive capacities,  without any particular part playing a specialized role 

∙ Neo­Phrenological localizationists – suggest that individual parts of the cortex could be  removed without any loss of any particular cognitive ability

∙ Lashley insisted “visual habits were dependent upon striate cortex and upon no other part  of the cerebral cortex”

∙ Achromatopsia – the inability to see objects as colored (patients presumably suffered  legions in V4)

Beyond Direct Localization: Expanding Visual Analysis into temporal and parietal cortexes

∙ Parietal cells also linked to arm and hand manipulation

∙ Anderson and colleagues demonstrated that cells in the posterior parietal cortex mapped  stimuli in terms of spatial location, a feature to which temporal lobe cells are relatively  unresponsive 

Whatever Next? Predictive Brains, Situated Agents, and the Future of Cognitive Science Abstract

∙ Brains – Essentially prediction machines; Bundles of cells that support perception and  action by constantly attempting to match incoming sensory inputs with top­down  expectations or predictions 

o Achieved using a hierarchal generative model

Introduction: Prediction Machines

∙ “The whole function of the brain is summed up in: error correction” – W. Ross Ashby o One of the brain’s key tricks is to implement dumb processes that correct a certain kind of error: error in the multilayered prediction of input

∙ Helmholtz model of perception: a process of probabilistic, knowledge­driven inference  o Sensory systems infer sensory causes from their bodily effects

 This in turn involves computing multiple probability distributions, since a  single such effect will be consistent with many different sets of causes 

distinguished only by their relative (and context dependent) probability of  occurrence.

∙ “Analysis­by­synthesis” ­ the brain tries to predict the current suite of cues from its best  models of the possible causes. 

o In this way: The mapping from low­ to high­level representation (e.g. from  acoustic to word­level) is computed using the reverse mapping, from high­ to  low­level representation.

∙ The Helm­holtz Machine sought to learn new representations in a multilevel system (thus capturing increasingly deep regu­larities within a domain) without requiring the provision of copious pre­classified samples of the desired input­output mapping. 

o In this respect, it aimed to improve upon standard back­propagation driven  learning. It did this by using its own top­down connections to provide the desired  states for the hidden units, thus (in effect) self­supervising the development of its  perceptual “recognition model” using a generative model that tried to create the  sensory patterns for itself

∙ A generative model aims to capture the statistical structure of some set of observed inputs by tracking the causal matrix responsible for that very structure.

∙ The strategy of using top­down connec­tions to try to generate, using high­level  knowledge, a kind of “virtual version” of the sensory data via a deep multilevel cascade   lies at the heart of “hierarchical predictive coding” approaches to perception

∙ Such approaches form the main focus of the present treatment. These approaches  combine the use of top­down probabilistic generative models with a specific vision of  one way such downward influence might operate. That way (borrowing from work in  linear predictive coding – see below) depicts the top­down flow as attempting to predict  and fully “explain away” the driving sensory signal, leaving only any residual “prediction errors” to propagate information forward within the system 

∙ Predictive coding itself was first developed as a data com­pression strategy in signal  processing

∙ The code for a rich image can be compressed by encoding only the “unexpected”  variation: the cases where the actual value departs from the predicted one. What needs to  be transmitted is therefore just the difference (a.k.a. the “prediction error”) between the  actual current signal and the predicted one.

∙ The information that needs to be communicated “upward” under all these regimes is just  the prediction error: the divergence from the expected signal. 

∙ Later, when we consider predictive processing in the larger setting of information theory  and entropy, we will see that prediction error reports the “surprise” induced by a  mismatch between the sensory signals encountered and those predicted. This is known as  surprisal

∙ Perception and action are intimately related and work together to reduce prediction error  by sculpting and selecting sensory inputs.

∙ Black Box ­ All that the brain “knows”, in any direct sense, are the ways its own states  (e.g., spike trains) flow and alter. In that (restricted) sense, all the system has direct  access to is its own states. The world itself is thus off­limits (though the box can,  importantly, issue motor commands and await developments). 

o The task is to infer the nature of the signal source (the world) from just the  varying input signal itself.

