S2: Summary

The perception of acting conspecifics engages a number of brain regions. Typically pSTS counts as the protagonist, but also the premotor cortex and areas co-activated by static bodies (EBA) and faces (OFA/FFA) light up. Thompson will talk about a parsimonious conceptual dichotomy (form vs. motion) using fMRI in humans, supplemented with fMRI data from both humans and macaque monkeys by Orban. The other talks all employ TMS over pSTS and a stimulation focus on premotor (Sayin), EBA (Vangeneugden), or OFA (Atkinson), all aiming at a better understanding of the neural underpinnings of the action perception network

Signatures of knee osteoarthritis in women in the temporal and fractal dynamics of human gait

Background: Osteoarthritis of the knee is characterized by progressive cartilage deterioration causing pain and function loss. Symptoms develop late with limited disease-modifying opportunities. Osteoarthritis is a major cause of immobility, with a higher prevalence above 60 years. This age-related increase in prevalence is further amplified by the female gender. Imaging and biochemical analyses for detection of osteoarthritis of the knee are expensive and labor-intensive. Continuous movement tracking could aid in detecting onset and/or worsening of symptoms.Methods: We used portable technology to investigate kinematic differences in female patients with knee osteoarthritis, weight-matched healthy female volunteers and obese female patients with osteoarthritis of the knee. Knee osteoarthritis was established radiographically and corroborated using magnetic resonance imaging.Findings: The total amount, type and level of activity did not differ significantly between groups. The temporal activity pattern during the day was however significantly different with a bimodal signature in healthy volunteers only. Sequence analyses revealed more time to recuperate after dynamic activity in both patient groups. Analysis of walking bouts revealed significant differences in stride interval dynamics, indicative of gait naturalness, only in healthy volunteers. Temporal activity, sequence and walking patterns were independent of body weight.Interpretation: We thus provide for the first-time evidence of temporal specific kinematic signatures in amount and quality of movement also in stride interval dynamics between people with and without osteoarthritis of the knee independent of body weight. These findings could allow early and non-intrusive diagnosis of osteoarthritis enabling concordant treatment.</p

The representation of subordinate shape similarity in human occipitotemporal cortex

We investigated the coding of subordinate shape similarity in human object-selective cortex in two event-related functional magnetic resonance adaptation (fMR-A) experiments. Previous studies using faces have concluded that there is a narrow tuning of neuronal populations selective to each face, and that tuning is relative to the expected &quot;average&quot; face (norm-based encoding). Here we investigated these issues using outlines of animals and tools occupying a particular position on different morphing sequences per category. In a first experiment, we inferred the width of neural tuning to exemplars by examining whether the release from adaptation with increasing shape changes between two stimuli asymptotes. In a second experiment, we compared the response to central and extreme positions in shape space while controlling for the number of presentations of each unique stimulus to study whether the expected &quot;average&quot; category exemplar plays a role. The current fMR-A results show that a small change in exemplar shape produces a large release of adaptation, but only for outline shape changes of animals and not for man-made tools. Furthermore, our results suggested that central and extreme positions were not treated differently. Together, these results suggest a narrow tuning in object-selective cortex for individual exemplars from natural object categories, consistent with an exemplar-based encoding principle

S2-3: Double Dissociation between the Extrastriate Body Area and the Posterior Superior Temporal Sulcus during Biological Motion Perception: Converging Evidence from TMS and fMRI

Our brains engage numerous regions when exposed to biological motion, with the posterior superior temporal sulcus (pSTS) being the primary locus. The exact roles of hMT+ and the extrastriate body area (EBA) remain unclear. Here, we set out to determine the specific roles of pSTS and EBA during biological motion perception, focusing on walker orientation and walking direction. To obtain converging evidence, we conducted separate TMS and fMRI experiments within the same subjects ( N = 12). Two separate tasks were used in the TMS study: walker orientation probing form processing and walking direction probing motion/sequence processing. Task performance was compared before and after applying repetitive offline TMS (1 Hz) over EBA and pSTS (based on fMRI-guided stereotaxy). In the fMRI study, EBA and pSTS were mapped in separate scans using standard localizers. Subsequently, runs with point-light walkers were subjected to MVPA, determining the amount of static (orientation) and dynamic (direction) information present within EBA and pSTS. Both TMS and MVPA revealed a strong double dissociation between inferred functions of EBA and pSTS. Disrupting EBA impaired performance on the walker orientation task, while leaving walking direction performance intact. In contrast, disruption of pSTS processing resulted in the opposite effect ( p < .001). Similarly, EBA BOLD response revealed significant walker orientation information and no walking direction information, while (again) pSTS BOLD response displayed the opposite pattern ( p < .005). We provide converging and causative evidence that dissociates EBA (static body processing) from pSTS (dynamic body sequence processing) during action perception

