Chapter 6. Object Recognition

Two Paths in Visual Information Processing

Primary visual cortex

→ ① Ventral pathwaytoward anterior temporal regions

“What” pathway

→ ② Dorsal pathwaytoward parietal regions“Where” pathway

1. The “What” Ventral Visual System

Ventral visual-processing streamOccipitalOccipitotemporaltemporal regions responsive only to visual information

Challenges of Visual Object Recognition in Mammals3D world ⇒ 2D retina ⇒ 3D reconstruction in mindOvercome variations in retinal size, position, and orientation

1) Evidence from Nonhuman Primates

What makes the “What” region cells fire?

① 단순한 자극은 posterior region의(V2) : color, texture, length, width, orientation, direction of motion, spatial frequency보다 복잡한 자극은 anterior region의(PIT&AIT) : Hands, faces

② anterior region에 있는 세포의 receptive field가 posterior region보다더 큼

foveal regions을 항상 포함하는 큰 receptive field ⇒ object recognition 가능하게 하는 기전

③ Ventral processing stream에 있는 세포들은 color에 민감

⇒ figure-ground separation을 효율적으로 하는 기전

2) Evidence from Humans

Human object recognition 영역

lateral occipital cortex (LOC)the fusiform face areathe parahippocampal place area

Object recognition 의 특징

form-cue invariance: independent of the form of the

visual cueperceptual constancy: retinal size, position, illumination,

vantage point

인간의 물체 재인 과정에 대한 관점

① dedicated modules for specific classes of objects: temporal lobe has a variety of regions tuned to identifying very

specific classes of objects.eg. Fusiform Face Area, Parahippocampal Place Area,

exstrastriate body area

② distributed network: different types of objects are all processed across this entire

set of brain regions, and what varies for each class of object is the pattern of activation across the regions.

③ hybrid model

Lateralized Ventral Visual Processing Pathway

Local processing & global processing

♣ Hierarchical stimuli를 이용한 실험 (Navon, 1977)우반구 : global information좌반구 : local information

① Lesion studiesleft lesion: local information processing 장애

right lesion: global information processing 장애

② Visual Field presentationhierarchical stimuli에서 부분적인 정보와 전체적인 정보가 일치하는조건(Z-z)보다 불일치하는 조건(M-z)에서 반응시간이 더 길어짐.esp. when identifying local info → global precedence

전체 정보와 부분적인 정보는 병렬적이고 비교적 독립적으로 처리됨

2. Computational Models of Object Recognition

Classic computational model of object recognition (Marr, 1982)

: 물체 재인을 위해, 뇌는 망막의 정보들로부터 추리하여 시각 세계에 대한 일련의 표상을 구성함.

세 가지 main representation primal sketch : 망막에 들어온 시각 정보의 “rough draft”. 선, 모서리 명세할 수 있도록 도와줌

2 1⁄2-D representation : 표면의 상대적 깊이에 대한 정보 제공

3-D representation : orient invariant, volumetric representation

뇌가 어떻게 물체를 지각하는가?

① Object-centered representation에 기초한 모델

♣ RBC (Recognition by component) theoryAn object is specified as a particular set of geons arranged in a particular spatial configuration

② Viewer-centered representation에 기초한 모델

: 사물의 특정한 local area들의 배열과 이미 뇌 속에 저장된 사물의 정보를 비교해서 특정한 사물을 인지

이 두 기제를 통해 처리되는 정보가 상호보완적으로 물체 재인에 기여할 수 있음

Agnosia

Without KnowledgeFreud가 처음 명명

“It was not result of disruptions in sensory processes but rather reflected an inability to gain access to previous knowledge or information about a sensory experience”

Modality Specific

3. Visual Agnosia

Inability to recognize a visual object

시각 정보 처리의 결함이나, 기억 장애로 인한 것이 아님.

Visual modality specific

종류1890s, Lissauer가 구분하기 시작

① apperceptive agnosia② associative agnosia

Apperceptive vs. Associative

Apperceptive agnosia시각 정보가 초보적인 수준에서는 처리되지만 의미있는 전체(percept)가 지각될 수 있도록 이 정보들을 통합하는데 실패

Associative agnosia시각정보를 통합하여 의미있는 전체(percept)를 형성할 수 있지만, 그 percepts를 저장되어 있는 지식과 연결시키지 못함

사물을 볼 수는 있지만, 그것이 무엇인지 모름

1) Apperceptive Agnosia

Classical Apperceptive Agnosia

밝기, 색깔, 선 방향, 움직임 등의 기초적인 시각 정보는 처리할 수 있으나 이를 통합하여‘contuor’와 같이 보다 복잡한시각정보를 추출해내지 못함.

