Neurophysiology of face processing: Extending the functional significance of event-related potentials in lateralization, adaptation, and prediction processes

Abstract

Linking event-related potentials (ERPs) to relating, underlying processes that create accurate face representations and to their generating sources is a very complex matter that has to take into account multiple factors such as characteristics of the subject, stimuli characteristics and other processes within the hierarchal predictive network of the brain. While the physical features of ERPs are well established in literature today, the exact stages in the analysis of face stimuli that they reflect and their clinical implications still remain insufficiently understood. The aim of the present dissertation was to expand the functional significance of mid-latency components of the visual ERP associated with face processing by applying novel paradigms in order to contribute to linking these factors. Study 1 examined the hemispheric lateralization of the N170 by using a tachistoscopic presentation paradigm and found evidence for differential functional lateralization in face processing in females and males. Study 2 then further investigated the N170 by employing repetitions of identical and non-identical faces, as well as parametrically varied interstimulus intervals. Study 2 thereby demonstrated an encoding of face identity by the N170, which is mirrored in the duration of the N170 adaptation and also ruled out confounding effects by low-level adaptation. Lastly, Study 3 translated prior findings of a facilitated cortical prediction error response into a clinical sample by providing evidence of a strongly reduced visual mismatch negativity in schizophrenia compared to healthy subjects, but no such difference in trials with emotional stimulus context. Study 3 in that way also helped to characterize coding of facial affect in more depth. In all three studies, the ERP components of interest were shown to have an even wider relevance within the concepts of lateralization, adaptation and prediction processes than stated in earlier studies. The advantages of combining the described methodological approaches on a theoretical and practical level are discussed. In addition, all three studies contribute to and support the hierarchical predictive coding model.

Ereigniskorrelierte Potentiale (EKP) zu verknüpfen mit zugrunde liegenden Prozessen, die eine akkurate Gesichtsrepräsentation ermöglichen, sowie zu den erzeugenden Quellen ist ein sehr komplexes Unterfangen, welches viele Faktoren berücksichtigen sollte, so zum Beispiel Eigenschaften des Beobachters, Eigenschaften des Objektes und weitere Prozesse innerhalb des hierarchisch prädiktiven Netzwerkes des Gehirns. Während die physikalischen Eigenschaften von EKPs weitestgehend beschrieben sind in der heutigen Literatur, so bleiben die genauen Stufen in der Analyse von Gesichterstimuli, welche sie repräsentieren und die klinischen Implikationen unzureichend verstanden. Das Ziel der vorliegenden Dissertation war es, die funktionale Signifikanz von mittellatenten Komponenten des visuellen EKP zu erweitern, indem neue Paradigmen angewendet werden, um somit einen Beitrag zu leisten diese Faktoren in Zusammenhang zu bringen. Studie 1 untersuchte die hemisphärische Lateralisierung der N170 unter Nutzung eines tachistoskopischen Darbietungsparadigmas und fand Hinweise für eine unterschiedliche funktionale Lateralisierung in der Gesichterverarbeitung zwischen Frauen und Männern. Studie 2 untersuchte ebenfalls die N170 unter Nutzung von wiederholten Darbietungen von identischen und unterschiedlichen Gesichtern mit parametrisch variierten Interstimulusintervallen. Studie 2 hat dadurch die Enkodierung von Gesichteridentität demonstriert, welche sich in der Dauer der Adaptation der N170 widerspiegelt, auch wurden konfundierende Effekte von niedrigschwelliger Adaptation ausgeschlossen. Zuletzt überführte Studie 3 frühere Ergebnisse einer erleichterten kortikalen Vorhersagefehlerreaktion in eine klinische Stichprobe und ergab Hinweise auf eine deutlich reduzierte visuelle Mismatch-Negativität bei schizophrenen Patienten verglichen mit gesunden Kontrollprobanden, jedoch ohne diesen Unterschied in Versuchsteilen mit emotionalem Kontext zu finden. Studie 3 hat auf diese Weise geholfen die Kodierung von, im Gesicht gezeigten, Emotionen weitergehend zu charakterisieren. In allen drei Studien konnte gezeigt werden, dass die EKP Komponenten von Interesse eine noch größere Relevanz haben in den Konzepten Lateralisierung, Adaptation und Vorhersageprozessen als es in früheren Studien angenommen wurde. Die Vorteile einer Kombination der beschriebenen methodischen Zugänge für Theorie und Praxis werden diskutiert. Zudem haben alle drei Studien die Annahmen des hierarchisch prädiktive Kodierungsmodells bestätigt.