Dokument: On the functional roles of visual and motor areas during the process of movement recognition

Titel:On the functional roles of visual and motor areas during the process of movement recognition
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URN (NBN):urn:nbn:de:hbz:061-20130319-135850-3
Kollektion:Dissertationen
Sprache:Englisch
Dokumententyp:Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:Text
Autor:Dr. Pavlidou, Anastasia [Autor]
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Dateien vom 15.03.2013 / geändert 15.03.2013
Dewey Dezimal-Klassifikation:100 Philosophie und Psychologie » 150 Psychologie
Beschreibungen:Bewegungserkennung wird als ein Prozess verstanden, in dem visuelle Information in das eigene persönliche Motor-Repertoire integriert wird. Dieser Prozess findet im Spiegelneuronen-System (SNS) statt, das den Sulcus temporalis superior, den inferioren parietalen Lobulus und den prämotorischen Kortex (PMK) umfasst. In der vorliegenden Arbeit werden drei Studien vorgestellt, die mittels der Lichtpunkt-Darstellungs-Methode (LDM) verschiedene Fragestellungen zur funktionellen Rolle des SNS und dessen Interaktionen während der Wahrnehmung biologischer Bewegung untersuchen.
In den ersten zwei Studien wurde mittels Magnetenzephalographie (MEG) die Gehirnaktivität gemessen, während Probanden zwischen drei verschieden Lichtpunkt-Läufern unterscheiden mussten. Für die dritte Studie wurde transkranielle Gleichstromstimulation (tGSS) auf Teile des SNS angewendet, um den Einfluss von tGSS auf die visuelle Verarbeitung von verschiedenen Formen biologisch plausibler Bewegungsmuster (Mensch vs. Vogel) und der Unterscheidung zwischen natürlichen und unnatürlichen menschlichen Bewegungen zu untersuchen.
Im Rahmen der ersten Studie mussten die Probanden zwischen (biologisch) plausiblen menschlichen Bewegungen und Bewegungen einer zufälligen, strukturlosen LDM-Darstellung unterscheiden. Es wurden signifikante Unterschiede im Gamma- (55-95 Hz), Beta- (20-35 Hz) und Alpha-Frequenzband (9-13 Hz) gefunden. Diese Effekte wurden in parieto-okzipitalen, sensomotorischen und links temporalen Kortexbereichen lokalisiert. Weiterhin konnte eine positive Kopplung des Leistungsspektrums über Versuchsdurchgänge ausschließlich für die plausible Bedingung zwischen sensomotorischem Gamma-Band und parieto-okzipitalem Beta-Band aufgezeigt werden.
In der zweiten Untersuchung differenzierten Probanden zwischen zwei visuell ähnlichen LDM-Bewegungen, die sich geringfügig in ihrer biomechanischen Plausibilität unterschieden. Zwischen 1650 und 2650 ms zeigten sich signifikante Effekte im Beta-Band (~20 Hz) in links temporalen, parieto-okzipitalen und sensomotorischen Arealen.
Zusammengenommen zeigen diese MEG-Studien, dass die dynamischen Modulationen und zeitlichen Profile zwischen visuellen und motorischen Arealen durch den Grad der Plausibilität der beobachteten Bewegung moduliert werden. Zudem könnte das Beta-Band einen Mechanismus darstellen, mit dem visuelle und motorische Areale während der Bewegungserkennung zu einem funktionierenden Netzwerk kombiniert werden.
Für die dritte Studie wurden reale (anodale und kathodale) und vorgetäuschte (sham) tGSS auf dem PMK appliziert, um die kausalen Effekte des PMK auf die visuelle Wahrnehmung von menschlichen und nichtmenschlichen LDM-Bewegungen zu untersuchen. Im ersten Experiment sollten die Probanden zwischen verschiedenen Stimuluskategorien unterscheiden: Mensch, Vogel und strukturlose LDM-Darstellung. Das zweite Experiment umfasste eine Unterscheidung innerhalb einer Kategorie: Probanden sollten zwischen natürlicher und unnatürlicher menschlicher Bewegung und strukturloser LDM-Darstellung unterscheiden. Im ersten Experiment konnte gezeigt werden, dass anodale tGSS des PMK die allgemeine Verarbeitung der Vogel-Bewegung erleichtert, während kathodale tGSS des PMK die Erkennungsleistung menschlicher Bewegungen stark herabsetze. Im zweiten Experiment führte anodale tGSS zu einer Verstärkung der visuomotorischer Bahnung von natürlichen Bewegungen im PMK, was einen starken Effekt auf die Erkennungsleistung der unnatürlichen LDM-Bewegungen hatte.
