Tactile Mental Representations

Abstract

The human ability to mentally represent and manipulate information in the absence of sensory stimulation is key for any higher cognitive functions. Empirical neuroscientific research on mental imagery (MI) and working memory (WM) addresses the question of how our brain represents various types of mental contents. Critically, most research stems from studies in the visual modality, leaving open the question of whether findings, models and theories generalize to other modalities. In my work I focused on the mental representation of tactile contents. To empirically address what brain regions code different types of mental content, two fMRI studies on MI, one WM EEG study and four fMRI WM decoding studies were conducted. We found that posterior parietal regions and primary somatosensory cortex code spatial features of tactile stimuli. In contrast, when participants memorized more abstract stimulus features such as vibratory frequency, intensity or duration, the prefrontal cortex was found to exhibit multivariate parametric codes specific to the mental content. This finding was also replicated in the visual and auditory modalities. These results support the view that the abstractness of a mental representation determines which brain regions exhibit content- specific codes, where the gradient of abstractness stretches from sensory to categorical or parametric content types. This gradient maps onto the hierarchical organization of the cortex. In parallel, predictive brain mechanisms also rely on the hierarchical interaction of bottom-up and top-down processes. I will suggest mechanisms for how these well-established hierarchical processing principles relate to the representation of mental contents.

Die menschliche Fähigkeit, in Abwesenheit von sensorischer Stimulation Informationen mental zu repräsentieren und weiterzuverarbeiten, stellt eine Schlüsselfunktion für höhere kognitive Aufgaben dar. Empirische, neurowissenschaftliche Untersuchungen zur mentalen Imagination und zum Arbeitsgedächtnis beschäftigen sich mit der Frage, wie unser Gehirn unterschiedliche Typen mentaler Inhalte repräsentiert. Hierzu konzentrierte sich die Forschung bisher meist auf die visuelle Modalität. Dies lässt die Frage unbeantwortet, ob sich die Resultate sowie Modelle und Theorien auf andere Modalitäten generalisieren lassen. Der Schwerpunkt meiner Arbeit liegt auf der mentalen Repräsentation von taktilen Inhalten. Welche Gehirnregionen unterschiedliche Typen mentaler Inhalte kodieren, wurde empirisch in zwei fMRI Studien zu mentaler Imagination, einer EEG Arbeitsgedächtnisstudie sowie vier fMRI Arbeitsgedächtnis-Dekodierungsstudien untersucht. Dabei fanden wir heraus, dass posterior parietale Areale und der primäre somatosensorische Cortex räumliche Eigenschaften taktiler Reize kodiert. Wenn Probanden im Gegensatz dazu abstraktere Reizeigenschaften, wie die Vibrationsfrequenz, Reizintensität oder Reizdauer erinnerten, fanden wir stimulusspezifische, multivariate, parametrische Codes im präfrontalen Cortex. Dieses Ergebnis konnten wir in der visuellen und auditorischen Modalität replizieren. Unsere Ergebnisse stützen die Sichtweise, dass die Abstraktheit von mentalen Inhalten bestimmt, welche Gehirnregionen inhaltsspezifische Codes zeigen. Dabei umfasst die Abstraktheit mentaler Repräsentationen sensorische bis hin zu kategorialen oder parametrischen Inhaltstypen. Dieser Gradient bildet sich auf die hierarchische Organisation des Cortex ab. Gleichermaßen basieren prädiktive Gehirnmechanismen auf der hierarchischen Interaktion von Bottom-up und Top- down Prozessen. Ich werde Mechanismen vorschlagen, wie diese etablierten, hierarchischen Prozessierungsprinzipien in Beziehung zur Repräsentation von mentalen Inhalten stehen können.