∙ The beauty of the bidirectional hierarchical structure is that it allows the system to infer  its own priors (the prior beliefs essential to the guessing routines) as it goes along. It does this by using its best current model – at one level – as the source of the priors for the level below, engaging in a process of “iterative estimation” that allows priors and models to  co­evolve across multiple linked layers of processing so as to account for the sensory  data.

∙ Rao and Ballard’s (1999) model of predictive coding in the visual cortex  o At the lowest level, there is some pattern of energetic stimulation, transduced by  sensory receptors from ambient light patterns produced by the current visual  scene. These signals are then processed via a multi­level cascade in which each  level attempts to predict the activity at the level below it via backward  connections. The backward connections allow the activity at one stage of the  processing to return as another input at the previous stage

o Where there is a mismatch, “prediction error” occurs and the ensuing (error indicating) activity is propagated to the higher level. This automatically adjusts  probabilistic representations at the higher level so that top­down predictions  cancel prediction errors at the lower level (yielding rapid perceptual inference).

 In the visual cortex, such a scheme suggests that back­ward connections  from V2 to V1 would carry a prediction of expected activity in V1, while  forward connections from V1 to V2 would carry forward the error signal9  indicating residual (unpredicted) activity

∙ For immediate purposes, what matters is that the predictive coding approach, given only  the statistical properties of the signals derived from the natural images, was able to  induce a kind of generative model of the structure of the input data: It learned about the  presence and importance of features such as lines, edges, and bars, and about  combinations of such features, in ways that enable better predictions concerning what to  expect next, in space or in time.

∙ Hosoya et al.’s (2005) account of dynamic predictive coding by the retina: o What this means, in each case, is that neural circuits predict, on the basis of local  image characteristics, the likely image characteristics of nearby spots in space and time (basically, assuming that nearby spots will display similar image intensities)  and subtract this predicted value from the actual value. What gets encoded is thus  not the raw value but the differences between raw values and predicted values.  o In this way, “Ganglion cells signal not the raw visual image but the departures  from the predictable structure, under the assumption of spatial and temporal  uniformity.” This saves on bandwidth, and also flags what is (to use Hosoya et  al.’s own phrase) most “news­worthy” in the incoming signal.

∙ Hosoya et al. predicted that, in the interests of efficient, adaptively potent, encoding, the  behavior of the retinal ganglion cells (specifically, their receptive field properties) should  vary as a result of adaptation to the current scene or context, exhibiting what they term  “dynamic predictive coding.”

∙ Putting salamanders and rabbits into varying environments, and recording from their  retinal ganglion cells, Hosoya et al. confirmed their hypothesis: Within a space of several  seconds, about 50% of the ganglion cells altered their behaviors to keep step with the  changing image statistics of the varying environments.

o In sum, retinal ganglion cells seem to be engaging in a computationally and  neurobiologically explicable process of dynamic predictive recoding of raw image inputs, whose effect is to “strip from the visual stream predictable and therefore  less newsworthy signals.”

∙ Hohwy et al.’s (2008) hierarchical predictive coding model of binocular rivalry: o Binocular rivalry is a striking form of visual experience that occurs when, using a  special experimental set­up, each eye is presented (simultaneously) with a  different visual stimulus.

o Pursues an “epistemological” approach: one whose goal is to reveal binocular  rivalry as a reasonable (knowledge­oriented) response to an ecologically unusual  stimulus condition.

o In the binocular rivalry case, however, the driving (bottom­up) signals contain  information that suggests two distinct, and incompatible, states of the visually  presented world

∙ Action­oriented predictive processing

o perception and action both follow the same deep “logic” and are even  implemented using the same computational strategies. A fundamental attraction of these accounts thus lies in their ability to offer a deeply unified account of  perception, cognition, and action.

o Perception is here depicted as a process that attempts to match incoming “driving” signals with a cascade of top­down predictions (spanning multiple spatial and  temporal scales) that aim to cancel it out.

 unifying perspective on perception and action suggests that action is both  perceived and caused by its perception.

o Very roughly – see Todorov (2009) for a detailed account – you treat the desired  (goal) state as observed and perform Bayesian inference to find the actions that  get you there.

