Visuelle Aufmerksamkeit: fMRI Untersuchung der objektbasierten Aufmerksamkeitskontrolle

Visuelle Aufmerksamkeitskontrolle bezieht sich auf unseren bewussten Zustand, in dem wir wählen, worauf wir achten wollen.

Wenn es zum Beispiel das Ziel eines Beobachters ist, alle Zwiebeln in seiner Suppe herauszupicken, dann bemerkt er vielleicht die Fliege, die herumschwirrt, nicht.

Obwohl beide räumlich zusammenfielen, stach der Schwerpunkt – die Zwiebeln – aufgrund des Ziels des Individuums hervor. Dies ist ein Beispiel für objektbasierte Aufmerksamkeitssteuerung.

Interessanterweise kann das Gehirn – und insbesondere der visuelle Kortex – die Objekte getrennt voneinander verarbeiten. Aber es ist das beaufsichtigte Objekt, das in seinem zugehörigen spezialisierten Verarbeitungsbereich eine stärkere Aktivierung erhält.

Unter Verwendung von funktioneller Magnetresonanztomographie, fMRT und Methoden, die ursprünglich von Nancy Kanwisher und Kollegen entwickelt wurden, zeigt dieses Video, wie man dedizierte Gehirnregionen lokalisiert, die bestimmte Objekte verarbeiten.

Wir werden auch untersuchen, wie die Aufmerksamkeitskontrolle die neuronale Aktivität in denselben Regionen mit Hilfe voxelbasierter Analysen moduliert, und sogar diskutieren, wie Achtsamkeitstraining die Fähigkeit zur Kontrolle der Aufmerksamkeit im Laufe der Zeit verbessern kann.

In diesem Experiment liegen die Teilnehmer in einem fMRT-Scanner und bekommen Bilder von Gesichtern und Häusern in zwei verschiedenen Phasen gezeigt: passives Betrachten und Überlagerung.

In der ersten Phase werden sie gebeten, einfach Bilder nacheinander in einem Blockdesign zu betrachten, d.h. es werden mehrere Gesichter präsentiert, gefolgt von einer Abfolge von Häusern. Diese Art der Betrachtung dient dazu, Aktivitäten innerhalb bestimmter Interessenbereiche zu lokalisieren.

So hat sich beispielsweise gezeigt, dass die fusiforme Gesichtsfläche, die FFA, im Vergleich zu anderen häufigen Objekten aktiver ist, wenn Individuen Gesichter betrachten, während die parahippocampale Ortsfläche, kurz PPA, stärker auf Häuser und Orte reagiert als auf Gesichter.

Angesichts der Tatsache, dass diese Regionen auf bestimmte Arten von Reizen reagieren, ist zu erwarten, dass sich die Muster der voxelbasierten Aktivität - oder Bereiche, die ein gewisses Maß an Aktivierung darstellen - je nach den gezeigten Bildern ändern.

Solche Erwartungen bilden den Auftakt für die zweite Phase, in der überlagerte Bilder eines Gesichts und eines Hauses gezeigt werden. In mehreren Versuchen werden die Teilnehmer gebeten, jeweils nur auf eines der Elemente zu achten und müssen daher ihren Fokus entweder auf das Haus oder das Gesicht wechseln.

In diesem Fall ist die abhängige Variable die Menge der Aktivierung, die unter allen Bildbedingungen aufgezeichnet wurde, die in das Ausmaß der Signaländerung umgerechnet werden kann, um die Variation der Aktivierung von der Grundlinie zu den gesichtsfokussierten Blöcken und den auf das Haus zentrierten Blöcken zu beobachten.

Obwohl beide Bilder überlagert dargestellt werden, wird vorhergesagt, dass sich die Aktivitätsmuster in der FFA und PPA der Teilnehmer ändern werden, je nachdem, um welches Element sie sich kümmerten. Solche Ergebnisse würden die objektbasierte Aufmerksamkeitskontrolle hervorheben.

Nachdem Sie die Teilnehmer für diese Studie rekrutiert haben, begrüßen Sie sie im Labor und vergewissern Sie sich, dass sie die Sicherheitsanforderungen erfüllen, indem Sie die erforderlichen Einwilligungserklärungen ausfüllen. Bitte beziehen Sie sich auf ein anderes fMRT-Projekt in dieser Sammlung, um weitere Informationen darüber zu erhalten, wie Sie Personen auf das Betreten des Scanraums und der Bildgebungsbohrung vorbereiten können.

Erklären Sie dem Teilnehmer nun im Scanner die Aufgabenanweisungen: Er muss zunächst passiv eine Reihe von Bildern auf dem Bildschirm betrachten. In der zweiten Phase werden sie durch Textanweisungen aufgefordert, entweder auf das Haus oder das Gesicht zu achten, wenn sie überlagert erscheinen.

Befolgen Sie diese Anweisungen, beginnen Sie das Scanprotokoll, indem Sie zunächst einen hochauflösenden anatomischen Scan sammeln.

Initiieren Sie dann den funktionellen Teil mit zwei Lokalisierungsläufen, bei denen die Teilnehmer Bilder passiv in 30-Sekunden-Blöcken betrachten. Zum Beispiel zeigen Sie im ersten Segment Flächen für jeweils 750 ms und ein Fixationskreuz dazwischen während eines Inter-Stimulus-Intervalls (ISI) von 250 ms an.

Am Ende jedes Blocks wird das Fixationskreuz 20 s lang dargestellt, bevor die Bildserie abwechselt, die nun Häuser sein sollten. Beachten Sie, dass sich diese Sequenz fünfmal mit unterschiedlichen Bildern wiederholt, was insgesamt 10 Blöcke innerhalb eines Durchlaufs ergibt.