주로 일산화탄소 중독에 의한occipital lobe과 주변영역

(ventral visual-processing)의전반적인 외상에서 기인

Perceptual categorization에장애가 있는 것과 구별할 필요가 있음.

Different Type of Apperceptive Agnosia:Perceptual categorization에 장애가 있는 경우

지각적 범주화 (Perceptual categorization) : 감각체계로 들어오는 정보에는 변화가 있어도 같은 사물로 물체를 범주화하는 것

지각적 조직화(Perceptual organization)는 온전하지만, 윤곽정보가 일부 손상되었거나 겹쳐져 있는 경우, 혹은사물이 친숙하지 않은 비전형적인 모습을 하고 있을 때에는 재인 실패(atypical position or lighting)

지각적 범주화의 장애

Different Type of Apperceptive Agnosia:Perceptual categorization에 장애가 있는 경우

주로 Rt. parietal region의 손상과 관련Inability to extract the spatial invariants among objects

Ventral visual-processing stream의 손상이 아니기때문에 전형적인 perceptive agnosia 환자보다 시각능력은 더 좋음

2) Associative Agnosia

Apperceptive agnosia 환자와는 달리 시각 자극의 복사는 어렵지 않으나 기억을 해서 같은 그림을 그려야 하는경우에는 실패.

기억에 의한 문제는 아님.(말로나 동작으로는 적절한 정의를 내릴 수 있기 때문)

즉, 볼 수는 있으나 보고 있는것이 무엇인지 모름

시각정보를 기억 속의 의미정보와 연결시키는 데 실패

Copy

Retrieval from memory

2) Associative Agnosia

대체로 bilateral occipitotemporal region의 외상에서 기인.

초기에는 이 환자들의 시각처리 능력이 정상이라고 생각되었으나 최근 연구에 의하면 그렇지 않다는 증거도 있음

Use point-by-point comparison

Object recognition is dependent on the quality of the visual stimuli

Errors of visual similarity

Difficulty matching complex visual stimuli with no semantic meanings

3) Differences Between Apperceptive Agnosia and Associative Agnosia

차이점

: associative agnosia 환자가apperceptive agnosia 환자보다 더 자세한 시각 정보를지각하고, 전반적인 형태에대한 정보도 어느 정도 추출할 수 있음

공통점

: 시각 정보를 의미와 연결시키는 능력은 둘 다 결여

4. Face-Recognition Difficulties as a Special Type of Visual Agnosia

♣ Prosopagnosia

visual agnosia가 얼굴에 국한된 경우

얼굴이 얼굴인 것은 인식하며 얼굴을 보고 성별이나, 상대적 나이, 감정을 유추할 수 있으나 누구의 얼굴인지 구별하지 못함

우반구 손상 시

1) Face Recognition in Other Species

♣ cell-recording을 이용한 동물 연구

① sheep : temporal regions의 cell이 뿔 달린 양과 그렇지않은 양에게 선택적으로 반응

② monkey : 얼굴을 인식하는데 특별한 역할을 하는 specific region (inferotemporal cortex)이 존재하며, 이 영역의 세포들은 얼굴 처리의 특정한 측면에 미세하게 tuned“grandmother cell theory”- small number of cells for each face?More likely is, Diffuse network of cells responding differently to each face

2) Face Recognition in Humans

Yin (1970): posterior section of right hemisphere is specialized for face recognition

정상인에게서 보이는 얼굴재인에서의 inversion effect가우반구 손상 환자에게는 적게관찰됨.

→ 우반구가 얼굴 인식에 필요한configurational info 처리에 중요한 역할을 한다.

“inversion effect”: upright stimuli 보다 inverted stimuli를 더 기억하기 힘들어 하는 현상일반 사물보다 얼굴 인식에서 더 큼.

→ 얼굴 인식에는 configurationalinformation이 중요함을 시사

Neural Correlates of Face Perception

♣ recording of electrical potentials

N200: 정상인의 경우, 얼굴 자극을본 뒤 약 200ms 후에 negative amplitude를 가지는 뇌파

N200 only to faces especially upright faces

Stronger in Rt. hemispherefusiform gyrus & inferotemporalregion

♣ Brain Imaging Studies① PET 연구 (Sergent et al., 1992): ventral regions of extrastriate cortex in the right H

② fMRI 연구 (Kanwisher, McDermott, & Chun, 1997): “fusiform face area” 발견

anterior areas of the fusiform gyrus & parahippocampal gyrus

♣ Lesion Studiesdouble dissociation technique in patientsobject recognition (LH) vs. face recognition (RH)

