Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Top-down processes in synaesthesia

Neufeld, Janina

Synaesthesia is a fascinating phenomenon in which certain stimuli or concepts (inducers) lead automatically to additional sensations (concurrents) which are perceived as inseparably related to the inducing perception. While several models for synaesthesia were discussed in scientific literature, it is not yet entirely clear which neuronal mechanisms underlie this phenomenon. Especially two models gained attention during the last years. One is a two-stage model of direct cross-activation of concurrent- via inducer representing areas in combination with an increased binding processes, so called “hyperbinding”, mediated by the parietal cortex. The other is a model of disinhibited feedback to concurrent representation areas, coming from a multisensory nexus, e.g. in the parietal cortex. Studies addressing the question which neural correlates underlie synaesthesia found mainly evidence for an involvement of parietal, sensory (especially visual) and prefrontal areas by detecting increased activation or structural peculiarities in these areas in synaesthetes, while especially the findings in sensory areas are largely inconsistent. Within a recent review Rouw et al. pointed out that findings of differences between synaesthetes and controls in sensory areas most likely represent the synaesthetic sensations and that these findings might be strongly influenced by individual differences between synaesthetes, the task during the experiment and a priori specified regions of interest. Further, they believe that parietal areas are involved in hyperbinding and cognitive control processes during synaesthesia. However, most investigations on synaesthetes using imaging techniques concentrated on grapheme-colour synaesthesia, in which letters or numbers are perceived in specific colours, while many other synaesthesia form exist. Within this thesis with the title “Top-down Processes in Synaesthesia - Evidence from Functional Neuroimaging and Illusion Research”, functional neuroimaging data of a group of auditory-visual synaesthetes are presented for the first time, providing evidence for a key role of the left parietal cortex also in this form of synaesthesia. This finding suggests a common neural mechanism related to the parietal cortex in synaesthesia, independent from the specific synaesthesia form. A further finding within this thesis is that during the synaesthetic experience this parietal cortex region is also functionally stronger connected to primary auditory and visual areas in auditory-visual synaesthetes. These results are interpreted in favour of a parietal top-down influence on sensory areas as basis of auditory-visual synaesthesia. This would be in line with the model of disinhibited feedback or the idea of a hyperbinding mechanism related to the parietal cortex. As there was no increased functional connectivity detected between sensory areas in synaesthetes, our results provide no evidence for a direct cross-activation between areas of inducer and concurrent representation. As a third result of this thesis, synaesthetes show a decreased multimodal interplay between vision and audition during an audio-visual illusion, the double-flash illusion. In this illusion, one short light flash is misperceived as two flashes when presented together with two beep sounds. While the reasons why synaesthetes do not perceive this illusion as much as controls remain to be clarified, a relationship of this effect to attention control mechanisms is discussed. Attention control mechanisms have been shown to be strongly related to top-down control mediated by the parietal cortex or a network of prefrontal and parietal areas, respectively. Therefore, both, synaesthesia and a reduced multisensory interplay may be related to an altered parietal top-down control in synaesthetes. All in all, the results support the view that there are partially common mechanisms for different forms of synaesthesia and that synaesthesia shares also some mechanisms with multimodal perception, making the phenomenon especially attractive to neuroscience research.

