Neuronale Prozesse der räumlichen Informationsverarbeitung in natürlichen Szenen
Final Report Abstract
Ziel der Untersuchungen war es, die neuronalen Mechanismen der Verarbeitung visueller, räumlicher Informationen in natürlichen Szenen im menschlichen Gehirn zu charakterisieren. Statt einfacher, artifizieller Reize, wie z.B. Sinusgitter, verwenden wir Photographien komplexer, natürlicher Szenen, da diese eine bessere Übertragbarkeit der Ergebnisse auf die visuelle Verarbeitung unserer natürlichen Umgebung zulassen. Wir konzentrieren uns auf die Verarbeitung räumlicher Informationen, da diese am wichtigsten für die visuelle Wahrnehmung unserer natürlichen Umwelt sind. Die durchgeführten Untersuchungen spannen den Bereich von Kodierung räumlicher Informationen in frühen visuellen Arealen bis zur Interaktion von Objekt und Hintergrund hinsichtlich einfacher Bildmerkmale (Orientierung) und komplexer, wie Semantik. Die Schwerpunkte lagen (I) auf der neuronalen Kodierung der Inhalte des retinalen Bildes der natürlichen Umwelt in frühen visuellen Arealen und (II) dem Einfluss der räumlichen und zeitlichen Integration von Informationen auf die Wahrnehmung der Bildinhalte. Wir untersuchten die Prozesse mit psychophysischen und komplementären neurophysiologischen Methoden: der funktionellen Kernspintomographie (fMRI) mit hoher Ortsauflösung und der Magnetenzephalographie (MEG) mit hoher zeitlicher Auflösung. Die Ergebnisse zeigen, dass: (Ia) ein sparsamer neuronaler Code in V1 zur Repräsentation räumlicher Merkmale natürlicher Szenen nicht energieeffizienter ist als ein verteilter Code, der die lokale Kontrastenergie in repräsentiert. Demnach sind Kontrastenergie und Sparse Coding Theorien kompatibel. (Ib) Das frühe visuelle System gewichtet Informationen in unterschiedlichen räumlichen Auflösungen unterschiedlich und einfache Coarse-to-Fine Theorien berücksichtigen in natürlichen Szenen nur einen Teilaspekt der Dynamik der neuronalen Kodierung. Zwar fanden wir, im Einklang mit einem Coarse-to-Fine Informationsverarbeitungsschema, dass die Peaklatenzen der frühen kortikalen visuellen Populationsantwort (< 100 ms) mit natürliche Szenen von niedrigen zu hohen räumlichen Auflösungen hin zunehmen. Jedoch ist die Populationsantwort in V1 für mittlere Raumfrequenzen auch bei angepasstem Kontrast deutlich stärker als für niedrige, wodurch die schnellere Peak-Antwort in niedrigen räumlichen Auflösungen im wieder ausgeglichen werden könnte. Weiterhin erfolgt 100-200 ms später die attentionale Selektion der räumlichen Auflösung dynamisch in unterschiedlichen visuellen Arealen. Unsere Ergebnisse stützen die Coarse-to-Fine Theorien zu einem gewissen Grad, sie zeigen jedoch auch, dass deren Gültigkeitsbereich nur auf bestimmte Kontrastverhältnisse beschränkt sind und in der neurokognitiven Reizverarbeitung variiert werden können. II) Hinsichtlich der Dynamik der neuronalen Interaktion der Kodierung von Objekt und Hintergrund fanden wir neuronale Populationseffekte mit sehr kurzer Latenz (Objekt-Hintergrund Bedeutung: 120 ms; Orientierung: 150 ms). Der geringe neuronale Latenzunterschied zwischen Objekt-Kontext Interaktionen eines einfachen Merkmals wie Orientierung, und der Bedeutung von Objekt und Hintergrund, stehen im Einklang mit unseren Ergebnissen, dass beide das Antwortverhalten von Probanden in psychophysischen Untersuchungen mit einer ähnlichen Dynamik beeinflussen. Weiterhin zeigen unsere Ergebnisse eine sehr frühe Interaktion zwischen der Kodierung von Objekt und Hintergrund im visuellen System, die früher geschieht als die attentionale Selektion der räumlichen Auflösung. Die detaillierte Analyse der Aktivierungsverteilungen zeigte, dass die zugrundeliegenden Interaktionsprozesse sehr unterschiedlich sein könnten. Vor allem hinsichtlich der Orientierungsinteraktion bleibt weiter zu untersuchen, ob die gefundenen Verhaltenseffekte auf der frühen Interaktion beruhen oder auf einer möglichen späteren Orientierungsnormalisierung. Ergänzende Untersuchungen zu den Bereichen I und II sicherten die Resultate ab und breiteten die Basis für zukünftige, weiterführende Untersuchungen.