Die dritte Studie erweitert die Bedeutung des PMK für die visuelle Verarbeitung von biologischen Bewegungen. Die vorliegenden Ergebnisse deuten darauf hin, dass der PMK hoch spezialisiert für die visuelle Wahrnehmung von natürlichen menschlichen Bewegungen ist, jedoch auch andere Spezies umfasst, darunter die biologische Bewegung von Vögeln. Weiterhin zeigt sich, dass der PMK während komplexeren Stufen der Bewegungsunterscheidung – wie zwischen korrekten und inkorrekten Bewegungen - eher als eine aktive Schaltstelle zu verstehen ist, anstatt als nachgeschalteter, passiver Beobachter.
Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse der vorliegenden drei Studien, dass der Prozess der biologischen Bewegungserkennung nicht ausschließlich auf der offenkundigen visuellen Information der beobachteten Handlung basiert. Vielmehr werden eher prämotorische Repräsentationen genutzt, um die beobachtete Bewegung konkreter einzugrenzen und anschließend zu interpretieren.

Movement recognition is thought to be a process in which visual information is integrated with one’s own personal motor repertoire. This process is thought to take place within the mirror neuron system (MNS), which comprises of the superior temporal sulcus (STS), inferior parietal lobule (IPL), and premotor cortex (PMC). Here, three studies using the point-light display (PLD) method addressed open questions on the functional role of the MNS areas and their interactions during the recognition of biological movements (BM). In the first two studies we recorded magnetoencephalography (MEG) brain activity while participants differentiated between three variations of a single PLD movement varying in its degree of plausibility. The third study employed transcranial direct current stimulation (tDCS) on PMC to investigate PMC’s role in the visual processing of different forms of BM (human vs. bird), as well as, its interpretation in the distinction between natural vs. unnatural PLD movements.
In the first study participants were asked to differentiate between plausible (natural human movements) and scrambled (random dot motion) movements. Significant differences were observed in gamma (55-95 Hz), beta (20-35 Hz) and alpha (9-13 Hz) power, between 500-1300 milliseconds (ms) in parieto-occipital, sensorimotor, and left temporal areas respectively for the plausible condition. Furthermore, positive trial-by-trial power coupling was observed only for the plausible movement between sensorimotor beta and parieto-occipital gamma, as well as, left-temporal alpha.
In the second study participants had to distinguish between two visually similar PLD movements, differing slightly in their degree of biomechanically plausibility. Significant differences were found in the beta power (~20 Hz), between 1650-2650 ms in left-temporal, parieto-occipital and sensorimotor areas successively.
Taken together these two MEG studies reveal that the dynamic modulations and temporal profiles between visual and motor areas are modulated by the degree of plausibility of the observed movement, and that beta band may provide a mechanism that combines visual and motor areas into a functional network during the process of movement recognition.
In the third study, real (anode and cathode) and sham tDCS was administered on PMC to examine the causal effects of PMC on the visual perception of human and non-human PLD movements. Participants performed 2 experiments: In Experiment 1, participants were asked to make a between category judgement; distinguishing between human, bird and random movement. In Experiment 2, participants were asked to make a within category judgement; distinguishing between natural, unnatural and random movement. In Experiment 1, anodal tDCS on PMC facilitated the global processing of the bird movement, while cathodal tDCS on PMC severely decreased participants’ accuracy in the recognition of human movements. In Experiment 2, anodal tDCS seem to increase PMCs visuomotor priming of natural movements, severely affecting the interpretation of the unnatural PLD movement.
The third study extends the importance of PMC in the visual processing of BM. Our results suggest that PMC is highly specialized in the visual percept of natural human BM, but extends to include other species, such as bird BM. Furthermore, it suggests that the PMC may act as an active interpreter rather than a submissive observer during higher form processes such as discriminating between correct and incorrect movements.
Taken together, the results of the three studies suggests that the process of BM recognition does not seem to purely depend on the overt visual information of the observed movement but rather uses premotor representations to further refine and in turn interpret the observed movement.
Fachbereich / Einrichtung:Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Psychologie
Dokument erstellt am:19.03.2013
Dateien geändert am:19.03.2013
Promotionsantrag am:07.12.2012
Datum der Promotion:15.02.2013
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