Fahren Sie als Nächstes mit acht funktionalen Durchläufen der Aufmerksamkeitssteuerungsaufgabe fort. Während dieser Phase weisen Sie die Teilnehmer per Text auf dem Bildschirm an, um welche Objekte sie sich kümmern sollen, und durchlaufen Sie dann jede Sekunde ein überlagertes Gesicht und ein Haus, wobei jeder Durchlauf 300 überlagerte Bilder enthält.

Um die Studie abzuschließen, nehmen Sie den Teilnehmer aus dem Scanner und führen Sie eine Nachbesprechung durch.

Um die Daten vorzuverarbeiten, führen Sie eine Bewegungskorrektur durch, um Bewegungsartefakte zu reduzieren, eine zeitliche Filterung, um Signalabweichungen zu entfernen, und eine räumliche Glättung, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen.

Erstellen Sie anschließend ein allgemeines lineares Modell, das darauf basiert, wie die erwartete hämodynamische Reaktion für jede Aufgabenbedingung, entweder Gesichter oder Häuser, im Lokalisiererscan aussehen sollte.

Generieren Sie eine statistische Karte, indem Sie die Daten an dieses Modell anpassen, wobei der Wert an jedem Voxel das Ausmaß darstellt, in dem es an der Aufgabenbedingung beteiligt war.

Identifizieren Sie basierend auf den interessierenden Regionen Cluster für jedes Subjekt mit einem statistischen Mindestschwellenwert für jedes Voxel, das entweder auf Gesichter oder Häuser reagiert hat.

Konzentrieren Sie sich insbesondere auf den FFA im mittleren fusiformen Gyrus, der signifikant mehr auf Gesichter als auf Häuser reagiert, sowie auf den PPA, der alle Voxel im Gyrus parahippocampalis umfasst, der signifikanter auf Häuser als auf Gesichter reagiert.

Quantifizieren Sie dann den prozentualen Prozentsatz der Signaländerung für gesichts- und hausfokussierte Bedingungen in der FFA und PPA für jedes Subjekt und stellen Sie es grafisch dar.

Während der Lokalisierungsphase war zu beachten, dass die bilaterale FFA aktiver war, wenn die Probanden Gesichter im Vergleich zu Häusern betrachteten. Umgekehrt war die PPA aktiver, wenn Probanden Häuser im Vergleich zu Gesichtern beobachteten.

Verwenden Sie nun aus den Funktionsläufen das gleiche Maß - die prozentuale Signaländerung - das gegen die Gehirnregionen aufgetragen wird.

Bei der Pflege des Gesichts wurde eine erhöhte Aktivität in der FFA festgestellt, nicht aber in der PPA. Umgekehrt, wenn man sich auf das Haus konzentrierte, kam es zu einer erhöhten Aktivität in der PPA, nicht aber in der FFA. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die neuronale Aktivität moduliert wird, je nachdem, um welches Element geachtet wird.

Nachdem Sie nun mit der Verwendung von funktioneller Neurobildgebung vertraut sind, um objektbasierte Aufmerksamkeitskontrolle zu untersuchen, schauen wir uns an, wie Forscher andere Arten der Aufmerksamkeitsverarbeitung untersuchen.

Neben statischen visuellen Bildern interessieren sich die Forscher auch dafür, wie die Gehirnaktivität moduliert wird, wenn Individuen sich auf sich bewegende Objekte konzentrieren – besonders wichtig für den Betrieb eines motorisierten Fahrzeugs und die Vermeidung von Unfällen.

Wenn der Fahrer beispielsweise aufgefordert wird, auf Bewegungen zu achten – wie ein Hund, der die Straße überquert –, wird die Bewegung selbst seine Aufmerksamkeit auf sich ziehen. Es kann jedoch sein, dass sie sich nicht an andere identifizierende Details über den Hund erinnern. Schließlich ist es wichtiger, Tragödien zu vermeiden, als sich an die Fellfarbe zu erinnern.

Eine andere Praxis, Achtsamkeit, beinhaltet Schlüsselelemente des Aufmerksamkeitswechsels, indem sie eine kluge Konzentration weg von stressigeren Gedanken fördert. Es hat sich gezeigt, dass Individuen bei der von Lehrern geleiteten Meditation ihre Fähigkeit verbessern, ihre Aufmerksamkeit zu kontrollieren, insbesondere abseits von negativen Ansichten.

Für Personen mit Angststörungen, einschließlich posttraumatischem Stress, ist die Aufmerksamkeitskontrolle jedoch schwieriger. Das heißt, sie sind eher auf emotional negative Reize ausgerichtet, wie z. B. tragische Ereignisse in den Nachrichten, als auf neutrale Geschichten.

Eine solche schlechte Aufmerksamkeitskontrolle macht sie anfälliger für die Auswirkungen bedrohlicher Bilder und hält Situationen aufrecht, die sie scheinbar nicht aus dem Kopf bekommen.

Sie haben sich gerade das Video von JoVE angesehen, in dem gezeigt wird, wie Aufmerksamkeit die neuronale Aktivität moduliert. Jetzt sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man ein Aufmerksamkeitskontrollexperiment mit funktioneller Neurobildgebung entwirft und durchführt und schließlich, wie man bestimmte Muster der Gehirnaktivität im Zusammenhang mit objektbasierter Aufmerksamkeit analysiert und interpretiert.

Danke fürs Zuschauen!