Synästhesie ist ein faszinierendes Phänomen, bei dem bestimmte Sinnesreize oder Konzepte („inducers“ = Auslöser) automatisch zu zusätzlichen Wahrnehmungen („concurrents“ = Mitempfindungen) führen, die als untrennbar verbunden mit den auslösenden Reizen erlebt werden. Während bereits mehrere Modelle zur Synästhesie in der wissenschaftlichen Literatur diskutiert wurden, ist noch nicht vollständig geklärt, welche Mechanismen diesem Phänomen zugrunde liegen. Innerhalb der letzten Jahre haben insbesondere zwei Modelle viel Beachtung gefunden. Das eine ist ein Zwei-Stufen-Modell aus direkter Kreuz-Aktivierung des Areals, das die synästhetische Mitempfindung repräsentiert, durch das Areal, welches den Auslöser repräsentiert, zusammen mit einem zusätzlichen verstärkten Bindungsmechanismus der vom Parietalkortex ausgeht, sogenanntem „Hyperbinding“. Das andere Modell propagiert eine enthemmte Rückkopplung zwischen einem multimodalen Nexus, beispielsweise im Parietalkortex, und Arealen die die Mitempfindung repräsentieren. Studien, die dieser Frage nachgegangen sind, fanden hauptsächlich Hinweise für eine Beteiligung parietaler, sensorischer (insbesondere visueller) und präfrontaler Hirnareale, da sie erhöhte Aktivität oder strukturelle Besonderheiten bei Synästhetikern in diesen Arealen fanden, während sich insbesondere die Befunde in visuellen Arealen zu einem großen Teil als inkonsistent herausstellten. In einem aktuellen Übersichtsartikel haben Rouw und Kollegen dargelegt, dass die Befunde von Besonderheiten in sensorischen Arealen bei Synästhetikern sehr wahrscheinlich die synästhetischen Wahrnemungen repräsentieren und dass diese stark von individuellen Unterschieden zwischen Synästhetikern, als auch verschiedenen Aufgabenstellungen während des Experiments und vorab bestimmten „regions of interest“ bestimmt werden. Darüber hinaus glauben sie, dass parietale Hirnareale an verstärkten „Hyperbinding“ sowie kognitiven Kontrollmechanismen im Bezug auf die Synästhesie beteiligt sind. Allerdings konzentrierten sich die meisten Untersuchungen zu Synästhesie mit bildgebenden Verfahren auf die „Graphem-Farb-Synästhesie“, bei der Zahlen und Buchstaben in spezifischen Farben wahrgenommen werden, obwohl es noch viele andere Synästhesie-Formen gibt. Im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit mit dem Titel “Top-down Processes in Synaesthesia - Evidence from Functional Neuroimaging and Illusion Research”, werden erstmalig Daten funktioneller Bildgebung von einer Gruppe akustisch-visueller Synästhetiker vorgestellt, die Hinweise darauf liefern, dass der Parietalkortex auch in dieser Form von Synästhesie eine Schlüsselrolle spielt. Dieser Befund lässt einen von der spezifischen Synästhesieform unabhängigen, allgemeinen neuronalen Mechanismus in der Synästhesie vermuten, der vom Parietalkortex ausgeht. Ein weiterer Befund im Rahmen dieser Arbeit ist, dass diese Region im Parietalkortex bei akustisch-visuellen Synästhetikern während der synästhetischen Wahrnehmung auch funktionell stärker mit Arealen im primären visuellen und auditorischen Kortex verknüpft ist. Diese Resultate werden dahingehend interprestiert, dass der akustisch-visuellen Synästhesie ein vom Parietalkortex ausgehender „Top-down“-Mechanismus zugrunde liegt. Dies wäre mit den Synästhesie-Modellen von vom Parietalkortex ausgehender enthemmter Rückkopplung („disihibited feedback“) bzw. „Hyperbinding“ vereinbar. Da bei Synästhetikern keine verstärkte funktionelle Konnektivität zwischen sensorischen Arealen gefunden wurde, liefern unsere Daten keine Hinweise auf eine direkte Kreuz-Aktivierung zwischen den Arealen die den „Inducer“ bzw. den „Concurrent“ repräsentieren. Als dritter Befund innerhalb dieser Arbeit zeigen Synästhetiker eine verringertes multimodales Zusammenspiel zwischen Sehen und Hören während eine akustisch-visuellen Illusion, der „double-flash illusion“. Bei dieser Illusion wird ein kurzer einzelner Lichtblitz fälschlicherweise als doppelter Lichtblitz wahrgenommen, wenn gleichzeitig zwei Pieptöne präsentiert werden, Während die Gründe dafür, dass Synästhetiker diese Illusion weniger wahrnehmen als Kontrollprobanden, noch zu klären sind, wird ein Zusammenhang zwischen diesem Effekt und Mechanismen der Aufmerksamkeitskontrolle diskutiert. Es wurde bereits gezeigt, dass Aufmerksamkeits-Kontrollmechanismen stark mit vom Parietalkortex bzw. einem fronto-parietalen Netzwerk ausgehenden “Top-down”-Kontrolle im Zusammenhang stehen. Daher könnte also beides, synästhetische Wahrnehmung und reduziertes multisensorisches Zusammenspiel bei Synästhetikern, mit veränderten parietalen „Top-down“-Mechanismen in Zusammenhang stehen. Insgesamt unterstützen die Ergebnisse dieser Arbeit die Idee, dass es einen gemeinsamen Mechanismus für verschiedene Synästhesieformen gibt und weiterhin, dass die Synästhesie Mechanismen mit multimodaler Wahrnehmung im Allgemeinen teilt – was das Phänomen für die neurowissenschaftliche Forschung besonders interessant macht.

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Neufeld, Janina: Top-down processes in synaesthesia. Hannover 2012. Tierärztliche Hochschule.

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