Publications
- (2004) The contribution of eye movements to anorthoscopic percepts under free viewing conditions. Perception 33, ECVP Abstract Supplement
Fendrich R., Rieger, J.W. & Heinze, H.-J.
- (2005) Effects of Retinal Painting on the Phenomenal Attributes of Figures Viewed Though a Narrow Slit. Perception 34, ECVP Abstract Supplement
R. Fendrich, J. W. Rieger & H.-J. Heinze
- (2005) Influence of orientation on rapid natural scene discrimination: Psychophysics and physiology. Perception 34, ECVP Abstract Supplement
Rieger, J.W., Koechy, N. Schalk, F. & Heinze, H.-J.
- (2005) Rapid natural scene discrimination: Orientation and context effects. Beiträge zur 8. Tübinger Wahrnehmungskonferenz, Knirsch Verlag, Kirchentellinsfurt
Köchy, N., Rieger, J.W. & Heinze, H.-J.
- (2006) BOLD response dependencies of chromatic content and temporal frequencies investigated in several visual areas. Cognitive Neuroscience Society Annual Meeting
Grüschow, M., Rieger, J.W. Gegenfurtner, K.R., Kanowski, M., Heinze, H-J.
- (2006) Differences in perisaccadic retinotopic and spatiotopic localization in the parietal and occipital cortices in the absence of visual input. Journal of Vision 6, 6th Annual Meeting of the Vision Science Society
Rieger, J.W., Schoenfeld, M.A., Heinze, H.-J., Bodis-Wollner, I.
- (2006) Effects of band pass filtering of natural scenes on the BOLD response in V1. Perception 35, ECVP Abstract Supplement
Schalk, F., Rieger, J. W., Koechy, N., Grueschow, M. & Heinze, H.-J.
- (2006) The neural site of attention matches the spatial scale of perception. Journal of Neuroscience, 26(13): 3532-40
Hopf, J.M., Luck, S.J., Boelmans, K., Schoenfeld, A., Boehler, N., Rieger, J.W. & Heinze. H- J.
- (2007) Audio-visual temporal correspondence modulates polysensory superior temporal sulcus plus visual and auditory primary cortices. Journal of Neuroscience, 27(42): 11431-41
Noesselt, T., Rieger, J.W., Schoenfeld, M.A., Kanowski, M., Heinze, H.-J., Driver, J.
- (2007) Endoscopic Eye Tracking System for fMRI. Journal of Neuroscience Methods, 160(1): 10-15
Kanowski, M., Rieger, J.W., Noesselt, T., Tempelmann, C., & Hinrichs, H.
- (2007) Investigations of brain activation predictive for natural scene recognition in single presentations. Perception 36, ECVP Abstract Supplement
Rieger J.W., Reichert C., Braun C., Heinze H.-J., Kruse R., Hinrichs H.
- (2007) Object-context interactions in visual natural scene processing with respect to orientation and semantics: A MEG study. Beiträge zur 10. Tübinger Wahrnehmungskonferenz, Knirsch Verlag, Kirchentellinsfurt, Germany
Köchy, N., Schalk, F., Heinze, H.-J., Rieger, J.W.
- (2007) The appearance of figures viewed through a narrow aperture under free viewing conditions: Effects of spontaneous eye motions. Journal of Vision, Article 10, 1-13
Rieger J.W., Grueschow M., Heinze H.-J., Fendrich R.
(See online at https://doi.org/10.1167/7.6.10) - (2008) Different spatial organizations of saccade related BOLD-activation in parietal and striate cortex. Brain Research 1233: 89-97
Rieger, J.W., Schoenfeld, M.A., Heinze, H.-J., Bodis-Wollner, I.
- (2008) Predicting the recognition of natural scenes from single trial MEG- recordings. NeuroImage 42: 1056-1068
Rieger J.W., Reichert C., Gegenfurtner, K.R., Braun C., Noesselt, T., Heinze H.-J., Kruse R., Hinrichs H.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2008.06.014) - (2008) Speed limits: Orientation and semantic context interactions constrain natural scene discrimination dynamics. Journal of Experimental Psychology: Human Perception & Performance, 34(1): 56-76
Rieger, J. W., Koechy, N., Schalk, F., Grueschow, M.,Heinze, H-J.
- (2009) PyMVPA: A unifying approach to the analysis of neuroscientific data. Frontiers in Neuroinformatics, 3: 3
Hanke, M., Halchenko, Y.O., Sederberg, P.B., Olivetti, E., Fründ, I., Rieger, J.W., Herrmann, C.S., Haxby, J.V., Hanson, S.J., Pollmann, S.
(See online at https://dx.doi.org/10.3389/neuro.11.003.2009)