Neural Correlates of Face Perception

Face Identification

♣ anterior regions of right hemisphere

① PET 연구 (Sergent, Ohta, & McDonald, 1992): face identification task 수행 시, anterior region of the Rt. fusiform and

parahippocampal gyrus 가 활성화됨

②Single-cell recording in epileptic patients: cells in the anterior regions of the temporal lobe (RH) fired to faces

with known identities

③ Lesion studies with patients: prosopagnosia with difficulty in matching face pictures tend to have

more posterior lesions (occipital region & posterior parts of medial temporal cortex)

: prosopagnosia with difficulty in identifying the face has lesions more anterior regions of the Rt. fusioform and/or parahippocampal gyrus

Interpreting Facial Expression

♣ superior temporal sulcus

시선 처리와 머리 방향, 특히 입과 관련된 facial gesture에민감한 cell들이 분포

얼굴 표정과 같은 changeable aspects 인식에 중요한 역할

Cf. facial identity와 invariant aspects에는 lateral fusiformarea가 관여한다.

3) Role of Experience of Expertise in Face-processing Capacities

Inversion effect가 경험에 의해 생긴다고 가정

(R. Diamond & Carey, 1986): 특정 물체에 대한 반복적인 경험을 통해 configurational strategy를

가지게 되며, 얼굴 외에도 경험을 많이 한 물체에 대해서는 inversion effect가 나타날 것이다.

Inversion Effects in Face and Show Dogs (R. Diamond & Carey, 1986)

College students: greater for facesShow Dog Judges: similar for the two things

경험을 통해 우반구에 의존한 configural strategy를 더 많이 사용하게됨

3) Role of Experience of Expertise in Face-processing Capacities

Focal Lesion Studies of Patients with Prosopagnosiacar expert able to identify car make, model, and productiongentleman farmer able to identify sheep faces

fMRI Studies of Normal SubjectsFusiform face areas activate when

car experts differentiate carsbird experts differentiate birds

Fusiform Face Area Really for Face Processing?

4) Implicit Recognition of Faces in prosopagnosicpatients① electrodermal skin conductance

:이전에 알았던 얼굴에 대한 반응이몰랐던 얼굴에 대한 반응 보다 더 큼

② behavioral priming studies

: 얼굴- 이름 학습에서 예전에 알고있던 얼굴에 이름이 잘못 짝지어진경우, 간섭 효과를 보임

- Prosopagnosia를 ‘얼굴의 지각적속성-기억 속의 자서전적 정보 간의단절’ 때문으로 보기 어려움

- 뇌 손상으로 인해 얼굴의 시각적 정보의 양이 부족하거나 얼굴 재인의역치가 높아졌을 가능성

5. Category-Specific Deficits in Object Recognition

Category-specific deficits

: 특정 category의 물건들을 인식하는데 어려움을 겪는 경

우 (감각 처리 과정의 문제는 아님)

연구 결과에 의하면 agnostic deficit이라기 보다는 semantic memory system의 문제이거나 selective anomia라고 생각됨: 이름을 말해줘도 정의를 내리지 못함.

제안된 원인들

① 어떤 범주는 다른 범주에 비해 기억 정보로의 접근이 더 어려울 수있다.

② 손상된 범주의 특정 속성에 대한 정보에만 접근이 어려울 수 있다. ③ 생물과 무생물에 대한 기억 구조가 분리되어 있다.④ 기억을 되살릴 때, modality에 따라 정보의 중요도가 다르다.⑤ 같은 sensory modality 내의 일부 정보채널만 뇌 손상에 의해 손상

될 수 있다. 손상된 정보 채널에 더 의존적인 item이 더 쉽게 영향을 받음

⑥ 생물체는 perceptual properties를 중심으로, 비생물체는information on use를 중심으로 인지된다.

⑦ 기억이 modality-specific meaning systems으로 조직화되며, 손상된 특정 modality를 통해서는 물체에 대한 정보를 인출해 내지못함. 다른 modality를 통한 감각정보는 기억 체계에 차별적으로접근할 수 있는 듯

6. Agnosias in Others Modalities

1) Auditory Agnosia① verbal auditory agnosia

the location of vocal tract ‘g’ vs. ‘p’

temporal offset ‘b’ vs. ‘p’

② nonverbal auditory agnosia

③ mixed auditory agnosia

2) Somatosensory Agnosia① 촉각 정보를 이용해서 물체를 지각할 수 없는 경우

② 지각은 괜찮은 편이지만 의미화 시키지 못하는 경우