Neuronale Prozesse der räumlichen Informationsverarbeitung in natürlichen Szenen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
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.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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