Neurocognitive Effects of Naturalness Perception in Built and Natural Environments

Abstract

As the UN forecasts 68% of the world’s population will live in cities by 2050, understanding and addressing the mental and cognitive impacts of urban life is urgent. Studies consistently highlight nature’s positive effects on mood and cognition, contrasting with the negative influences of urban settings on brain function. However, the effect of perceived naturalness on brain and cognitive responses to environments remains underexplored. This dissertation investigates the behavioral and neural bases of naturalness perception through targeted experiments, aiming to enhance urban planning and architectural design. It includes four studies that examine how natural and built environments affect cognitive and psychological responses, each focusing on a different aspect of environmental influence on human behavior and brain activity. Article I investigated the neural and psychological mechanisms underlying the perception of naturalness versus artificiality in indoor architecture, utilizing functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) to map the neural correlates. Findings showed minimal influence of naturalness on subjective judgments but significant effects of lower-level visual features on perceived similarity. Neural analysis showed dissimilarities between natural and artificial interiors, mainly in the visual areas, highlighting the need for further investigation into the perception of architectural spaces and their neural correlates. Article II shifted focus to the domain of cognitive psychology, examining the differences in processing of visual symmetry and asymmetry within working memory (WM). The functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) study investigated the effects of visual symmetry on working memory performance and neural responses, revealing that symmetry significantly enhances memory performance, particularly under high cognitive load conditions. Neuroimaging data showed distinct patterns of brain activation in response to symmetry, indicating complex, region-specific activation patterns within the brain that underscore the nuanced role of visual symmetry in cognitive processing. Article III found that the visibility and conditions of the sky significantly impact individuals’ selections of sky as an element of nature and their judgments of naturalness. The findings suggest complex interactions between environmental conditions, including horizon level and weather, in shaping perceptions of naturalness, underscoring the sky’s role in environmental psychology. Article IV further revealed that specific low-level visual features of the sky, such as fractal dimensions and brightness, significantly influence individuals’ perception of naturalness in environmental scenes. Key findings indicate that lower fractal dimensions and higher brightness of the sky enhance its selection as a natural element, impacting subjective evaluations of environmental naturalness. These results highlight the nuanced role of visual features in environmental psychology, offering insights into how the visual composition of the sky affects perceptions of natural environments. Together, these four publications contribute to a comprehensive understanding of the complex interplay between humans and naturalness of their environments, highlighting the important role of visual composition in this process.

Da die Vereinten Nationen prognostizieren, dass bis zum Jahr 2050 68% der Weltbevölkerung in Städten leben werden, ist es dringend erforderlich, die psychischen und kognitiven Auswirkungen des städtischen Lebens zu verstehen und zu bekämpfen. In Studien werden immer wieder die positiven Auswirkungen der Natur auf Stimmung und Kognition hervorgehoben. Im Gegensatz dazu stehen die negativen Einflüsse von städtischen Umgebungen auf die Gehirnfunktion. Die Auswirkungen der wahrgenommenen Natürlichkeit auf das Gehirn und die kognitiven Reaktionen auf die Umgebung sind jedoch noch wenig erforscht. Diese Dissertation untersucht die verhaltensmäßigen und neuronalen Grundlagen der Wahrnehmung von Natürlichkeit durch gezielte Experimente, mit dem Ziel, die Stadtplanung und das architektonische Design zu verbessern. Sie umfasst vier Studien, die untersuchen, wie sich natürliche und bebaute Umwelt kognitive und psychologische Reaktionen beeinflussen, wobei sich jede Studie auf einen anderen Aspekt des Einflusses der Umwelt auf das menschliche Verhalten und die Gehirnaktivität konzentriert. Artikel I untersuchte die neuronalen und psychologischen Mechanismen, die der Wahrnehmung von Natürlichkeit und Künstlichkeit in der Innenarchitektur zugrunde liegen, und nutzte funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI), um die neuronalen Korrelate abzubilden. Die Ergebnisse zeigten einen minimalen Einfluss der Natürlichkeit auf die subjektive Beurteilung, aber signifikante Auswirkungen von visuellen Merkmalen auf niedrigerer Ebene auf die wahrgenommene Ähnlichkeit. Die neuronale Analyse zeigte Unähnlichkeiten zwischen natürlichen und künstlichen Innenräumen, hauptsächlich in den visuellen Bereichen, was die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen zur Wahrnehmung architektonischer Räume und ihrer neuronalen Korrelate unterstreicht. Artikel II richtete den Fokus auf den Bereich der kognitiven Psychologie und untersucht die Unterschiede in der Verarbeitung von visueller Symmetrie und Asymmetrie innerhalb von Arbeitsgedächtnis. Die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS)-Studie untersuchte die Auswirkungen visueller Symmetrie auf die Leistung des Arbeitsgedächtnisses und die neuronalen Reaktionen und zeigte, dass Symmetrie die Gedächtnisleistung erheblich verbessert, insbesondere unter Bedingungen hoher kognitiver Belastung. Neuroimaging-Daten zeigten unterschiedliche Muster der Gehirnaktivierung als Reaktion auf Symmetrie, was auf komplexe, regionsspezifische Aktivierungsmuster im Gehirn hinweist, die nuancierte Rolle der visuellen Symmetrie bei der kognitiven Verarbeitung unterstreichen. Artikel III fand heraus, dass die Sichtbarkeit und die Himmelsbedingungen einen signifikanten Einfluss auf die Auswahl des Himmels als Element der Natur und die Beurteilung der Natürlichkeit durch den Einzelnen haben. Die Ergebnisse deuten auf komplexe Interaktionen zwischen den Umweltbedingungen, einschließlich der Horizonthöhe und des Wetters, bei der Gestaltung der Wahrnehmung von Natürlichkeit hin und unterstreichen die Rolle des Himmels in der Umweltpsychologie. Artikel IV zeigte außerdem, dass bestimmte visuelle Merkmale des Himmels auf niedriger Ebene, wie fraktale Dimensionen und Helligkeit, die Wahrnehmung der Natürlichkeit von Umweltszenen signifikant beeinflussen. Die wichtigsten Ergebnisse deuten darauf hin, dass geringere fraktale Dimensionen und eine höhere Helligkeit des Himmels seine Auswahl als natürliches Element verstärken und sich auf die subjektive Bewertung der Natürlichkeit der Umwelt auswirken. Diese Ergebnisse unterstreichen die nuancierte Rolle visueller Merkmale in der Umweltpsychologie und bieten Einblicke in die Art und Weise, wie die visuelle Zusammensetzung des Himmels die Wahrnehmung natürlicher Umgebungen beeinflusst. Zusammen tragen diese vier Veröffentlichungen zu einem umfassenden Einblick in das komplexe Zusammenspiel zwischen dem Menschen und der Natürlichkeit seiner Umgebung bei und verdeutlichen die wichtige Rolle der visuellen Gestaltung in diesem Prozess.