Change blindness: eradication of gestalt strategies

Arrays of eight, texture-defined rectangles were used as stimuli in a one-shot change blindness (CB) task where there was a 50% chance that one rectangle would change orientation between two successive presentations separated by an interval. CB was eliminated by cueing the target rectangle in the first stimulus, reduced by cueing in the interval and unaffected by cueing in the second presentation. This supports the idea that a representation was formed that persisted through the interval before being 'overwritten' by the second presentation (Landman et al, 2003 Vision Research 43149–164]. Another possibility is that participants used some kind of grouping or Gestalt strategy. To test this we changed the spatial position of the rectangles in the second presentation by shifting them along imaginary spokes (by ±1 degree) emanating from the central fixation point. There was no significant difference seen in performance between this and the standard task [F(1,4)=2.565, p=0.185]. This may suggest two things: (i) Gestalt grouping is not used as a strategy in these tasks, and (ii) it gives further weight to the argument that objects may be stored and retrieved from a pre-attentional store during this task

Estimating the subjective perception of object size and position through brain imaging and psychophysics

Perception is subjective and context-dependent. Size and position perception are no exceptions. Studies have shown that apparent object size is represented by the retinotopic location of peak response in V1. Such representation is likely supported by a combination of V1 architecture and top-down driven retinotopic reorganisation. Are apparent object size and position encoded via a common mechanism? Using functional magnetic resonance imaging and a model-based reconstruction technique, the first part of this thesis sets out to test if retinotopic encoding of size percepts can be generalised to apparent position representation and whether neural signatures could be used to predict an individual’s perceptual experience. Here, I present evidence that static apparent position – induced by a dot-variant Muller-Lyer illusion – is represented retinotopically in V1. However, there is mixed evidence for retinotopic representation of motion-induced position shifts (e.g. curveball illusion) in early visual areas. My findings could be reconciled by assuming dual representation of veridical and percept-based information in early visual areas, which is consistent with the larger framework of predictive coding. The second part of the thesis sets out to compare different psychophysical methods for measuring size perception in the Ebbinghaus illusion. Consistent with the idea that psychophysical methods are not equally susceptible to cognitive factors, my experiments reveal a consistent discrepancy in illusion magnitude estimates between a traditional forced choice (2AFC) task and a novel perceptual matching (PM) task – a variant of a comparison-of-comparisons (CoC) task, a design widely seen as the gold standard in psychophysics. Further investigation reveals the difference was not driven by greater 2AFC susceptibility to cognitive factors, but a tendency for PM to skew illusion magnitude estimates towards the underlying stimulus distribution. I show that this dependency can be largely corrected using adaptive stimulus sampling

The Role of Object Contact in Pointing and Grasping

We grasp and lift objects many times a day. Most of us perform such a task without any difficulty. However even just grasping the packet of chocolate flakes at the breakfast table is in fact a complex task. Our brain has to – among others - coordinate and select multiple muscles, select the appropriate grasping points and guide the movement in such a way that any unwanted obstacles are avoided. As soon as our arm, hand or fingers do not function properly, it becomes clear that grasping an object is not so simple. Fundamental research on how the human body performs these daily tasks may therefore be important for designing effective diagnostic procedures and rehabilitation therapies. Knowledge on how grasping behaviour is controlled may for instance be useful for designing and optimizing prosthetic arms or hands. Next to the esthetical value of a prosthetic arm, nowadays prosthetic arms are designed to be capable of grasping and manipulating objects in a close to natural manner. To be able to design such prostheses, the knowledge of how humans naturally use their hands is useful. Therefore defining the requirements of a grasping task (difficulty of the movement, selecting the appropriate grasping points) could be helpful. Knowledge of grasping behaviour is not only useful for prosthetics. The reverse is also true. Prosthetic hand design gives us an opportunity for understanding prehension better. Grasping behaviour can be modelled and tested directly on the mechanical hand, showing the results of intervention immediately. In this thesis, we explored what and how healthy humans control when reaching with the hand and grasping with the fingers. We did so by using the model of Smeets and Brenner (1999)

