Neurobiologische Grundlagen interindividueller Unterschiede in der visuellen Wahrnehmung

Abstract

Das Erzeugen einer stabilen und kohärenten Wahrnehmung unserer externen Umwelt stellt eine Herausforderung für unser visuelles System dar. Die uneindeutigen und verrauschten sensorischen Signale (bottom-up) werden hierbei mit Vorhersagen (top-down) integriert. Dieser, als perzeptuelle Inferenz bezeichnete Prozess, kann mittels bistabiler Wahrnehmungsexperimente untersucht werden. Bistabile Reize weisen uneindeutige physikalische Eigenschaften zweier sich ausschließenden Interpretationen auf und erzeugen persistierende Wahrnehmungswechsel. Die vorliegende Dissertation untersucht die interindividuelle Variabilität bistabiler Wahrnehmung hinsichtlich verschiedener genetischer, neurobiologischer und kognitiver Einflussfaktoren, um zu einem besseren Verständnis von perzeptuellen Inferenzmechanismen als zentralem Bestandteil in Pathogenesemodellen der bipolaren affektiven Störung und der Schizophrenie beizutragen. In der ersten Studie wurden funktionelle dopaminassoziierte Varianten zweier Kandidatengene der bipolaren Störung (DRD4, DAT1) mit perzeptueller Stabilität in Verbindung gebracht, wobei das Risiko-Allel DRD4-2R mit einer stabileren Perzeption einherging. In der zweiten Arbeit wurde die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) genutzt um neuronale Korrelate kognitiver Erwartungen in der perzeptuellen Inferenz zu bestimmen und diese mit Wahnsymptomatik zu verbinden. Hierbei ging eine verringerte perzeptuelle Stabilität mit verstärkten wahnhaften Überzeugungen und einem größeren Erwartungseffekt auf die visuelle Wahrnehmung einher, der als stärkere topdown Modulation präfrontaler Gehirnareale auf den primären visuellen Kortex identifiziert wurde. In der dritten Arbeit wurde die dopaminerge Bioverfügbarkeit mittels funktioneller Genvarianten der Catechol-O-Methyltransferase (COMT) mit der Tendenz zu wahnhaften Überzeugungen und dem Erwartungseffekt auf die Wahrnehmung in Verbindung gesetzt. Dabei zeigte sich, dass höhere Dopaminspiegel mit Wahnsymptomatik korrelierten und dieser Zusammenhang durch den perzeptuellen Erwartungseffekt vermittelt wurde. In der abschließenden Studie wurden mittels fMRT neuronale Korrelate kognitiver Flexibilität mit interindividuellen Unterschieden der perzeptuellen Inferenz in Beziehung gesetzt. Die gefundene Korrelation von perzeptueller Stabilität mit kognitiver, flexibilitäts-abhängiger neuronaler Aktivität in den Basalganglien deutet darauf hin, dass fronto-striatale Gehirnareale auch bei der visuellen Wahrnehmung von Relevanz sind. Zusammenfassend etabliert die vorliegende Arbeit eine Beteiligung des Dopaminsystems bei perzeptuellen Inferenzmechanismen und impliziert über den Zusammenhang mit Wahnsymptomatik eine wichtige Rolle in der Pathogenese der Schizophrenie. Zudem konnten erstmalig die bisher separat betrachteten Inferenzprozesse in Kognition und Perzeption als zusammenhängende und generelle integrative Mechanismen unseres Gehirns etabliert werden.

Maintaining a stable and unique experience of the world is a constant challenge to our visual system. As sensory data are often noisy, visual perception can be described as an inferential process that combines bottom-up sensory input with top-down predictions. This process of perceptual inference can be assessed using ambiguous stimuli that cause our perception to continuously switch between two mutually exclusive interpretations. The current dissertation investigated the impact of several genetic, neurobiological and cognitive factors on interindividual differences in visual perception, in order to broaden the understanding of perceptual inference as a central feature in the pathogenesis of bipolar affective disorder and schizophrenia. In the first study we tested the association of two dopamine-associated candidate genes for bipolar disorder with functional impact on dopaminergic neurotransmission (DRD4, DAT1) with perceptual stability. We found the risk-allel DRD4-2R to be significantly associated with a more stable perception. In the second study functional magnetic resonance imaging (fMRI) was used to identify the neural correlates of top-down predictions on visual perception and to relate effects of learned expectations of perception to individuals’ tendency towards unfounded beliefs. Participants with decreased perceptual stability had higher delusion scores and their perception was more strongly influenced by experimentally induced beliefs that were identified as increased prefrontal top-down modulation on primary visual areas. The third study investigated whether the tendency towards delusional conviction depended on dopaminergic neurotransmission by assessing a functional haplotype of Catechol-O-Methyltransferase (COMT). It was shown that substantially increased synaptic dopamine levels are not only associated with stronger delusion conviction, but also correlated with the degree of belief-induced bias on perception. The correlation between dopamine-levels and delusion conviction was shown to be mediated by the degree of the belief-induced bias on perception. In the last study fMRI was used to interrelate the neural correlates of cognitive flexibility with inter-individual differences in perceptual inference. Perceptual flexibility correlated with cognitive flexibility-associated activity in the right putamen as part of the basal ganglia. This points towards a relevance of fronto-striatal brain areas in visual perception. Taken together, this thesis proves the involvement of the dopaminergic system in the inferential processes of visual perception. The associations of delusional ideations with perceptual inference suggests an important role of the latter in the pathogenesis of schizophrenia. Further empirical support is provided for the general notion of shared mechanisms between perception and cognition.