Objects in Scenes - How scene structure shapes visual object representations

• Applicant: Professor Daniel Kaiser, Ph.D.
• Subject Area: General, Cognitive and Mathematical Psychology ; Cognitive, Systems and Behavioural Neurobiology
• Term: from 2018 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 406934830

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Im Projekt “Objekte in Szenen” wurde über 3.5 Jahre der Einfluss der Struktur natürlicher Umgebungen auf die Objektwahrnehmung untersucht. Wir interessierten uns spezifisch dafür, wie die vorhersagbare und strukturiere Verteilung von Objekten in unserer Umgebung – Flugzeuge fliegen durch den Himmel, Teppiche liegen typischerweise auf dem Boden – elementare Mechanismen der visuellen Wahrnehmung formen kann. Im ersten Teil des Projekts untersuchten wir mithilfe von Wahrnehmungsaufgaben und funktioneller Bildgebung mit EEG und fMRT wie gut Menschen Objekte an verschiedenen Positionen im Gesichtsfeld verarbeiten können, abhängig davon wo diese Objekte typischerweise in der Welt vorgefunden werden. Wir konnten zeigen, dass selbst in sehr einfachen Wahrnehmungsaufgaben, in denen Objekte lediglich möglichst schnell detektiert werden müssen, Objekte besser erkannt werden, wenn Sie sich an für sie typischen Positionen befinden. Mittels Gehirnaufnahmen konnten wir zeigen, dass sich solche grundlegenden Verarbeitungsvorteile bereits früh in der visuellen Hierarchie im Gehirn zeigen. Zusammenfassend legen diese Ergebnisse nahe, dass die Verteilung von Objekten in der Welt, die wir ein Leben lang lernen, die Verarbeitung in unserem Gehirn grundlegend bestimmt: Visuelle Gehirnregionen antworten durch diese lebenslange Erfahrung nicht nur selektiv auf verschiedene Arten von Objekten, sondern bevorzugt, wenn genau diese Objekte an ihren typischen Orten im Gesichtsfeld auftauchen. Im zweiten Teil des Projektes untersuchten wir, ob lokale Elemente von Szenen immer zusammen mit ihrer typischen Position im Gehirn repräsentiert werden. Mithilfe von EEG- und fMRT-Aufnahmen konnten wir zeigen, dass Teile einer Szene, die typischerweise „oben“ in der Welt gefunden werden (ein Himmel oder eine Zimmerdecke) untereinander ähnlich im Gehirn repräsentiert werden, selbst wenn sie am gleichen Ort im Gesichtsfeld erscheinen. Wir konnten darüber hinaus zeigen, dass dieses Clustering von Szenenbestandteilen aus ähnlichen Positionen in der Welt sehr früh in der Verarbeitungshierarchie passiert, und sich von anderen Organisationsprinzipien im visuellen System – beispielsweise einer Unterteilung nach Szenenkategorien oder visuellen Attributen wie Farbe und Kontrast – unterscheidet. Wir interpretieren diese Ergebnisse als aktives „Sortieren“ von Repräsentationen nach dem typischen Ort der zugrundeliegenden Information in der Welt. Durch dieses Sortieren gelingt es dem Gehirn möglicherweise einzelne Fragmente der Wahrnehmung zu einem kohärenten Eindruck unserer Umgebung zusammenzusetzen. Zusammenfassend zeigt unser Projekt, dass unsere visuelle Wahrnehmung durch extensive Erfahrung mit strukturierten Alltagsumgebungen spezifisch auf diese Umgebungen ausgerichtet ist. Dadurch sind wir in der Lage Objekte nicht nur hinsichtlich Ihrer eigenen visuellen Eigenschaften, sondern auch hinsichtlich Ihrer Rolle im Kontext natürlicher Umgebungen zu analysieren. Durch die Repräsentation solch kontextueller Information im visuellen System wird es dem Gehirn beispielsweise möglich, sehr schnell Entscheidungen über die Nützlichkeit von Objekten für verschiedene Verhaltensweisen zu treffen.

Publications

• Typical visual-field locations enhance processing in object-selective channels of human occipital cortex. Journal of Neurophysiology, 120(2), 848-853.
  Kaiser, Daniel & Cichy, Radoslaw M.
  
• Typical visual-field locations facilitate access to awareness for everyday objects. Cognition, 180, 118-122.
  Kaiser, Daniel & Cichy, Radoslaw M.
  
• A neural mechanism for contextualizing fragmented inputs during naturalistic vision. eLife, 8.
  Kaiser, Daniel; Turini, Jacopo & Cichy, Radoslaw M.
  
• Object Vision in a Structured World. Trends in Cognitive Sciences, 23(8), 672-685.
  Kaiser, Daniel; Quek, Genevieve L.; Cichy, Radoslaw M. & Peelen, Marius V.
  
• Rapid contextualization of fragmented scene information in the human visual system. NeuroImage, 219, 117045.
  Kaiser, Daniel; Inciuraite, Gabriele & Cichy, Radoslaw M.
  
• Parts and Wholes in Scene Processing. Journal of Cognitive Neuroscience, 34(1), 4-15.
  Kaiser, Daniel & Cichy, Radoslaw M.