title: Multisensorische Repräsentation von Eigenbewegung im menschlichen Gehirn
title: Multisensory Self-Motion Representation in the Human Brain
Creators: name: Von Hopffgarten, Anna
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2011
Subjects: Eigenbewegung
Naturwissenschaften
Optischer Fluss
Self-Motion
Multisensorik
Multisensory Integration
optic flow
Funktionelle NMR-Tomographie

description: Wenn wir uns durch den Raum
      bewegen, erhalten wir visuelle, propriozeptive, vestibuläre,
      auditive und bisweilen auch taktile Informationen über die
      Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung unseres Körpers.
      Nur eine erfolgreiche Integration dieser Signale ermöglicht
      uns eine kohärente Wahrnehmung unserer Eigenbewegung. Zwar
      liefern die Informationen aller Sinnesmodalitäten zusammen
      die zuverlässigste Repräsentation, jedoch konnte gezeigt
      werden, dass auch visuelle, vestibuläre oder propriozeptive
      Signale allein ausreichen, um etwa die Distanzen von
      Vorwärtsbewegungen abzuschätzen. Das Ziel meiner Arbeit war
      es, herauszufinden, welche Rolle auditive Reize für die
      Wahrnehmung von Eigenbewegung spielen und wo im menschlichen
      Gehirn audiovisuelle Eigenbewegungssignale verarbeitet
      werden. Diesen Fragen ging ich mit Hilfe psychophysikalischer
      Untersuchungen sowie funktioneller Magnetresonanztomographie
      (fMRT) auf den Grund. In einer ersten Studie untersuchte ich,
      ob auditive Eigenbewegungsinformationen dazu genutzt werden
      können, die Distanzen simulierter Vorwärtsbewegungen zu
      reproduzieren. Dazu präsentierte ich meinen Probanden eine
      visuell simulierte Eigenbewegung über eine Ebene (passive
      Fahrt), die von einem Ton begleitet wurde, dessen Frequenz
      proportional zur simulierten Fahrtgeschwindigkeit war. Die
      Aufgabe der Probanden war es, die Distanz der Strecke mit
      Hilfe eines Joysticks zu reproduzieren (aktive Fahrt).
      Während dieser aktiven Fahrt erhielten die Teilnehmer
      entweder audio-visuelle, nur visuelle oder rein auditive
      Bewegungssignale. Es zeigte sich, dass die Probanden die
      Distanzen am zuverlässigsten reproduzierten, wenn sie
      ausschließlich den Ton hörten, und am schlechtesten, wenn sie
      nur visuelle Informationen erhielten. In einem
      Folgeexperiment war ohne das Wissen der Teilnehmer bei
      einigen aktiven Fahrten das Verhältnis zwischen
      Geschwindigkeit und Tonhöhe reskaliert, d.h., die Tonfrequenz
      war entweder höher (positive Reskalierung) oder tiefer
      (negative Reskalierung) als während der passiven Fahrten
      (Catch Trials). Ich stellte fest, dass die Leistung der
      Probanden durch die Reskalierung gestört wurde: War die
      Tonfrequenz tiefer, fuhren sie schneller und weiter, während
      sie bei einer positiven Reskalierung langsamer und kürzere
      Distanzen fuhren als in den Durchgängen ohne Reskalierung.
      Ich schließe daraus, dass während Eigenbewegung die
      Tonfrequenz als Geschwindigkeitshinweis dienen kann und dazu
      genutzt wird, Distanzen abzuschätzen und zu reproduzieren.
      Während Eigenbewegungen wird eine Bildbewegung auf der
      Netzhaut erzeugt – auch optischer Fluss genannt –, die bei
      starrer Blickrichtung Informationen über die
      Eigenbewegungsrichtung und -geschwindigkeit liefert. Diese
      Verschiebung löst jedoch reflexive, kompensatorische
      Augenbewegungen aus, die dazu dienen, das Bild auf der
      Netzhaut zu stabilisieren. Ich stellte in einer zweiten
      Studie fest, dass auch simulierte Vorwärtsbewegungen über
      eine Ebene, wie sie in Studie I durchgeführt wurden, solche
      reflexiven Augenbewegungen auslösen. Sie setzen sich aus
      langsamen Folge- und schnellen Rückstellbewegungen zusammen.
      Ich konnte zeigen, dass Probanden die Geschwindigkeit der
      Augenfolgebewegungen exakter kontrollieren können, wenn sie
      ihre Fahrtgeschwindigkeit aktiv mit einem Joystick steuern,
      als wenn sie passiv über die Ebene bewegt werden.
      Möglicherweise unterstützt das propriozeptive Feedback der
      Joystickauslenkung während der aktiven Fahrten die Kontrolle
      der Augenbewegungen. Außerdem stellte ich fest, dass
      Probanden ihre Augen auch in Richtung der Bewegung der Ebene
      bewegen, wenn sie diese nicht sehen, sondern nur auditive
      Geschwindigkeitshinweise erhalten. In einer dritten Studie
      untersuchte ich mittels fMRT, welche Regionen des
      menschlichen Gehirns an der Verarbeitung audio-visueller
      Eigenbewegungssignale beteiligt sind. Da nur räumlich und
      zeitlich kongruente Informationen unterschiedlicher
      Sinnesmodalitäten optimal zu einer Gesamtwahrnehmung
      integriert werden können, überprüfte ich, ob und ggf. wie die
      Kongruenz der Reize die Hirnaktivität beeinflusst. Der
      visuelle Stimulus bestand aus einer im Wechsel expandierenden
      und kontrahierenden Punktewolke, die eine Vor- bzw.