∙ Free­energy minimization framework:

o Thermodynamic free energy is a measure of the energy available to do useful  work

 Transposed to the cognitive/informational domain, it emerges as the  difference between the way the world is represented as being, and the way  it actually is

o Entropy, in this information­theoretic rendition, is the long­term average of  surprisal, and reducing information­theoretic free energy amounts to improving  the world model so as to reduce prediction errors, hence reducing surprisal (since  better models make better predictions).

o The overarching rationale:

 good models help us to maintain our structure and organization, hence  (over extended but finite timescales) to appear to resist increases in 

entropy and the second law of thermo­dynamics. They do so by rendering  us good predictors of sensory unfoldings, hence better poised to avoid  damaging exchanges with the environment.

o The “free­energy principle” itself then states that “all the quantities that can  change; i.e. that are part of the system, will change to minimize free­energy”

1. Representation, inference, and the continuity of perception, cognition, and action ∙ Depicted as a kind of duplex architecture: one that at each level com­bines quite  traditional representations of inputs with representations of error.

∙ What is most distinctive about this duplex architectural proposal (and where much of  the break from tradition really occurs) is that it depicts the forward flow of  information as solely conveying error, and the backward flow as solely conveying  predictions.

From action­oriented predictive processing to an architecture of mind

∙ Despite that truly impressive list of virtues, both the hierarchical predictive processing  family of models and their recent generalizations to action face a number of important  challenges, ranging from the evidential to the conceptual to the more methodological.

∙ The best current evidence tends to be indirect, and it comes in two main forms. The first  (which is highly indirect) consists in demonstrations of precisely the kinds of optimal  sensing and motor control that the “Bayesian brain hypothesis” suggests.

∙ Another example is the Bayesian treatment of color perception, which again accounts for  various known effects (here, color constancies and some color illusions) in terms of  optimal cue combination.

∙ According to Mumford:

o a very general worry that is some­times raised in connection with the large­scale  claim that cortical processing fundamentally aims to minimize prediction error,  thus quashing the forward flow of information and achieving what Mumford  evocatively describes as the “ultimate stable state.”

 It can be put like this: How can a neural imperative to minimize prediction error by enslaving perception, action, and attention accommodate the 

obvious fact that animals don’t simply seek a nice dark room and stay in  it? Surely staying still inside a darkened room would afford easy and nigh perfect prediction of our own unfolding neural states? Doesn’t the story  thus leave out much that really matters for adaptive success: things like  boredom, curiosity, play, exploration, foraging, and the thrill of the hunt?

 Simple Response: animals like us live and forage in a changing and  challenging world, and hence “expect” to deploy quite complex “itinerant” strategies to stay within our species­specific window of viability.

∙ If what we want to understand is the specific functional architecture of the human mind,  the distance between these very general principles of pre­diction­error minimization and  the specific solutions to adaptive needs that we humans have embraced remains daunting.

Content and consciousness

∙ It might be suggested that merely accommodating the range of human personal­level  experiences is one thing, while truly illuminating them is another.

∙ It seems correct (see, e.g., Coltheart 2007) to stress that perceptual anomalies alone will  not typically lead to the strange and exotic belief complexes found in delusional subjects.  But must we therefore think of the perceptual and doxastic components as effectively  independent?

o A possible link emerges if perception and belief­formation, as the present story  suggests, both involve the attempt to match unfolding sensory signals with top down predictions. 

o Importantly, the impact of such attempted matching is precision­mediated in that  the systemic effects of residual prediction error vary according to the brain’s  confidence in the signal 

o With this in mind, Fletcher and Frith (2009) canvass the possible con­sequences  of disturbances to a hierarchical Bayesian system such that prediction error  signals are falsely generated and – more important – highly weighted (hence  accorded undue salience for driving learning).

∙ Another area in which these models are suggestive of deep facts about the nature and  construction of human experience concerns the character of perception and the relations  between perception and imagery/visual imagination. 