Action representation by macaque visual temporal cortical neurons

Het correct kunnen identificeren van acties gesteld door anderen is van cruciaal belang voor ons eigen overleven. Doch we weten nog slechts weinig over de neuronale onderbouw hieromtrent. Daarenboven heeft psychofysisch onderzoek aangetoond dat we uiterst gevoelig zijn voor dergelijke stimulatie, zelfs indien we worden blootgesteld aan extreem arme stimulus presentaties, zoals lichtpunt versies. Deze dissertatie tracht enig licht te werpen op de neuronale onderbouw van biologische beweging. Meer specifiek tracht ik dit te realiseren door een brug te slaan tussen de uitgebreide psychofysische onderzoekstraditie bij de mens en elektrofysiologische registraties in de temporale hersenkwab van de wakkere aap (makaak), waarbij de activiteit van aparte hersencellen in kaart wordt gebracht. Na een exhaustieve inhoudelijke uiteenzetting van het onderwerp in Hoofdstuk 1 worden de specifieke onderzoeksvragen aangekaart (Hoofdstuk 2). Het inleidende overzicht is vrij uitgebreid gegeven de rijkdom en diversiteit aan studies uitgevoerd in het domein. In Hoofdstuk 2, voortbordurend op dit inleidende elan, worden de inspiratie bronnen voor de studies uitgevoerd in deze dissertatie uit de doeken gedaan. De daaropvolgende Hoofdstukken 3-5 behelzen het experimentele gedeelte van deze thesis. In Hoofdstuk 3 [Vangeneugden et al., 2009] pasten we het experimentele design, waarbij goed gecontroleerde stimulus ruimtes gecreëerd worden, doorgaans toegepast in het domein van de statische stimulatie, toe in het dynamisch domein. Concreet realiseerden we dit door het differentieel mixen van 3 bewegings-gecapteerde transitieve arm acties (zijnde kloppen op een deur, een glas opheffen en een bal weggooien) wat resulteerde in een triangulaire parametrische actie ruimte bestaande uit 21 acties. Dit alles stelde ons in staat de antwoord-selectiviteit en de representatie van de similariteiten tussen acties door temporale hersencellen kwantitatief te benaderen. We ontwikkelden ook een aantal controle tests die ons toelieten functionele vergelijkingen te maken tussen verschillende hersengebieden. Meer concreet, voor deze en de hierna volgende neuronale studie, viseerden we de bovenste en onderste gedeeltes alsook de fundus van de superieure temporale sulcus (STS) en de laterale convexiteit van de inferotemporale cortex. Twee functioneel verschillende klassen van neuronen werden onderscheiden: snapshot neurons, voornamelijk gelegen in het onderste gedeelte van de STS en de laterale convexiteit, en bewegings neuronen, voornamelijk gelegen in de bovenste bank en fundus van de STS. De eerste klasse van neuronen codeert statische informatie, zoals de houding van het lichaam, terwijl de tweede klasse van neuronen de visuele kinematica van stimuli codeert. Verder bleken beide klassen van neuronen ook goed in staat te zijn om de ordinale similariteiten tussen acties op een getrouwe manier te representeren. In het kielzog van deze bevindingen ontwikkelden we een nieuwe follow-up studie die beter in staat is om een brug te slaan tussende uitgebreide literatuur omtrent het percipiëren van biologische beweging bij mensen, hoofdzakelijk gebruik makend van locomoties, en diens onderliggende neuronale substraat. Hoofdstukken 4 en 5 handelen respectievelijk over de gedrags- en neuronale component van dit follow-up onderzoek. Hoofdstuk 4 [Vangeneugden et al., 2010] rapporteert over de extensieve gedragsmatige training van 3 makaak apen in het discrimineren van kijkrichting (links vs. rechts) en het discrimineren van voorwaarts/achterwaarts wandelen. De eerste taak kan opgelost worden obv beweging en/of vorm, terwijl de tweede taak enkel kan opgelost worden obv bewegingsinformatie aangezien de lichaamshoudingen tussen de 2 acties identiek zijn, dwz enkel verschillen mbt de sequentie/temporele volgorde van de lichaamshoudingen. We constateerden dat er ontzettend veel training nodig was voor de apen om de voorwaarts/achterwaarts taak onder de knie te krijgen, terwijl het discrimineren van kijkrichting veel gemakkelijker werd bevonden. Desalniettemin, nadat beide taken voldoende aangeleerd waren, controleerden we hun generalisatie performantie tav andere stimulus manipulaties, zoals andere snelheden, personen, stimulus versies, bewegingsdegradaties, enz. Twee van de drie getrainde subjecten namen verder ook deel aan de elektrofysiologische registraties zoals genotuleerd in Hoofdstuk 5 [Vangeneugden et al., resubmitted after revision]. In dit experiment pasten we verder ook, op het niveau van de populatie, machine leer technieken toe (zoals support vector machines). Deze technieken stelden ons in staat om, op het niveau van de populatie, de verschillende neuronale mechanismes, neergeslagen in de temporale hersenkwab, te ontrafelen. Het merendeel van de geregistreerde neuronen was selectief voor kijkrichting, terwijl neuronen selectief voor voorwaartse vs achterwaartse locomotie veel zeldzamer waren. Bovendien doen de populatie SVM analyses vermoeden dat het momentane-lichaamshouding signaal sterker is dan het sequentie mechanisme. Een cruciale controle in dit experiment betreft de presentatie van locomoties waarbij de start positie gerandomiseerd wordt overheen stimulus herhalingen. Aan de hand van deze test konden we aantonen dat ook snapshot neuronen een sequentie signaal kunnen meedragen, een bevinding met verregaande gevolgen voor modellen omtrent het kunnen herkennen van acties. Alle puzzelstukjes worden in Hoofdstuk 6 samengevoegd en samen gevat waarbij, obv de hier gerapporteerde bevindingen, ook een resem potentiële follow-up experimenten worden voorgesteld.status: publishe