The temporal dynamics of size perception in adults and children

In a series of experiments, the influence of familiar object size on the speed of processing was investigated in adults and children, using a simple reaction time (RT) approach. In chapter 2, we demonstrated that children exhibited size-constancy-like responses starting from the age of five, although this conclusion was limited by task accuracy (experiment 1). The influence of symbolic and familiar size on simple RT was explored in 3 to 6-year-olds and adults (experiment 2). The task was conducted under reduced viewing conditions to enhance the contribution of familiar size as a visual cue. Although, we were unable to observe an effect of familiar or symbolic size on RT, we attributed this result to important methodological issues. In chapter 3, we report six experiments where we tested the influence of familiar size on simple RTs, measured under regular and reduced viewing conditions. The effect of animacy on RTs was also examined. We found that RTs were affected by familiar size in a manner that reflected the level of congruency between the physical size and the stored representation of size, such that congruent stimuli were responded to faster than incongruent stimuli. We also observed an animacy effect on RT: participants reacted faster to animals than non-animals. Finally, in chapter 4 we report an ERP study that investigated the electrophysiological correlates of familiar size. Results showed that the visual system processes familiar size around 100 ms after stimulus onset. Taken together, our findings demonstrate that familiar size is an automatic property of visual processing that can affect speeded motor responses. Future research could investigate the neural mechanisms underlying familiar object size and animacy, and specifically whether these mechanisms develop with age

Cognitive Penetrability of Perception in Predictive Brains

The debate over whether perception is cognitively penetrable, in order to remain philosophically interesting and relevant, should be unpacked in terms of discerning whether propositional states can directly modulate the low-level phenomenal features of one’s perceptual experience. For this, it should also engage with cognitive science, and it is by proposing a scientifically feasible mechanism of how cognitive penetrability could obtain that there is even a reason for considering it. The predictive coding model of perception provides a framework within which such a mechanism can be motivated. By framing perception as a process of probabilistic inference, wherein top-down models of the world are tested against bottom-up error signals, we can discern whether propositional attitudes could affect the inhibitory and excitatory signaling of sensory neurons in a way that either promotes or inhibits the top-down predictive model that constitutes one’s perceptual experience, all the while preserving the necessary kind of relation between perception and cognition. In a three dimensional variation of the Ebbinghaus illusion, this can in fact be shown to happen, establishing cognitive penetrability of perception and a working mechanism by which this could take place.https://www.ester.ee/record=b517883

The N2 event-related potential component indicates differential target representations for eye and hand movements

