Mechanistic and neural basis of choice-induced biases in decision-making

Abstract

Our decisions are influenced by biases, some of which arise from our past choices themselves. Real-world decisions are embedded in sequences of other decisions, making them even more susceptible to such choice-induced biases. These choice-induced biases manifest in many forms. In this thesis, I investigated the mechanistic basis of such biases by studying how intermittent decisions influence subsequent decision-relevant evidence, and how neural signals sensitive to previous choices affect current choices. Understanding the mechanistic and neural basis of these biases provides crucial insights into the fundamental processes underlying decision-making. These questions were addressed in perceptual decisions, a class of decisions that require making inferences using simple sensory information, like judging the average direction of a stream of dots displayed on a computer screen. Confirmation bias is a well-known and pervasive bias of human reasoning, where they tend to ignore evidence that doesn’t agree with their beliefs. We tested if humans show confirmation bias for simple sensory evidence, and thereby establish a lower-limit to the bias. Human subjects saw a stream of moving dots on a computer screen, and reported a category judgment whether on average the dots moved to the left, or right of a reference line on the screen. They then saw a second stream of moving dots, which might move in a slightly different direction. Finally, they estimated the average direction across the two streams as precisely as possible. We found that the direction of dots in the second stream consistent with the initially chosen category had a greater influence on the estimations, and directions inconsistent with the category had little influence. Our findings suggest that choices selectively direct attention towards the chosen alternatives in the upcoming evidence. These findings were generalized to judgments of symbolic numerical evidence, establishing the robustness of the results. Observing confirmation bias in simple sensory decisions that do not carry any meaning to the subjects suggests that this bias is fundamental to our decision-making behavior. In the same task above, subjects were asked to refrain from reporting their category judgment after the first stream in a few trials. We then compared the two conditions within the same group of subjects: overt commitment vs non-commitment to the categorical judgment. We found that choice commitment was followed by an increase in pupil size, and a decrease in overall sensitivity to evidence in the second stream. The increase in pupil size reflects a transient release of neuromodulatory signals that possibly push the decision-making networks in the brain to a state less sensitive to new evidence. On the other hand, with-holding from choice commitment made subjects more sensitive to the second stream, but at the expense of reduced sensitivity to the first stream. Thus, commitment to a categorical proposition alters the way in which previous and subsequent decision-relevant evidence is processed. Furthermore, the choice-induced overall reduction in sensitivity in a given individual reliably predicts the extent of choice-induced confirmation bias in the same individual, suggesting that these two biases could be mediated by a common mechanism. Sequential bias is another form of choice-induced bias commonly observed in laboratory tasks of decision-making where previous decisions tend to affect current decisions, even when subjects know that past decisions do not influence current sensory information. We measured the brain activity of human subjects making simple perceptual choices, and related the neural activity to their choice behavior. We identified two sets of brain regions with choice-specific signals: one set that contained transient choice-specific signals about the current and previous choices, the strength of which predicted the subjects’ sequential bias; and another set that contained sustained choice-specific signals even in the absence of sensory information whenever subjects repeated their previous choices. Taken together, the results presented in this thesis suggest that rather than being the end-points of a deliberation, choices act as contextual factors biasing how we perceive the world at a fundamental level.