∙ Pre­diction­driven processing schemes, operating within hierarchical regimes of the kind  described above, learn probabilistic generative models in which each neural population  targets the activity patterns displayed by the neural population below. What is crucial  here – what makes such models generative as we saw in section 1.1 – is that they can be  used “top­down” to predict activation patterns in the level below. 

∙ The practical upshot is that such systems, simply as part and parcel of learning to  perceive, develop the ability to self­generate perception­like states from the top down, by  driving the lower populations into the predicted patterns.

Taking stock

∙ Concerning representation, the stories on offer are potentially radical in at least two  respects.

o  First, they suggest that probabilistic generative models underlie both sensory  classification and motor response. 

o And second, they suggest that the forward flow of sensory data is replaced by the  forward flow of prediction error.

∙ Action­oriented predictive processing models come tantalizingly close to overcoming  some of the major obstacles blocking previous attempts to ground a unified science of  mind, brain, and action.

∙  They take familiar elements from existing, well­understood, computational approaches  (such as unsupervised and self­supervised forms of learning using recurrent neural  network architectures, and the use of probabilistic generative models for perception and  action) and relate them, on the one hand, to a priori constraints on rational response (the  Bayesian dimension), and, on the other hand, to plausible and (increasingly) testable  accounts of neural implementation.

Consciousness and Neuroscience

∙ Main Purposes: to set out for neuroscientists one possible approach to the problem of  consciousness and to describe the relevant ongoing experimental work.

Clearing the Ground

∙ Two reasons why neuroscientists do not attempt to study consciousness: o They consider it to be a philosophical problem, and so best

left to philosophers

o They concede that it is a scientific problem, but think it is

premature to study it now

∙ Major question that neuroscience must first answer: 

o It is probable that at any moment some active neuronal processes in your head  correlate with consciousness, while others do not: what is the difference between  them?

o In particular, are the neurons involved of any particular neuronal type? What is  special (if anything) about their connections? And what is special (if anything)  about their way of firing? The neuronal correlate of consciousness is often  referred to as the NCC. Whenever some information is represented in the NCC it  is represented in consciousness.

∙ Tentative assumption (Crick and Koch, 1990): 

o All the different aspects of consciousness (pain, visual awareness, self consciousness, and so on) employ a basic common mechanism or perhaps a few  such mechanisms. If one could understand the mechanism for one aspect, then,  we hope, we will have gone most of the way towards understanding them all.

∙ Until the problem of consciousness is understood much better, any attempt at a formal  definition is likely to be either misleading or overly restrictive, or both ∙ It is plausible that some species of animals — in particular the higher mammals —  possess some of the essential features of consciousness, but not necessarily all. For this  reason, appropriate experiments on such animals may be relevant to finding the 

mechanisms underlying consciousness. It follows that a language system (of the type  found in humans) is not essential for consciousness — that is, one can have the key  features of consciousness without language.

∙ It is probable, however, that consciousness correlates to some extent with the degree of  complexity of any nervous system. When one clearly understands, both in detail and in  principle, what consciousness involves in humans, then will be the time to consider the  problem of consciousness in much simpler animals.

∙ There are many forms of consciousness, such as those associated with seeing, thinking,  emotion, pain, and so on.

o Self­consciousness — that is, the self­referential aspect of consciousness — is  probably a special case of consciousness.

Visual Consciousness

∙ Our visual percepts are especially vivid and rich in information. In addition, the visual  input is often highly structured yet easy to control.

Why Are We Conscious?

∙ We have suggested (Crick and Koch, 1995a) that the biological usefulness of visual  consciousness in humans is to produce the best current interpretation of the visual scene  in the light of past experience, either of ourselves or of our ancestors (embodied in our  genes), and to make this interpretation directly available, for a sufficient time, to the parts of the brain that contemplate and plan voluntary motor output, of one sort or another,  including speech

∙ Zombie concept: a person uses current visual input to produce a relevant motor output,  without being able to say what was seen.

∙ As pointed out to us by Ramachandran and Hirstein (1997), it is sensible to have a single  conscious interpretation of the visual scene, in order to eliminate hesitation ∙ Milner and Goodale (1995) suggest that in primates there are two systems, which we  shall call the on­line system and the seeing system. The latter is conscious, while the  former, acting more rapidly, is not.

