Temporal and spatial properties of shape processing in the human visual cortex : combined fMRI and MEG adaptation

Abstract

Recent studies have shown that global information about shapes is processed in both early ventral (i.e. V1, V2, Vp, V4) and higher occipitotemporal visual areas (i.e. Lateral Occipital Complex/LOC). However, the temporal and spatial properties of shape processing across visual areas in the human brain are largely unknown.

The present thesis addressed this question in a combined fMRI and MEG study, that made use of the complimentary spatial and temporal resolution of the two techniques. An event-related adaptation paradigm was applied, in which lower neural responses are observed for two identical than two different consecutivelypresented stimuli. The stimuli were shapes, that consisted of collinear Gabor elements. To investigate the temporal properties of shape processing, the interstimulus interval between the two consecutively-presented stimuli was manipulated (ISI: 100 vs. 400 msec). The results showed adaptation for both the short and the long ISI in the LOC, but only for the short ISI in early visual areas. Further, the spatial properties (Local vs. Global) were tested by changes in the local orientation of the Gabor elements or different global changes. Strong fMRI adaptation effects to local changes were observed in early visual areas (V1, V2, VP and V4) and to a smaller extent also in LOC. In contrast, fMRI adaptation effects to global changes were found only for the LOC, but not the early visual areas. In summary, the findings indicated, that processing of shape information in early visual areas is transient and restricted to a local neighbourhood around the receptive fields of their cells resulting in an analysis at high spatiotemporal resolution in early visual areas. In contrast, a rather coarse spatiotemporal resolution is implemented in the processing of shape information in higher visual areas resulting in sustained analysis. Further, recurrent processing between early and higher visual areas via feedforward and feedback projections might play a critical role in local-to-global and global-to-local mechanisms in shape analysis. In addition, the experiments confirmed the role of event-related fMRI adaptation paradigms as a sensitive tool to study shape analysis at different spatial and temporal scales across visual areas in the human brain and finally indicated that combined fMRI and MEG studies allow the investigation at high temporal and spatial resolution.

Die Integration lokaler Elemente in eine globale Form wird generell als Voraussetzung für die intakte und kohärente Wahrnehmung unserer Umwelt angenommen. Kürzliche Studien konnten zeigen, dass globale Information sowohl in frühen (z. B. V1, V2, Vp, V4) als auch höheren (z. B. Lateral Occipital Complex/LOC) visuellen Arealen des ventralen Pfades verarbeitet wird, die sich im okzipito-temporalen Cortex befinden. Die zeitlichen und räumlichen Eigenschaften der Formverarbeitung sind jedoch weitestgehend unbekannt. Die aktuelle Doktorarbeit hat sich mit dieser Fragestellung in kombinierten fMRT- und MEG- Studien beschäftigt. Hierbei wurden insbesondere die komplementären Eigenschaften dieser Methoden hinsichtlich Zeit und Raum genutzt. Es wurde ein so genanntes „event-related“ Adaptationsparadigma verwendet, bei dem geringere neuronale Antworten für die aufeinanderfolgende Präsentation identischer, im Vergleich zu verschiedener, Stimuli beoabchtet werden. Die Stimuli beinhalteten Formen, die aus kollinear angeordneten Gabor-Elementen bestanden. Um zeitliche Eigenschaften der Formverarbeitung zu untersuchen, wurde das Interstimulus-Interval (ISI) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stimuli manipuliert (ISI 100 vs. 400 msec). Die Ergebnisse zeigten Adaptation sowohl für das kurze als auch das lange ISI im LOC, während dies nur für das kurze ISI in den frühen visuellen Arealen der Fall war. Weiterhin wurden räumliche Eigenschaften (Local vs. Global) durch Veränderungen in der lokalen Orietierung der Gabor-Elemente oder einer Variation der globalen Form untersucht. Starke fMRT-Adaptationseffekte auf lokale Änderungen wurden in den frühen visuellen Arealen (V1, V2, VP und V4) beobachtet und zu einem geringeren Ausmaß auch im LOC. Im Gegensatz hierzu zeigten sich fMRT-Adaptationseffekte auf globale Änderungen nur im LOC, nicht jedoch in den frühen visuellen Arealen. Zusammenfassend sind diese Befunde hinweisend für eine transiente Verarbeitung von Forminformation in frühen visuellen Arealen des ventralen Pfades, die innerhalb eines lokalen Bereich um die rezeptiven Felder dieser Neurone stattfindet und auf eine Analyse von hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung deutet. Im Gegensatz hierzu ist in der Verarbeitung von Forminformation in höheren visuellen Arealen eher eine grobe räumliche und zeitliche Auflösung implementiert, die sich in anhaltender Analyse äussert. Neben diesen Ergebnissen spielen möglicherweise rekurrente Verbindungen in Form von "feedforward"- und "feedback"-Projektionen zwischen frühen und höheren visuellen Arealen eine kritische Rolle für lokal-globale als global-lokale Mechanismen der Formverarbeitung. Zusätzlich bestätigten die Ergebnisse die Bedeutung von "event-related" Adaptationsparadigmen als ein sensitives Instrument zur Untersuchung der Formverarbeitung innerhalb verschiedener Areale des humanen Gehirns und zeigten zuletzt, dass kombinierte fMRT-und MEG- Studien eine Untersuchung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung ermöglichen.