Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3904
Main Title: Visual consciousness and corticocortical connectivity in the human brain
Translated Title: Visuelle Wahrnehmung und kortikokortikale Konnektivität im menschlichen Gehirn
Author(s): Imamoglu, Fatma
Advisor(s): Obermayer, Klaus
Haynes, John-Dylan
Koch, Christof
Referee(s): Hellwich, Olaf
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Wie generiert ein neuronales System komplexe bewusste Wahrnehmungen, beispielsweise die Farbe Rot, den Ton einer singenden Amsel oder den Geruch einer Lilie? Diese Fragen bilden die Basis für eine der interessantesten neurowissenschaftlichen Fragestellungen. Erst wenn wir verstehen, wie aus neuronalen Aktivierungsmustern subjektive Erfahrungen entstehen, können wir möglicherweise Bewusstsein modellieren. Eines der Ziele dieser Dissertation war es die grundlegenden Gehirnmechanismen zu unter- suchen, die zu Bewusstsein, insbesondere bewusster visueller Wahrnehmung, führen. Frühere Forschungsarbeiten haben bereits gezeigt, dass die grundlegenden Mechanismen für die Pro- duktion bewusster Wahrnehmung komplex sind und verschiedene Gehirnregionen, die im gan- zen Gehirn verteilt sind, einbezogen werden. Allerdings wurde die tatsächliche Konnektivität zwischen Gehirnregionen als ein grundlegender Mechanismus bei der bewussten Wahrnehmung bislang kaum betrachtet. Daher lag der Schwerpunkt dieser Dissertation auf der Untersuchung der Auswirkungen von Konnektivität auf bewusste visuelle Wahrnehmung. Hierfür wurde in zwei funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) Experimenten mit gesunden menschlichen Probanden untersucht, welche Rolle ein verteiltes Netzwerk von Ge- hirnregionen bei der bewussten visuellen Wahrnehmung spielt. Dabei wurde die funktionelle Kopplung zwischen frühen visuellen und späten präfrontalen Gehirnregionen durch die Methode der Psychophysiological Interactions untersucht. Darüber hinaus wurde eine Granger causality- Analyse angewandt, um die Richtungsabhängigkeiten dieser Interaktion zu untersuchen. Dabei stellen zwei mögliche Nebeneffekte eine Herausforderung für jede Bewusstseinsforschung dar: Ge- hirnprozesse, die mit bewusster Wahrnehmung in Verbindung gesetzt werden, müssten stets ge- trennt werden von stimulusabhängigen Prozessen sowie von Prozessen, die mit Verhaltensberich- ten der Probanden assoziiert sind. Daher wurden im ersten fMRT-Experiment Mooney-Bilder in Kombination mit zwei Antwortmodalitäten und der Cognitive Conjunction-Methode benutzt, um diese Nebeneffekte zu kontrollieren. Mooney’s sind binäre Bilder, die ein Objekt verbergen, das von den Probanden nicht direkt erkennbar ist sondern nach einer bestimmten Zeit abrupt erkannt werden kann. Eine automatisch generierte Datenbank aus Mooney-Bildern (MoonBase) wurde dafür eigens vor den fMRT-Experimenten erzeugt. Im zweiten fMRT-Experiment wur- de zu diesem Zweck ein visuelles Maskierungsparadigma angewandt, um die Sichtbarkeit des Zielbildes zu modulieren. Die Ergebnisse dieser Studien zeigten, dass ein Netzwerk von Gehirnregionen, das den fron- toparietalen Kortex beinhaltet, bei der Generierung von bewusster Wahrnehmung involviert ist. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die funktionellen Wechselwirkungen zwischen frühen visuellen und späten präfrontalen Gehirnregionen die bewusste Wahrnehmung beeinflus- sen. Zudem zeigten die Ergebnisse der Granger Causality-Analyse stärkere Verbindungen von frühen visuellen zu präfrontalen Arealen (feedforward) als umgekehrt (feedback) während der bewussten Wahrnehmung. Zusammenfassend machen diese Ergebnisse deutlich, dass funktio- nelle Konnektivität zwischen relativ weit entfernten Gehirnregionen wichtig ist, um bewusste visuelle Erfahrungen zu generieren. Diese Ergebnisse geben Aufschluss über die grundlegenden Gehirnmechanismen der bewussten visuellen Wahrnehmung und können bei der Modellierung dieser Prozesse benutzt werden.
How does neuronal activity generate complex conscious experiences, such as the redness of red, the sound of a blackbird or the smell of a lily? These questions form the basis for one of the most intriguing neuroscientific questions. Once we can understand how subjective experiences emerge from neuronal activity we could potentially model conscious experiences. The purpose of this thesis was to investigate the underlying brain mechanisms that mediated conscious experience, in particular, conscious visual perception. Previous research has already shown that the underlying mechanisms mediating conscious perception are complex and might involve different regions distributed across the brain. However, brain connectivity as an under- lying mechanism has been rarely considered. The focus of this thesis was thus to investigate the effects of brain connectivity on conscious visual perception. Two functional magnetic resonance imaging (fMRI) experiments with healthy human sub- jects were conducted to examine the involvement of a distributed network of brain regions in conscious visual perception. Functional coupling between low-level and high-level brain regions was explored using the psychophysiological interaction method. Furthermore, Granger causality analysis was applied to examine the directionality of the functional coupling. Studying conscious perception is challenging. Brain processes related to conscious perception must be dissociated from stimulus-driven processes as well as from processes associated with the behavioral report. To that end, Mooney images were used in combination with two response modalities and a cognitive conjunction analysis in the first fMRI experiment. Mooney’s are binary images that hide an object, which is not directly recognized by the subject, yet give rise to abrupt recog- nition after some time. An automatically generated database of Mooney images (MoonBase) was created prior to the fMRI experiment. In the second fMRI experiment, a visual masking procedure was used to modulate perceptual visibility. The results indicated that a network of brain regions involving the frontoparietal cortex was contributing to conscious visual perception. Furthermore, the functional coupling between low- level and high-level brain regions reflected conscious visual perception. Moreover, findings from the Granger causality analysis demonstrated stronger feedforward connections than feedback connections when a stimulus was perceived consciously. Based on these findings, I conclude that functional coupling between long-distance brain regions is one important underlying brain mechanism that give rise to conscious visual experience. These findings shed light on the underlying mechanisms mediating conscious visual perception and can be further utilized to model it.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-45863
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4201
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3904
Exam Date: 17-Apr-2013
Issue Date: 27-Jan-2014
Date Available: 27-Jan-2014
DDC Class: 100 Philosophie und Psychologie
Subject(s): Visual consciousness
mooney images
two-tone images
fMRI
functional connectivitiy
Visuelle Wahrnehmung
Mooney Bilder
Zwei-Tone Bilder
Funktionelle Konnektivität
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