The Nature of the Visual Representation

∙ To be aware of an object or event, the brain has to construct a multilevel, explicit,  symbolic interpretation of part of the visual scene. 

o By multilevel, we mean, in psychological terms, different levels such as those that correspond, for example, to lines or eyes or faces. In neurological terms, we  mean, loosely, the different levels in the visual hierarchy (Felleman and Van  Essen, 1991). The important idea is that the representation should be explicit

∙ We postulate that one set of such neurons will be all of one type (say, one type of  pyramidal cell in one particular layer or sublayer of cortex), will probably be fairly close  together, and will all project to roughly the same place.

∙ As a working hypothesis we have assumed that only some types of specific neurons will  express the NCC. It is already known that the firing of many cortical cells does not  closely correspond to what the animal is currently seeing. 

∙ An alternative possibility is that the NCC is necessarily global (Greenfield, 1995). In one  extreme form this would mean that, at one time or another, any neuron in cortex and  associated structures could express the NCC. At this point we feel it more fruitful to  explore the simpler hypothesis — that only particular types of neurons express the NCC  — before pursuing the more global hypothesis.

Where is the Visual Representation?

∙ The conscious visual representation is likely to be distributed over more than one area of  the cerebral cortex and possibly over certain subcortical structures as well.  ∙ We have argued that in primates, contrary to most received opinion, it is not located in  cortical area V1 (also called the striate cortex or area 17)

∙ Suggest is that the neural activity there is not directly correlated with what is seen. What is Essential for Visual Consciousness?

∙ When one is actually looking at a visual scene, the experience is very vivid. This should  be contrasted with the much less vivid and less detailed visual images produced by trying to remember the same scene. (A vivid recollection is usually called a hallucination.)

∙ We are concerned here mainly with the normal vivid experience. (It is possible that our  dimmer visual recollections are mainly due to the back pathways in the visual hierarchy  acting on the random activity in the earlier stages of the system.)

∙ If we do not pay attention to some part or aspect of the visual scene, our memory of it is  very transient and can be overwritten (masked) by the following visual stimulus. ∙ Our impression that at any moment we see all of a visual scene very clearly and in great  detail is illusory, partly due to ever­present eye movements and partly due to our ability  to use the scene itself as a readily available form of memory, since in most circumstances the scene usually changes rather little over a short span of time

∙ It seems to us that working memory is a mechanism for bringing an item, or a small  sequence of items, into vivid consciousness, by speech, or silent speech ∙ Consciousness, then, is enriched by visual attention, though attention is not essential for  visual consciousness to occur 

∙ Attention is broadly of two types: bottom­up, caused by the sensory input; and top­down, produced by the planning parts of the brain.

∙ It is important to discover the difference between the on­line system, which is  unconscious, from the seeing system, which is conscious. 

o Milner and Goodale (1995) suggest that the on­line system mainly uses the dorsal  visual stream. They propose that rather than being the ‘where’ stream, as  suggested by Ungerleider and Mishkin (1982), it is really the ‘how’ stream. This  might imply that all activity in the dorsal stream is unconscious. 

o The ventral stream, on the other hand, they consider to be largely conscious. An  alternative suggestion, due to Steven Wise (personal communication and  Boussaoud et al. 1996), is that direct projections from parietal cortex into premotor areas are unconscious, whereas projections to them via prefrontal cortex are related to consciousness.

Bistable Percepts

∙ The present most important experimental approach to finding the NCC is to study the  behavior of single neurons in the monkey’s brain when it is looking at something that  produces a bistable percept. 

∙ The visual input, apart from minor eye movements, is constant; but the subject’s percept  can take one of two alternative forms.

∙ Allman suggested a more practical alternative: to study the responses in the visual system during binocular rivalry. 

o If the visual input into each eye is different, but perceptually overlapping, one  usually sees the visual input as received by one eye alone, then by the other one,  then by the first one, and so on. The input is constant, but the percept changes.