      Rückwärtsbewegung des Betrachters simulierte. Als auditiver
      Reiz diente ein Sinuston, der in einer audio-visuell
      kongruenten Bedingung wie der visuelle Stimulus eine Vor-
      bzw. Rückwärtsbewegung simulierte. In einer audio-visuell
      inkongruenten Bedingung simulierte der auditive Reiz eine
      frontoparallele Bewegung, während der visuelle Stimulus eine
      Vor- bzw. Rückwärtsbewegung simulierte. Die bimodale
      Stimulation aktivierte im Unterschied zur unimodalen
      Stimulation unter anderem Bereiche des Präzentralen Sulcus,
      des Superioren Temporalen Sulcus sowie des Intraparietalen
      Sulcus. Verglichen mit der inkongruenten Stimulation
      aktivierte der kongruente Stimulus einen Bereich des
      Präzentralen Sulcus. Zusammengenommen konnte ich in meiner
      Arbeit zeigen, dass auditive Eigenbewegungsinformationen eine
      wichtige Rolle für die Einschätzung und Reproduktion von
      Distanzen spielen und im menschlichen Gehirn gemeinsam mit
      visuellen Eigenbewegungssignalen in einem parieto-frontalen
      Netzwerk verarbeitet werden. Räumlich kongruente
      Eigenbewegungssignale werden in einem Areal verarbeitet, bei
      dem es sich auf Grund der funktionalen und räumlichen
      Ähnlichkeit um ein Äquivalent der "Polysensory Zone" des
      Makakengehirns handeln könnte.
description: While moving through our
      environment we receive visual, auditory, proprioceptive,
      vestibular and sometimes tactile information about the
      position, velocity and acceleration of our body. Only a
      successful integration of these signals allows for a coherent
      perception of self-motion. Information from all modalities
      together provides the most reliable representation. However,
      previous studies demonstrated that one can use pure visual,
      vestibular or proprioceptive signals for distance estimation.
      The aim of my thesis was to analyse the role of auditory
      signals for self-motion perception and to determine which
      brain areas process audio-visual self-motion signals. For
      this purpose I carried out psychophysical tests and recorded
      brain activities using functional magnetic resonance imaging
      (fMRI). In my first study I investigated whether auditory
      self-motion information can be used to estimate and reproduce
      the distances of forward movements. Participants were
      presented with a visually simulated forward-motion across a
      ground plane (passive displacement). The frequency of an
      associated auditory stimulus was proportional to the
      simulated speed. Subjects had to reproduce the distance of
      the displacement with a joystick (active displacement).
      During the active displacements they received either
      audio-visual or pure visual or pure auditory motion signals.
      I found that reproduction was most precise when the
      participants only heard the tone while it was least precise
      when they only saw the ground plane. In a subsequent
      experiment in some trials the relationship between optical
      velocity and tone frequency was differently scaled during the
      active displacements, i.e., the tone frequency was either
      higher or lower than during the passive displacements (catch
      trials). I found that the re-scaling affected the subjects’
      performance:When the frequency was lower subjects used higher
      speeds resulting in a substantial overshoot of travelled
      distance, whereas a higher frequency resulted in an
      undershoot of travelled distance. I conclude that during self
      motion tone frequency can be used as a velocity cue and helps
      to estimate and reproduce travel distance. During self-motion
      an image of the environment is shifted on the retina. This
      image motion – called optic flow – provides us with
      information about the direction and velocity of the
      displacement. It induces reflexive, compensatory eye
      movements which stabilize part of the image on the retina. In
      my second study I observed that a simulated forward motion
      across a ground plane (as used in Study I) induces such
      reflexive eye movements. They are composed of slow
      (following) and fast (resetting) phases. I found that
      subjects controlled the speed of the slow eye movements more
      precisely when they controlled the driving speed with a
      joystick. Probably the proprioceptive feedback from the
      joystick facilitated eye movement control. Moreover, I found
      that participants also moved their eyes in the direction of
      the ground plane motion when they did not see the plane but
      only received auditory velocity cues. In a third study I
      investigated by means of fMRI which brain regions are
      involved in the processing of audio-visual self-motion
      signals. Since only spatially and temporally congruent
      signals are integrated optimally into a common percept I
      investigated to what extend the congruency of signals
      influences brain activity. The visual stimulus consisted of
      an alternately expanding and contracting cloud of random dots
      simulating a forward and backward motion. Auditory stimuli
      consisted of a sinusoidal tone which simulated a forward and
      backward motion in a congruent bimodal condition. In an
      incongruent bimodal condition the tone simulated a
      frontoparallel motion while the visual stimulus simulated a
      forward and backward motion. The contrast of bimodal versus
      unimodal stimulation activated amongst others regions around
      the precentral sulcus, the superior temporal sulcus as well
      as the intraparietal sulcus. Compared to incongruent
      stimulation the congruent stimulus activated a part of the
      precentral sulcus. Taken together, I showed in my thesis that
      auditory self-motion information plays an important role for
      the estimation and reproduction of travelled distances.
      Audiovisual self-motion information is processed in a
      parieto-frontal brain network. Spatially congruent signals
      are processed in a brain area which might be an equivalent of
      the polysensory zone (PZ) in the macaque brain.