In diversen alltäglichen Situationen benötigen Menschen eine präzise Auge-Hand- Koordination. Diese gewährleistet, dass wir sinnvoll mit unserer Umwelt interagieren können und beispielsweise die Fähigkeit zu geplanten, genaueren Greif- oder Zeigebewegungen haben. Aufgrund der Vielfalt von Situationen und Anforderungen, beziehungsweise der großen Masse an Information, welche schon während des Vorgangs der Wahrnehmung bewältigt werden muss, stellt sich die Frage, in welchen Schritten das menschliche Gehirn diese Verarbeitung vornehmen kann. Die vorliegende Studie setzt sich mit dieser Frage auseinander, indem die ERPKomponente N2 im Vergleich bei Sakkaden zu einem Ziel oder einer entsprechenden Zeigebewegung untersucht wird. Die N2-Komponente erscheint hier besonders geeignet, da sie einen Zusammenhang mit Zielverarbeitung oder Stimulusklassifikation zeigt und durch Aufmerksamkeit moduliert werden kann (Holguín et al., 2009). Aufgrund dessen wurde angenommen, dass die Notwendigkeit einer effizienteren Zielverarbeitung in der Zeige-Bedingung zu einer stärker negativ ausgeprägten N2 führen würde. Während des Experiments führten die Teilnehmer Zeigebewegungen und Sakkaden zu einem Stimulus aus und lediglich Sakkaden zu einem anderen. Anhand dieser Aufgabe konnte der erwartete Unterschied in der Amplitude der N2- Komponenete gezeigt werden, welche in der Zeigebewegung stärker negativ ausgeprägt war. Bezüglich der Latenzen stellten sich die beiden Bedingungen als gleichwertig heraus. Dies könnte an zwei einander ausgleichenden Einflüssen liegen: Zum einen muss das Ziel für die Zeige-Bedingung effizienter verarbeitet werden, zum anderen ist eine größere Menge an Information zu bewältigen. Im Hinblick auf eine mögliche Interpretation der Ergebnisse muss genauer zwischen den Subkomponenten der N2 unterschieden werden. Die Tatsache, dass der beobachtete Effekt an der zentralen Elektrode am größten war, an der parietalen Seite noch zu sehen war, aber in Richtung frontal verschwand, spricht für einen Einfluss der Bedingung auf die posteriore N2p. Hierbei ist zu sagen, dass keine eindeutige Unterscheidung von der N2b getroffen werden kann, welche im Zusammenhang mit abweichenden Stimuli untersucht wurde (Patel und Assam, 2005). Allerdings wurde die N2b mit dem superioren Temporalcortex in Verbindung gebracht, welcher, sowie Teile 56 des Parietalcortex, zum dorsalen Pfad der Verarbeitung der visuellen Wahrnehmung gehört (Bruce et al., 2003). Aus diesem Grund wären beide Subkomponenten mit der Bildung von Augen- und Handbewegungen verbunden. Wesentlich ist bei der vorgegeben Aufgabe der Einfluss der Aufmerksamkeit. Studien haben gezeigt, dass bereits während der ersten Verarbeitungsschritte Modulationen durch Ausrichtung der Aufmerksamkeit wirksam werden können (Maunsell, 1995). In diesem Sinne könnte der N2-Effekt durch ungleiche Verteilung von Aufmerksamkeit zustande gekommen sein, da die Zeige-Bedingung wahrscheinlich als die anstrengendere von beiden wahrgenommen wurde. Dazu ist zu sagen, dass andere Untersuchungen, welche Augen- und gerichtete Handbewegungen nutzten, keinen ausschlaggebenden Einfluss von Aufmerksamkeit durch eine zusätzliche Kontrollbedingung zeigen konnten (Astafiev et al., 2004). Diese Beobachtungen sprechen für eine komplexere Ursache des N2-Effektes. Eine weitere entscheidende Grundlage bezüglich der Auge-Hand-Koordination ist, welche Koordinatensysteme für die Berechnung des Bewegungsvektors verwendet werden. McGuire und Sabes (2009) präsentieren eine Studie, bei der Fehler in den Augenbewegungen am besten durch ein Model vorausgesagt werden konnten, bei dem Beiträge von retinotopen und körperzentrierten Koordinatensystemen mit einbezogen wurden. Aufgrund der posterioren Verteilung der N2-Komponente könnte die retinotope Organisation des parietalen Cortex dazu führen, dass für die Überleitung zum stärker körperzentriert strukturierten frontalen Cortex (McGuire