Unsere Entscheidungen werden durch kognitive Verzerrungen (engl. „cognitive bias“) beeinflusst, von denen einige aus unseren vergangenen Entscheidungen selbst entstehen. Im Alltag sind Entscheidungen in eine Reihe von anderen Entscheidungen eingebettet, was sie noch anfälliger für solche, durch Entscheidungen ausgelöste Verzerrungen, macht. Diese entscheidungsinduzierten Verzerrungen manifestieren sich in unterschiedlichen Formen. In dieser Dissertation habe ich die mechanistische Grundlage solcher kognitiver Verzerrungen erforscht. Dazu habe ich untersucht, wie zwischenzeitliche Entscheidungen anschließende, entscheidungsrelevante Information beeinflussen und wie neuronale Signale, die sensibel für vorangegangene Entscheidungen sind, gegenwärtige Entscheidungen beeinflussen. Das Verständnis für die mechanistische und neuronale Grundlage kognitiver Verzerrungen gibt wesentliche Einblicke in die fundamentalen Prozesse, die der Entscheidungsfindung zugrundeliegen. Diesen Fragen wurde anhand perzeptueller Entscheidungen nachgegangen, einer Form von Entscheidungen, die Schlussfolgerungen aus einfachen sensorischen Informationen, wie zum Beispiel der Beurteilung der durchschnittlichen Richtung von flimmernden Punkten in einem visuellen Stimulus, erfordert. Die Bestätigungstendenz (engl. „confirmation bias“) ist eine bekannte und allgegenwärtige kognitive Verzerrung, wobei Information, die nicht mit den eigenen Ansichten übereinstimmt, ignoriert wird. Wir haben getestet, ob Menschen die Bestätigungstendenz bei einfacher sensorischer Information zeigen und eine Untergrenze für diese Verzerrung etabliert. Den Probanden wurden dabei visuelle Stimuli in Form von flimmernden Punkten auf einem Computerbildschirm gezeigt und sie sollten kategorisch beurteilen, ob sich die Punkte in Bezug auf eine Referenzlinie auf dem Bildschirm im Durchschnitt nach rechts oder nach links bewegten. Danach sahen sie einen zweiten Stimulus aus flimmernden Punkten, welche sich in eine geringfügig andere Richtung bewegen konnten. Schließlich beurteilten die Probanden die durchschnittliche Richtung der Punkte beider Stimuli so genau wie möglich. Wir konnten zeigen, dass die Richtung der Punkte im zweiten Stimulus einen größeren Einfluss auf die Beurteilung hatte, wenn sie mit der zuerst gewählten Kategorie konsistent war, während ihr Einfluss gering war, wenn sie mit der zuerst gewählten Kategorie inkonsistent war. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Entscheidungen unsere Aufmerksamkeit bei aufkommender Information selektiv auf die zuvor gewählte Alternative lenken. Die Robustheit dieser Ergebnisse wurde durch die Verallgemeinerung auf die Beurteilung von symbolischer, numerischer Evidenz gezeigt. Die Beobachtung der Bestätigungstendenz in einfachen, sensorischen Entscheidungen, die keine Bedeutung für die Testpersonen haben, legt nahe, dass diese Form kognitiver Verzerrung ein grundlegender Bestandteil unseres Entscheidungsverhaltens ist. In der gleichen Aufgabe wie oben sollten Probanden bei einigen Versuchen die Angabe eines kategorischen Urteils nach dem ersten Stimulus unterlassen. Anschließend haben wir die zwei Bedingungen innerhalb derselben Gruppe von Probanden verglichen: offenkundige Festlegung vs. keine Festlegung auf ein kategorisches Urteil. Wir haben herausgefunden, dass die Festlegung auf eine Entscheidung zu einer Zunahme der Pupillengröße und einer Abnahme der allgemeinen Empfindlichkeit gegenüber der Information im zweiten Stimulus führt. Die Pupillenerweiterung reflektiert eine vorübergehende Freisetzung neuromodulatorischer Signale im Gehirn, die möglicherweise Netzwerke der Entscheidungsfindung in einen Zustand versetzen, der weniger empfindlich gegenüber neuer Evidenz ist. Andererseits machte das Zurückhalten der Festlegung auf eine Entscheidung die Probanden sensibler gegenüber dem zweiten Stimulus, allerdings auf Kosten von reduzierter Sensibilität für den ersten Stimulus. Demnach verändert die Festlegung auf eine kategorische Aussage die Art und Weise, in der vorangegangene und nachfolgende entscheidungsrelevante Information verarbeitet wird. Außerdem kann die, durch die Entscheidung hervorgerufene, allgemeine Verringerung der Sensibilität eines Individuums das Ausmaß der entscheidungsinduzierten Bestätigungstendenz desselben Individuums zuverlässig vorhersagen, was vermuten lässt, dass die beiden kognitiven Verzerrungen durch einen gemeinsamen Mechanismus vermittelt sein können. Die sequentielle kognitive Verzerrung (engl. „sequential bias“) ist eine weitere Form entscheidungsinduzierter Verzerrung, die häufig unter experimentellen Bedingungen beobachtet wird, wobei Entscheidungen in einem vorangegangenen, unabhängigen Durchgang (engl. „trial“) der Aufgabe dazu neigen, die Entscheidung im aktuellen Durchgang zu beeinflussen – auch wenn die Probanden wissen, dass ihre vorherige Entscheidung keine Auswirkung auf die aktuelle sensorische Information hat. Wir haben die Gehirnaktivität von Menschen während einfacher Wahrnehmungsentscheidungen gemessen und ihre neuronale Aktivität in Bezug zu ihrem Entscheidungsverhalten gesetzt. Wir haben zwei Gruppen von Hirnregionen mit entscheidungsspezifischer Aktivität identifiziert: die eine beinhaltet vorübergehende entscheidungsspezifische Signale über die aktuelle und vorangegangene Entscheidung, dessen Stärke die sequentiellen Verzerrung der Probanden vorhersagte; die andere beinhaltetet anhaltende entscheidungsspezifische Signale, auch in der Abwesenheit von sensorischer Information, immer wenn Probanden ihre vorherigen Entscheidungen wiederholten. Zusammengefasst legen die in dieser Dissertation dargestellten Ergebnisse nahe, dass Entscheidungen weniger der Endpunkt einer Überlegung sind, sondern dass sie eher als kontextuelle Faktoren wirken, die verzerren, wie wir die Welt wahrnehmen.