Sensory and working memory impairments, delayed decisions, and different action modalities within the somatosensory perception-action cycle

Abstract

To guide meaningful behavior in the environment, the human organism must rely on and incorporate sensory information to inform goal-directed actions. To study these processes, neuroscientists have experimentally established and tested a basic framework of the perception-action cycle by means of a vibrotactile sequential frequency comparison (SFC) task. In brief, two vibrotactile stimuli are subsequently applied to the finger of a subject. Subjects then have to decide whether the frequency of the second vibration was higher or lower than the first one. Based on this task, the neural processes underlying the sensory encoding of stimuli, the maintenance of the frequency of the first stimulus until the second stimulus is presented, as well as the comparison of the frequencies leading to the choice, have been extensively investigated in non-human primates as well as in humans. In this thesis, the seminal work mentioned above was extended to study alterations in sensory encoding and maintenance in the psychiatric disorder of schizophrenia. In study 1, we provided novel evidence suggesting that in patients both of these processes are independently impaired. Study 2 focused on the decision process in this task and explored the intentional framework claiming that perceptual decisions are accomplished by the execution of action responses. Here, we showed that subjects’ choices in this task were indeed represented in neural oscillations attributed to the frontal eye fields, an area involved in planning saccades, when they respond with eye-movements instead of button presses. In the last study, we demonstrated that when decision reports are instructed to be given after a delay, subjects still maintain stimulus information in parallel to the formation of decisions. Further, by manipulating the response characteristics we show that choices are generally represented in the context of their consequences.

Menschliches Leben zeichnet sich durch eine ständige Interaktion des Organismus mit seiner Umwelt aus. Hierbei nimmt der Mensch sensorische Reize auf, um sie in kontextabhängige und zielgerichtete Handlungen umzusetzen. Um die neuronalen Prozesse, die diesem fundamentalen Verhalten zugrunde liegen, zu untersuchen, wurde die Charakterisierung einer basalen Wahrnehmungs- Handlungs-Schleife experimentell mit Hilfe der sequenziellen Frequenz- Vergleichs-Aufgabe etabliert. In diesem häufig verwendeten Paradigma bekommen Versuchspersonen zwei mechanische Vibrationen nacheinander am Finger präsentiert. Ihre Aufgabe ist nun, zu entscheiden, ob die zweite Vibration eine höhere oder eine niedrigere Frequenz hat, als die erste. Dieses einfache Paradigma hat viele Einsichten über die neuronale Enkodierung von somatosensorischen Reizen ermöglicht. Außerdem gibt es Aufschluss darüber, wie Informationen des ersten Reizes im Arbeitsgedächtnis aufrecht erhalten werden bevor der zweite Reiz appliziert wird und wie beide Reize verglichen werden, um schließlich eine Entscheidung zu fällen. In der vorliegenden Dissertation wurde diese Aufgabe genutzt, um taktile Wahrnehmungsverarbeitung und Arbeitsgedächtnisprozesse in Patienten mit Schizophrenie zu untersuchen. Die Ergebnisse der Studie liefern neue Erkenntnisse darüber, dass diese beiden Prozesse in der klinischen Stichprobe unabhängig voneinander beeinträchtigt sind. In der zweiten Studie, mit gesunden Versuchspersonen, stand die Entscheidungsphase der zuvor beschriebenen Aufgabe im Vordergrund. Hier war es das Ziel, die intentionale Theorie zur Entscheidungsfindung zu untersuchen, bei der angenommen wird, dass Entscheidungen weniger Vergleiche von Perzepten als vielmehr durch die Ausführung von Handlungen realisiert werden. Tatsächlich konnten wir mithilfe oszillatorischer Aktivität im Elektroenzephalogramm (EEG) zeigen, dass Entscheidungen in denjenigen Hirnarealen prozessiert werden, die Augenbewegungen planen, mit denen die Versuchspersonen auch ihre Entscheidung mitteilten. Die dritte Studie verfolgte diese Theorie weiter. Hier konnten wir zum einen zeigen, dass die Frequenzinformation der einzelnen Vibrationen auch dann aufrechterhalten wird, wenn Entscheidungen schon getroffen wurden, die Antwort aber erst später mitgeteilt wurde. Zudem konnten wir zeigen, dass die neuronale Prozessierung von Entscheidungen davon abhängt, welche Konsequenzen diese hervorrufen.