und Sabes, 2009) eine effizientere Verarbeitung im Falle der Zeige-Bedingung von Nöten ist. Dadurch könnte eine stärker negative N2-Komponente entstehen. Die Untersuchung von Sailer et al. (2002) weist auf einen weiteren Aspekt hin. In einem Verhaltensexperiment hatten Versuchspersonen Augen- und Zeigebewegungen zu Zielen mit unterschiedlichen Charakteristika durchzuführen. Hierbei kam es zu Unterschieden bei der Zeigebewegung. Dies kann als Hinweis auf die Bedeutung von Zielcharakteristika bei der Bildung einer Zielrepräsentation gewertet werden. Da diese offenbar nur im Falle der Zeige-Bedingung relevant waren, kommt es anscheinend zur Bildung von unterschiedlichen Zielrepräsentationen, je nach Relevanz für spätere Bewegungen. Im Sinne von Maunsell (1995) könnte man auch von multiplen Zielrepräsentationen sprechen, welche in den unterschiedlich organisierten Schichten 57 der Verarbeitungsbahnen gebildet werden, um relevante Information für das Individuum sinnvoll zu gewichten. Im Zusammenhang mit dem beobachteten Effekt bei der N2-Komponente könnte die unterschiedliche Gewichtung einen Einfluss haben, da in der Zeige-Bedingung andere Zielcharakteristika analysiert und gewichtet werden müssen. So gesehen könnte eine möglichst komplette Erklärung des N2-Effektes lauten, dass verschiedene Zielrepräsentationen ausgebildet werden, welche sich unterscheiden im Hinblick des Beitrages von Koordinatensystemen und außerdem bezüglich der relativen Gewichtung von Zielcharakteristika. Natürlich könnte auf allen Stufen dieses Verarbeitungsprozesses Aufmerksamkeit eine wesentliche Rolle spielen.During multiple tasks, we are in need of a very precise eye-hand-coordination. Taking into account the variable factors of influence, like attentional demands, changing context or limited information, the question arises, how the brain is able to develop a target representation which is best suited to all kinds of situations in everyday-life. Generally, studies reached different results regarding possible reference frames or the processing of different target features. Whether movements’ trajectories or corresponding errors are correlated, depends largely on the paradigm which is used in a certain experiment. In consequence, some researchers rather focused on the relative contribution of different informative frame works on multiple target representation than on comparing the probabilities of concurrent models. Behavioral and functional studies provide evidence that not solely an implementation of different reference frames for a movement vector is necessary, but also the relative weighting of target features in relation to the required eye- or hand movement (McGuire and Sabes (2009); Sailer et al. (2002)). In addition, shifts of attention have been suggested to modulate nearly all steps of eyehand- coordination (Maunsell, 1995). In this context, the present study tries to further investigate the underlying principles for generating coupled saccades and pointing movements. The method of choice is the comparison of an ERP-component, the N2, during a task, where participants had to either fixate or perform a reaching movement at a target. The N2 is of interest in this behalf, because it has been linked to target processing, classification of stimuli and is influenced by attention (Holguín et al., 2009). During the experiment, the N2 showed a significantly more pronounced negativity during the pointing condition. This can be interpreted as a need for higher efficiency during target processing that leads to a limb movement, because additional and more complex information has to be taken into account. Accordingly, the results fit a model based on multiple rather than one common target representation. The specific differences could result either from a more complex computation concerning reference frames for the pointing movement or a weighting procedure of relatively important target features