S2-3: Double Dissociation between the Extrastriate Body Area and the Posterior Superior Temporal Sulcus during Biological Motion Perception: Converging Evidence from TMS and fMRI

Our brains engage numerous regions when exposed to biological motion, with the posterior superior temporal sulcus (pSTS) being the primary locus. The exact roles of hMT+ and the extrastriate body area (EBA) remain unclear. Here, we set out to determine the specific roles of pSTS and EBA during biological motion perception, focusing on walker orientation and walking direction. To obtain converging evidence, we conducted separate TMS and fMRI experiments within the same subjects (N = 12). Two separate tasks were used in the TMS study: walker orientation probing form processing and walking direction probing motion/sequence processing. Task performance was compared before and after applying repetitive offline TMS (1 Hz) over EBA and pSTS (based on fMRI-guided stereotaxy). In the fMRI study, EBA and pSTS were mapped in separate scans using standard localizers. Subsequently, runs with point-light walkers were subjected to MVPA, determining the amount of static (orientation) and dynamic (direction) information present within EBA and pSTS. Both TMS and MVPA revealed a strong double dissociation between inferred functions of EBA and pSTS. Disrupting EBA impaired performance on the walker orientation task, while leaving walking direction performance intact. In contrast, disruption of pSTS processing resulted in the opposite effect (p < .001). Similarly, EBA BOLD response revealed significant walker orientation information and no walking direction information, while (again) pSTS BOLD response displayed the opposite pattern (p < .005). We provide converging and causative evidence that dissociates EBA (static body processing) from pSTS (dynamic body sequence processing) during action perception

Similarity, typicality, and category-level matching of morphed outlines of everyday objects

During visual object categorization, a match must be found between the input image and stored information about basic-level categories. Graf (2002) suggested the involvement of analog transformational, shape-changing processes to align the memory representation of the category with the perceptual representation of the current stimulus. Here we compare the predictions of alignment models with exemplar-based models using morphing between four exemplar outlines within each of eleven categories. Overall, with increasing transformational distance between two exemplars of the same category, reaction times to decide whether they belong to the same category in a sequential matching paradigm increased, while rated similarity between both exemplars decreased. However, in contrast to alignment accounts, exemplar-based accounts (a) can correctly predict the observed dissociation between typicality and categorization time, and allow the observed (b) deviations from sequential additivity, and (c) non-linear relations between transformational distance and rated similarity. By discussing integrations of exemplar-based theories with neglected processes such as information accumulation, response competition, response priming, and gain-modulation, a view of the recognition process from input to response emerges, which increases the validity and scope of modern exemplar-based categorization and recognition models.status: publishe

Neural Model for the Influence of Shading on the Multistability of the Perception of Body Motion

Fedorov L, Vangeneugden J, Giese MA. Neural Model for the Influence of Shading on the Multistability of the Perception of Body Motion. In: Proceedings of the 8th International Joint Conference on Computational Intelligence. SCITEPRESS - Science and Technology Publications; 2016