visual attention, syntax and emotion

Abstract

Im Gegensatz zu klassischen univariaten Verfahren zur Analyse von Daten der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) erlaubt das multivariate Verfahren der Multivoxel-Muster-Analyse (MVMA) die simultane Berücksichtigung der Informationen mehrerer Bildpunkte. Somit ist das Verfahren sensitiv gegenüber Information, die in Aktivierungsmustern ausgeprägt ist, selbst dann, wenn statistische Unterschiede innerhalb einzelner Bildpunkte nicht beobachtet werden können. Unter Ausnutzung dieser Eigenschaft der MVMA werden im Rahmen dieser Dissertation aktuell diskutierte Fragestellungen der humanen neurokognitiven Forschung in verschiedenen kognitiven Modalitäten adressiert: (1) Wird in nicht-topographisch organisierten frontalen Arealen des menschlichen Gehirns Information zum Ort der Aufmerksamkeit im visuellen Feld kodiert? (2) Ist Information über die Syntax eines verbalen Stimulus bereits in frühen auditiven kortikalen oder erst in höherrangigen kognitiven Arealen kodiert? (3) Welche Gehirnareale kodieren auch außerhalb des auditorischen Kortex die emotionale Kategorie einer prosodischen Äußerung? Zur Klärung dieser Fragen wurden drei unabhängige Studien an 3-Tesla- Magnetresonanztomographen durchgeführt und die Daten mit Hilfe der MVMA ausgewertet. Im einzelnen wurden folgende Ergebnisse beobachtet: (1) Zusätzlich zu bereits bekannten topographisch organisierten parietalen und frontalen Arealen war erstmals Information über den Ort der visuellen Aufmerksamkeit im rechten mittleren frontalen Gyrus sowie dem rechten ventrolateralen präfrontalen Kortex nachweisbar. Dies unterstützt bestehende Theorien bezüglich eines „Filter“-Signals, das an der Steuerung der visuellen Aufmerksamkeit beteiligt ist. (2) Frühe auditorische Areale kodieren zwar für saliente perzeptuelle Eigenschaften von akustischen Stimuli, Informationen bezüglich der Syntax verbaler Äußerungen sind aber erst in höher-kognitiven und linkslateralisierten Arealen enthalten. (3) Mit Hilfe der MVMA ist in einem aus operculofrontalen und temporalen Strukturen bestehenden Netzwerk und damit auch in Arealen außerhalb des auditorischen Kortex der Nachweis von Information über den Emotionsgehalt perzipierter prosodischer Ausdrücke gelungen. Diese Ergebnisse bestätigen und untermauern bisherige Erkenntnisse zur Beteiligung operculofrontaler Strukturen an emotionaler Kommunikation. Insgesamt belegen die vorgestellten Studien, daß im menschlichen Gehirn Informationen bezüglich der untersuchten experimentellen Bedingungen in lokalen Aktivierungsmustern kodiert sind. Die vorgelegten Arbeiten weisen somit das Verfahren der MVMA in Ergänzung zu klassischen Ansätzen als sensitive Methode zur Auswertung des Informationsgehalts humaner fMRT-Signale multipler kognitiver Modalitäten aus.Contrary to classical univariate analysis of functional magnetic resonance imaging (fMRI) data, the approach of multivariate pattern analysis (MVPA) allows to gather information simultaneously from many voxels. Thus, MVPA is not only sensitive to statistically significant signal changes at single voxels but also to information encoded in activation patterns. Within the framework of my dissertation, MVPA was used to address current issues in the field of human cognitive neuroscience: (1) Do non-topographic human frontal brain areas encode for the locus of visual attention? (2) Do early, or only later, auditory cortical areas encode for the syntax of verbal stimuli? (3) Which brain areas beyond the auditory cortex do encode the emotion of a prosodic utterance? In order to give answers to these questions, three independent data sets were acquired at 3-Tesla magnetic resonance scanners and, hence, analysed by MVPA. The following results were observed: (1) We found information about the locus of visual attention not only in well-known topographic parietal and frontal brain areas but also in the right middle frontal gyrus and the ventrolateral prefrontal cortex. This first-time observation supports the theory of a filter signal that is involved in the control of visual spatial attention. (2) Early auditory brain areas encode for the perceptual saliency of auditory stimuli. However, information about the syntax of a verbal utterance could only be found in higher cognitive and left lateralized brain areas. (3) MVPA shows a network of operculofrontal and temporal brain areas that encodes for the emotion of a prosodic utterance. These findings beyond the auditory cortex support previous hypotheses about an involvement of the operculofrontal cortex in emotional communication. The three presented studies provide evidence that cognitive information is encoded in local activation patterns in the human brain. In addition to classical analysis of fMRI data, MVPA serves accordingly as a sensitive analysis tool for the informational content of human fMRI signals from multiple cognitive modalities

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