Neuronal and behavioral mechanisms of Gestalt perception

Principles of Gestalt perception have fundamentally influenced our understanding of visual cognition. In the past century, Gestalt psychologists postulated that the human brain determines single elements with common features as a single entity rather than a sum of separate parts. The importance of Gestalt perception is emphasized by the neuropsychological syndrome simultanagnosia. Patients suffering from this condition have lost the ability to integrate single elements into a superior entity. Simultanagnosia is usually associated with bilateral posterior temporo-parietal brain lesions but the exact neuroanatomy of global Gestalt perception and functions of areas already associated with this perceptual quality are still a matter of lively debates. Further, not much is known about behavioral characteristics of wellexplored perceptual processes, like visual constancy, in the context of Gestalt perception. The present work aimed at investigating neuronal and behavioral properties of Gestalt perception applying psychophysical methods and functional magnetic resonance imaging (fMRI). In previous neuroimaging studies the temporoparietal junction (TPJ) was identified as a crucial brain structure involved in Gestalt perception. However, its specific role in Gestalt perception is still unclear. The functions attributed to this brain region range from attentional selection between the local and the global level of hierarchically organized stimuli to mere perceptual mechanisms of global processing. The neuroimaging studies included into this work explore mainly TPJ related perceptual functions. In the first study, neuronal properties of TPJ in Gestalt perception were investigated. Based on observations in simultanagnosia patients that are able to perceive familiar complex stimulus arrangements but fail in recognition of novel stimulus configurations, it was hypothesized that TPJ areas mainly contribute to processing of novel object arrangements. A training study was conducted where subjects had to learn the perception of complex stimulus arrangements in order to examine this hypothesis. Neuronal processes of Gestalt perception in bilateral TPJ regions were assessed pre- and posttraining. It was demonstrated that an anterior right hemispheric TPJ region responded to perceptual training with global stimuli. The results indicated fundamentally changed TPJ contributions with increasing familiarity suggesting a different strategy of the brain for processing of highly familiar object arrangements. In the second study, involvements of bilateral TPJ areas in global processing were investigated with an approach taking advantage of visual expertise. During presentation of specific chess arrangements TPJ signals of chess experts and novices were examined. As a consequence, it was possible to compare neuronal TPJ correlates for holistic perception in experts and serial perceptual strategies in novices. The result showed higher signals in bilateral TPJ areas for chess experts compared to novices while inspecting specific chess configurations. With this method a lot of the typical stimulus confounds in research about Gestalt perception, like size differences or differences in spatial frequencies between global/local stimulus levels, were avoided. Moreover, the nature of the stimuli and experimental tasks argues for a TPJ involvement during perception rather than for functions of attentional selection. In the third study perceptual properties of visual size constancy were investigated in the context of Gestalt perception. While size constancy is a well-known phenomenon for regular objects this visual mechanism has not been investigated for stimuli forming a global Gestalt. Therefore, the perceptual performance for a global stimulus arrangement placed on different locations of a visual scene containing a 3D perspective was tested. For the first time, influences of size constancy were demonstrated also for global stimuli. Effects of size constancy on Gestalt perception suggest a perceptual hierarchy of global scenes even on stimuli that have to be integrated themselves. Taken together the results show that the TPJ is involved in mere perceptual processes of Gestalt perception and that an anterior section of this structure has a specific role in processing of novel object arrangements. It was also demonstrated that Gestalt perception itself underlies visual top-down processes of visual constancy suggesting a superior role of global scene processing influencing even local grouping processes.Zu Beginn des letzten Jahrhunderts formulierte die Gestaltpsychologie bestimmte Gesetzmäßigkeiten, die der menschlichen Wahrnehmung zu Grunde liegen. Die sog. Gestaltgesetzte besagen, dass einzelne Elemente mit systematischen Gemeinsamkeiten eher als ganzheitliche Entität aufgefasst werden denn als Summe einzelner Teile. Die besondere Bedeutung der Gestaltwahrnehmung wird durch das neuropsychologische Störungsbild Simultanagnosie deutlich. Patienten, die an dieser Störung leiden, haben die Fähigkeit einzelne Elemente zu einer übergeordneten Einheit zu verbinden verloren. Normalerweise treten Symptome der Simultanagnosie nach bilateralen temporo-parietalen Gehirnläsionen auf. Die genaue Neuroanatomie der Gestaltwahrnehmung und klar definierte Funktionen von Gehirnarealen, die bereits mit globaler Wahrnehmung in Verbindung gebracht werden konnten, sind jedoch noch