Adaptive Größenverstellung des Aufmerksamkeitsfokus im menschlichen visuellen Kortex

Abstract

Im Rahmen dieses Dissertationsprojektes wurden mithilfe experimenteller und funktionell-bildgebender Verfahren die frühen Effekte von visuell-räumlicher Aufmerksamkeit im menschlichen Gehirn untersucht. Mit dieser Arbeit sollte unter anderem ein Beitrag dazu geleistet werden, den bisher ausstehenden neurophysiologischen Beleg für die Größenverstellbarkeit des Suchscheinwerfers zu erbringen. Um die neurophysiologischen Korrelate dieses Modells darzustellen, wurden Hypothesen hinsichtlich einer graduellen Größeneinstellung im Suchscheinwerfer und aktivierte visuelle Areale abgeleitet und mit einem eigens entwickelten experimentalpsychologischen Paradigma und funktionell-bildgebenden Parametern überprüft. Zunächst wurden retinotope Orte in den frühen visuellen Arealen in ihrer Größe und Überlappung erfasst, um anschließend an diesen Orten Aufmerksamkeitseffekte zu messen. In einer ersten Untersuchung wurden anhand von Verhaltensdaten die Ressourcen von Aufmerksamkeitsprozessen im visuellen System nach der Größenverstellbarkeit im Suchscheinwerfer analysiert. In einer zeitgleich durchgeführten, zweiten Untersuchung sollten die neurophysiologischen Korrelate visuell-räumlicher Aufmerksamkeit mithilfe funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) dargestellt werden. Werden die Resultate aus psychologischen Experimenten und bildgebenden Studien miteinander verglichen, können übereinstimmende Ergebnisse dokumentieren, dass zuvor aufgestellte, systemphysiologisch orientierte Modelltheorien fundierte Grundlagen besitzen. Das Verhältnis zwischen den beiden Faktoren, Größe des Aufmerksamkeitsfokus und zu Grunde liegender neurophysiologischer Prozess ist bisher sowohl für die kognitive, als auch für die neurophysiologische Ebene trotz einer Vielzahl an Untersuchungen nicht umfassend geklärt. Es konnte nachgewiesen werden, dass sich Aufmerksamkeitseffekte je nach eingestelltem Größendurchmesser graduell unterscheiden. Es zeigte sich ein aufmerksamkeitsbedingter Signalanstieg in den frühen visuellen Arealen V1, V2, VP und V4 für die jeweiligen Bedingungen kleiner, mittlerer und großer Fokus. Dieser Signalanstieg zeigte sich zum einen bei Vergrößerung des Suchscheinwerfers in einer kongruent ansteigenden Ausdehnung aktivierter visueller Areale. Zum anderen wurde eine Zunahme der Signalintensität in frühen visuellen Arealen bei Konzentration und Verkleinerung des Suchscheinwerfers beobachtet. Gemeinsam mit den Autoren Brefczynski & DeYoe (1999) und Somers (1999) ist in dieser Arbeit erstmalig die Darstellung des Phänomens ortsbasierte Aufmerksamkeit im menschlichen visuellen Kortex gelungen. Darüber hinaus liefert die vorliegende Studie einerseits wichtige neuro-physiologische Beweise für die Gültigkeit der richtungweisenden Theorie des „Zoom-Lens-Modells“ von Eriksen und Kollegen (1986), andererseits ergänzt sie die zuvor beschriebenen Modelle von Aufmerksamkeitsprozessen: Visuell-räumliche Aufmerksamkeit kann adaptiv den Suchscheinwerfer in seiner Größe verstellen.

Attending a certain region in space enhances activity in visual areas retinotopically mapped to this region; stimuli presented in this region are preferentially processed. The zoom lens model of visual attention proposes that the attended region can be adjusted in size and predicts a tradeoff between its size and processing efficiency because of limited processing capacities. By means of event-related functional magnetic resonance imaging, we analyzed neural activity in multiple visual areas as a function of the size of an attended visual field region, which was defined by a spatial cue stimulus. After cueing, a target object, defined by a specific feature conjunction, had to be identified among objects within the cued region. Neural activity preceding the objects in multiple retinotopic visual areas correlated with the size of the attended region, as did subjects’ performance. While the extent of activated retinotopic visual cortex increased with the size of the attended region, the level of neural activity in a given subregion decreased. These findings are consistent with the physiological predictions of the zoom lens model. Size-related modulations of neural activity were pronounced in early visual areas. We relate this finding to the small receptive field of these areas, whereby only neuronal units with receptive fields covering the attended region received a top-down bias. This preactivation of neuronal units may then have gated selective processing of the features of the object that appeared at the attended location, thus enabling feature integration and object identification.