Dissertation
Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

Danai Dima

 

Investigation of neural correlates of bottom-up and top-down processing with functional magnetic resonance imaging and electroencephalogram. Exemplified by the binocular depth inversion-paradigm.

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-97942

title (ger.)

Untersuchung der neuronalen Grundlagen der Interaktion von Top-down – und Bottom-up - Prozessen mittels funktioneller Magnetresonanztomographie und Elektroenzephalographie, anhand des Paradigmas der binokulären Tiefeninversion.

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2009

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/dimad_ws09.pdf

abstract (deutsch)

Die Verarbeitung von Sinneseindrücken im Gehirn ist ein interaktiver Prozess, in dem die von den Sinnesorganen ankommenden Informationen mit den im Gehirn gespeicherten Informationen verglichen und abgeglichen werden müssen. Die Informationsweitergabe, ausgehend von den Sinnesorganen, bezeichnet man als „bottom-up“ - Prozess, während der entgegengesetzte Informationsfluss von gespeicherten Informationen als „top-down“ – Prozess bezeichnet wird. Unter gesunden Bedingungen besteht ein dynamisches Gleichgewicht, wodurch eine sinnvolle Wahrnehmung entsteht mit einer für das Individuum jeweils optimal angepassten Reaktionsweise auf einen äußeren Reiz. Eine Krankheitshypothese der Schizophrenie besagt, dass es bei der psychotischen Erkrankung zu einer Störung dieses Gleichgewichtes kommt (Emrich, 1989). Die Störung macht sich, besonders bei der Wahrnehmung nicht eindeutiger Reize, wie dies bei Illusionen der Fall ist, bemerkbar. Bei einer illusionären Verkennung werden an sich korrekte Sinneswahrnehmungen aufgrund andersartiger Erwartungen fehlinterpretiert. Somit eignen sich Paradigmen, die illusionäre Phänomene verwenden, besonders gut zur weiteren Untersuchung dieser Krankheitshypothese. In der vorliegenden Studie wurde das „Hohlmaskenparadigma“ zur Untersuchung von Top-Down - und Bottom-Up - Phänomenen benutzt. Bei der „Hohlmaske“ handelt es sich um die Maske eines menschlichen Gesichtes, die nicht von außen sondern von innen betrachtet wird, also hohl, d.h. konkav ist. Unter Normalbedingungen sind Menschen nicht in der Lage, eine Hohlmaske als hohl zu erkennen, sie nehmen die Maske als ein normales konvexes menschliches Gesicht wahr. Patienten, die an einer Schizophrenie erkrankt sind, lassen sich durch diese Illusion jedoch erstaunlicherweise nicht täuschen sondern erkennen die Hohlmaske tatsächlich als hohl (Schneider et al., 1996a, 2002; Emrich et al., 1997). In früheren Studien wurden solche Unterschiede als Störung eines internen „Zensors“ (Frith and Dove, 1988; 1989; Malenka et al., 1982) oder als Dyskonnektionssyndrom (Hemsley, 1987, Friston, 1998) gedeutet.

Grundlage der vorliegenden Arbeit ist die Hypothese, dass bei der Schizophrenie die Wahrnehmung dadurch verändert ist, dass die Top-Down Komponenten geschwächt sind. Eine Patienten- und eine Kontrollgruppe wurden mittels fMRT und EEG untersucht, während sie sich 3-dimensionale Bilder von Gesichtern anschauten und entscheiden sollten, ob sie ein hohles und ein normales Gesicht sehen. Wie zu erwarten war, konnten nur die Patienten die Hohlmaske als hohl erkennen. Mittels der neuen Methode der Konnektivitätsanalyse (dynamic causal modelling-DCM) lässt sich zeigen, dass bei den Patienten die Verbindungen vom frontalen Kortex (Top-Down Komponente), zu anderen Gebieten, die visuell räumliche Informationen verarbeiten, geschwächt sind. In der Kontrollgruppe hingegen zeigt sich beim Blick auf die Hohlmaske eine Intensivierung der Top-Down Komponente. Die Konnektivitätsanalyse der EEG Daten führt zu den gleichen Ergebnissen. Darüber hinaus zeigen diese Daten, dass diese Unterschiede in der – zeitlich gesehen – „späten“ Phase der Verarbeitung von sensorischen Eindrücken entstehen. Die Daten bestätigen, dass bei der Schizophrenie eine funktionelle Dyskonnektivität besteht, die die Wirksamkeit der Top-Down Komponente vermindert.

 

abstract (englisch)

Perception is the result of interaction between sensory signals (bottom-up processing) and prior knowledge, predictions and models stored in memory (top-down processing). It is a crucial balance that has to be maintained in order to make sense of the environment around. Schizophrenia impacts on perception by creating an imbalance between top-down and bottom-up processes. This imbalance becomes more manifest when the percept is ambiguous like an illusion (Emrich, 1989). Illusions provide a useful tool for studying the impact of previous knowledge and contextual information on perception because the perceived stimulus diverges substantially from the real sensory input. In this research the binocular depth inversion paradigm, that is, the ‘hollow-mask illusion’, was used to investigate the interaction between top-down and bottom-up processing. The hollow mask illusion occurs when a hollow mask is erroneously perceived as a normal convex face. Studies so far have shown that patients suffering from schizophrenia do not perceive the illusion, but see the hollow mask as a hollow face (Schneider et al., 1996a, 2002; Emrich et al., 1997). Other studies have attributed this kind of findings to the impairment of the internal correcting systems (Frith and Dove, 1988; 1989; Malenka et al., 1982) and to an imbalance in systems responsible for concept formation in schizophrenia (Hemsley, 1987, Friston, 1998). In this research we hypothesized that the patients suffering from schizophrenia do not perceive the hollow mask illusion because they rely more on stimulus-driven processing than on top-down processing.

The aim of this thesis was to test these hypotheses by using two complementing neuroimaging techniques, functional magnetic resonance tomography (fMRI) and electroencephalography (EEG). As anticipated, schizophrenic patients and controls differed in their susceptibility to the hollow face illusion. In contrast to control subjects, patients were immune to the illusion. In the fMRI study by using a novel connectivity tool dynamic causal modeling (DCM), we demonstrated that during the perception of the hollow faces schizophrenic patients exhibited changes in connectivity. In particular top-down processes were weakened and bottom-up processes were strengthened. On the contrary, when perceiving the same stimuli controls exhibited a strengthening of top-down influences. DCM analysis on EEG data verified these results. Furthermore, by using the event-related method we specified that the distortion in the balance between bottom-up and top-down processes occurs in the late stages of sensory processing in schizophrenia. These findings indicate that there is deficient functional connectivity in schizophrenia which constrains top-down control during perception.

 

keywords

Schizophrenie, Konnektivität, Neurowissenschaft, schizophrenia, connectivity, neuroscience

kb

5.465