nicht eindeutig definiert. Darüber hinaus ist auf Verhaltensebene wenig über Funktionen der visuellen Wahrnehmung, z.B. hinsichtlich des Phänomens der Größenkonstanz, im Zusammenhang mit Gestaltwahrnehmung bekannt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Erforschung neuronaler und behavioraler Mechanismen der Gestaltwahrnehmung mit Hilfe psychophysischer und bildgebender Methoden. In bisherigen Bildgebungsstudien konnte die temporo-parietale Übergangsregion (temporo-parietal junction, TPJ) als neuronales Korrelat der Gestaltwahrnehmung identifiziert werden. Die genaue Bedeutung dieser Hirnregion für die Gestaltwahrnehmung ist jedoch noch unklar, wobei bisher vor allem Aufmerksamkeits- und reine Wahrnehmungsfunktionen damit in Verbindung gebracht werden konnten. Die Bildgebungsstudien dieser Arbeit konzentrieren sich daher vornehmlich auf perzeptuelle Funktionen bilateraler TPJ-Areale. In der ersten Studie dieser Arbeit wurden spezifische Eigenschaften der temporo-parietalen Übergangsregion für die Gestaltwahrnehmung untersucht. Die Motivation für diese Studie wurde von Beobachtungen bei Simultanagnosie-Patienten abgeleitet, die vor allem Schwierigkeiten bei der Verarbeitung neuartiger komplexer Reizanordnungen haben, aber geläufige komplexe visuelle Inhalte erkennen können. Daher wurde die Hypothese untersucht, dass bilaterale TPJ-Regionen hauptsächlich in die Verarbeitung neuartiger komplexer Strukturen involviert sind. Zur Untersuchung dieser Hypothese wurde eine Lernstudie durchgeführt. Im Rahmen dieser Studie wurde die Wahrnehmung für komplexe Gestalt-Stimuli trainiert und die neuronalen Mechanismen der Gestaltwahrnehmung vor und nach dem Training mittels funktionaler Magnet Resonanztomographie (fMRT) gemessen. Es zeigte sich, dass hauptsächlich das anteriore rechtshemisphärische TPJ-Areal signifikant auf Wahrnehmungstraining reagierte. Dieses Ergebnis bestätigte die Hypothese, dass TPJ hauptsächlich für die Verarbeitung neuartiger Objekt-Arrangements zuständig ist bzw. komplexe Stimuli mit hohem Bekanntheitsgrad über andere neuronale Kanäle verarbeitet werden. In der zweiten Studie wurde der Beitrag bilateraler TPJ-Areale auf die Gestaltwahrnehmung durch die Untersuchung von Schach-Experten realisiert. Dabei wurden TPJ-Signale von Schach-Experten und Novizen bei der Betrachtung komplexer Schach-Arrangements mittels fMRT gemessen. Auf diese Weise war es möglich neuronale TPJ-Aktivierungen während einer ganzheitlichen Wahrnehmung in Experten und einer seriellen Strategie in Novizen zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigten stärkere Signale in bilateralen TPJ-Regionen für Experten im Vergleich zu Novizen während der Betrachtung komplexer Schach-Arrangements. Mit Hilfe dieses Ansatzes konnten einige Störvariablen, die bei der Erforschung der Gestaltwahrnehmung auftreten, wie z.B. Unterschiede zwischen lokalen und globalen Stimuli hinsichtlich Größe oder räumlicher Frequenz, umgangen werden. Darüber hinaus weisen der Aufbau der Stimuli und die verwendeten Testparadigmen auf TPJ-Einflüsse während der perzeptuellen Verarbeitung komplexer Stimuli hin und sprechen gegen TPJ-gesteuerte Aufmerksamkeitsmechanismen der perzeptuellen Auswahl von globalen oder lokalen Ebenen. Die dritte Studie untersuchte perzeptuelle Eigenschaften der Größenkonstanz im Kontext der Gestaltwahrnehmung. Während die Größenkonstanz ein gut erforschtes Phänomen im Rahmen der Objektwahrnehmung darstellt, ist bisher nicht bekannt, ob dieser visuelle Mechanismus auch globale Gestalt-Stimuli betrifft. Diese Fragestellung wurde durch ein Experiment, in dem globale Gestalt-Stimuli in einer visuellen Szene mit 3D-Perspektive platziert wurden, untersucht. Es zeigte sich, dass auch die Verarbeitung globaler Stimuli Mechanismen der Größenkonstanz unterliegt. Effekte der Größenkonstanz auf die Wahrnehmung globaler Gestalt-Stimuli weisen auf eine Hierarchie der visuellen Verarbeitung hin, der zufolge eine übergeordnete globale Szene auch visuelle Inhalte beeinflusst, die selbst der Gestaltwahrnehmung unterliegen. Zusammenfassend zeigen die dargestellten Arbeiten, dass das TPJ-Areal hauptsächlich an der perzeptuellen Verarbeitung komplexer visueller Reizanordnungen beteiligt ist und dabei speziell für neuartige Reizkonfigurationen zuständig ist. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass Gestaltwahrnehmung selbst Top-down-Prozessen der visuellen Größenkonstanz unterliegt und die globale Wahrnehmung einer visuellen Szene lokale Prozesse der Gestaltwahrnehmung beeinflussen kann

Advances in Clinical Neurophysiology

Including some of the newest advances in the field of neurophysiology, this book can be considered as one of the treasures that interested scientists would like to collect. It discusses many disciplines of clinical neurophysiology that are, currently, crucial in the practice as they explain methods and findings of techniques that help to improve diagnosis and to ensure better treatment. While trying to rely on evidence-based facts, this book presents some new ideas to be applied and tested in the clinical practice. Advances in Clinical Neurophysiology is important not only for the neurophysiologists but also for clinicians interested or working in wide range of specialties such as neurology, neurosurgery, intensive care units, pediatrics and so on. Generally, this book is written and designed to all those involved in, interpreting or requesting neurophysiologic tests