Computational modelling of visual fear conditioning

Abstract

Detecting a potentially threatening stimulus is a crucial operation for the survival of any organism and is often related with the expression of fear. Fear is a well studied emotion because apart from being an innate response it can also be learned by the process of conditioning, through which an otherwise neutral stimulus acquires affective properties. Although there is a growing understanding of this mechanism’s processing of visual stimuli, sufficient techniques for visual fear conditioning have not yet been produced. Further, although this is a highly evolved and efficient system it has never been explored as an alternative architecture for complex threat detection tasks. This system is comprised of a cortical and sub-cortical pathway that transmits stimuli to the amygdala, the neural structure responsible for threat evaluation. In this work, we provide an abstract yet biologically plausible representation of the participating neural structures in this process which is evaluated against abstract and real-world two-dimensional visual inputs. Our model provided computational evidence for the influence of the sub-cortical pathway on the amygdala under simulations of visual masking experiments. In addition, its use for the task of emotional face classification has verified its capability to handle complex inputs achieving a classification accuracy of 77% for the six basic emotions. In order to further strengthen the biological plausibility of our model, we have shown that its mechanics are adequate to develop synaptic formations that approximate centre-surround and orientation selective visual receptive fields. Finally, we have demonstrated that our architecture can be extended to biologically plausible simulations of neural structures such as the superior colliculus (SC). We reproduced behaviour observed in the SC, such as coordinate alignment, multisensory integration of abstract audio and visual inputs, and the effect of cortical feedback on multisensory responses.

Η ανίχνευση ενός δυνητικά απειλητικού ερεθίσματος είναι μια κρίσιμη λειτουργία για την επιβίωση κάθε οργανισμού και συχνά συνδέεται με την έκφραση του φόβου. Ο φόβος είναι ένα καλά μελετημένο συναίσθημα, διότι εκτός από την έμφυτη αντίδραση μπορεί επίσης να μαθευτεί μέσω της διαδικασίας της εξάρτησης, μέσω της οποίας ένα κατά τα άλλα ουδέτερο ερέθισμα αποκτά συναισθηματικές ιδιότητες. Παρά την αυξανόμενη κατανόηση της επεξεργασίας των οπτικών ερεθισμάτων από αυτόν τον μηχανισμό, δεν έχουν παραχθεί ακόμη επαρκείς τεχνικές για την οπτική εξάρτηση φόβου. Επιπλέον, παρόλο που αυτό είναι ένα ιδιαίτερα εξελιγμένο και αποδοτικό σύστημα, δεν έχει ποτέ εξερευνηθεί ως εναλλακτική αρχιτεκτονική για σύνθετες εργασίες ανίχνευσης απειλών. Το σύστημα αυτό αποτελείται από μια φλοιική και μια υποφλοιική οδό που μεταδίδει ερεθίσματα στην αμυγδαλή, τη νευρική δομή που είναι υπεύθυνη για την αξιολόγηση των απειλών. Στη εργασία μας, παρέχουμε μια αφηρημένη αλλά βιολογικά εύλογη αναπαράσταση των συμμετεχόντων νευρικών δομών σε αυτή τη διαδικασία, η οποία αξιολογείται έναντι αφηρημένων και πραγματικών δισδιάστατων οπτικών εισροών.Το μοντέλο μας παρείχε υπολογιστικά στοιχεία για την επίδραση της υποφλοιικής οδού στην αμυγδαλή υπό προσομοιώσεις πειραμάτων οπτικής μάσκας. Επιπλέον, η χρήση του για την ταξινόμηση συναισθηματικών εκφράσεων προσώπου επιβεβαίωσε την ικανότητά του να διαχειρίζεται σύνθετες εισροές, επιτυγχάνοντας ακρίβεια ταξινόμησης 77% για τα έξι βασικά συναισθήματα. Για να ενισχύσουμε περαιτέρω τη βιολογική ευλογοφάνεια του μοντέλου μας, δείξαμε ότι οι μηχανισμοί του είναι επαρκείς για την ανάπτυξη συναπτικών σχηματισμών που προσεγγίζουν κεντρικά-περιφερειακά και επιλεκτικά ως προς τον προσανατολισμό οπτικά πεδία υποδοχής. Τέλος, δείξαμε ότι η αρχιτεκτονική μας μπορεί να επεκταθεί σε βιολογικές προσομοιώσεις νευρικών δομών όπως ο άνω διδύμιο (ΑΔ). Αναπαράξαμε συμπεριφορές που παρατηρούνται στο ΑΔ, όπως η ευθυγράμμιση συντεταγμένων, η πολυαισθητηριακή ενσωμάτωση αφηρημένων ακουστικών και οπτικών ερεθισμάτων και η επίδραση της φλοιικής ανάδρασης στις πολυαισθητηριακές αποκρίσεις.