The allocation of attentional resources across the visual field: Impact of eccentricity and perceptual load
Die Verteilung von Aufmerksamkeitsressourcen im visuellen Feld: Der Einfluss von Exzentrizität und perzeptuellen Load
by Carmen Morawetz
Date of Examination:2008-07-07
Date of issue:2008-07-18
Advisor:PD Dr. Peter Dechent
Referee:Prof. Dr. Stefan Treue
Referee:PD Dr. Peter Dechent
Referee:Prof. Dr. Nicole von Steinbüchel
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
Every second our cognitive system is confronted with complex visual scenes that contain a variety of different objects. As a result of the limited processing capacity of the visual system, they cannot be fully processed at once. Therefore, attentional mechanisms determine the selection of information in favour of behaviourally relevant stimuli for enhanced processing, thereby providing a mechanism for the filtering of irrelevant and distracting information. Attention can be directed to specific parts of the visual field, where information processing is facilitated in contrast to unattended locations. The study of such visual spatial attention has been dominated by spotlight theories , claiming that selective attention can be compared to a spotlight illuminating anything located within the region covered by its beam. Several theories have been proposed using the idea of a spotlight as a metaphor to account for the distribution of attentional resources in visual space: single spotlight , zoom lens , and multiple spotlights models. Recent studies have provided support for an ability to split this attentional focus to selectively process spatially separate locations.Using functional magnetic resonance imaging (fMRI) the signature for the presence of multiple spotlights of attention is the presence of multiple retinotopically specific foci of activation in striate and extrastriate visual areas. This approach was used to investigate the presence of such separable activations as a function of the eccentricity of the spatial foci of attention. Visual stimuli consisted of letters and digits displayed in rapid serial visual presentation (RSVP). Five RSVP streams were presented simultaneously, one in the center of the visual field and one in each visual field quadrant. Subjects had to deploy their attention either to a single peripheral location or two non-contiguous regions performing a match-mismatch judgement.The results show that dividing attention leads to multiple spotlights of attention for central as well as more peripheral locations of the visual field. However, depending on the exact location and width of the attentional spotlights, resulting activation maps might reveal merged activation patterns even in the presence of distinct attentional spotlights.As outlined above, selective attention devotes cognitive resources to behavioural relevant stimuli and events thereby enhancing the processing of attended relative to unattended information. A primary way to determine the importance of a stimulus or event is to evaluate the emotional significance. Emotionally significant stimuli receive enhanced processing either preattentively ( automatically ) or are given priority in the competition for selective attention. The amygdala has been identified to play a crucial role in the processing of emotional stimuli. It provides a coarse, rapid and automatic perception of emotional stimuli based on a subcortical route via the superior colliculus and the pulvinar nucleus of the thalamus, whereas a fine-grained perceptual representation of emotion-laden stimuli involves the occipital and temporal visual neocortex. Recent neuroimaging studies have produced conflicting results regarding the issue whether the processing of emotion-laden stimuli is dependent upon the availability of attentional resources or entirely capacity free. Two main factors have been proposed to be responsible for the discrepancies: the differences in the perceptual attentional demands of the tasks used to divert attentional resources from emotional stimuli and the spatial location of the affective stimuli in the visual field.The effects of variable attentional load as well as different stimulus locations on the processing of emotional faces in the amygdala were investigated using fMRI. The visual display consisted of four RSVP streams located in each visual field quadrant and pairs of faces depicting emotional expression located at three different positions along the horizontal meridian of the visual field. Participants had to either direct their attention to the visual streams performing tasks of high and low attentional load or to the faces matching for gender or expression. The results revealed a strong attenuation of amygdala activity with higher attentional load. The spatial location of the emotional stimuli did not affect the neuronal response in the amygdala. These findings lend support to the concept that the processing of emotional stimuli is modulated by selective attention as the inhibition of amygdala response during attentionally demanding tasks reflects the dependence upon processing resources.
Keywords: Emotion; Attention; fMRI; Spotlight theory; Amygdala
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Die Kapazität der visuellen Kognition in Bezug auf
Aufnahme und Verarbeitung von Informationen ist
begrenzt, weshalb eine Auswahl der individuell
bedeutsamen Situationselemente bei gleichzeitiger
Dämpfung irrelevanter Eindrücke stattfindet. In diesem
Zusammenhang steht vor allem die Frage, ob räumliche
Aufmerksamkeit zeitgleich auf verschiedene Positionen
im Raum verteilt werden kann und ob der
Aufmerksamkeitsfokus teilbar ist, im Mittelpunkt des
Forschungsinteresses. Die Ergebnisse verschiedener
Verhaltens- und Neuroimagingstudien führten zu einer
Erweiterung der traditionellen Spotlight-Theorie:
Aufmerksamkeit kann gleichzeitig auf mehrere
verschiedene Regionen im visuellen Feld gerichtet
werden, was mit einer erhöhten Aktivierung primärer und
sekundärer visueller Areale einhergeht
(Multiple-Spotlight-Thorie). Mit Hilfe der
funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) wurden
die neuronalen Grundlagen der Informationsverarbeitung
bei der Verteilung von Aufmerksamkeitsressourcen im
Raum erforscht. Es wurden die Faktoren der Teilbarkeit
von Aufmerksamkeit, sowie deren Grenzen untersucht.Insgesamt haben 18 Probanden (9m/9w) an der Studie
teilgenommen. Die Versuche wurden an einem 3 Tesla
Siemens Trio MR-Tomografen unter Verwendung von
Standard EPI-Sequenzen durchgeführt. An fünf
verschiedenen Positionen des Gesichtsfeldes wurden
gleichzeitig Buchstaben mit einer sehr kurzen
Präsentationszeit (ca. 170 ms) (rapid serial visual
presentation, RSVP) gezeigt. Als Zielreize dienten
Zahlen, die zufällig während den Buchstabenreihen an
vorher festgelegten Positionen auftraten. Die Aufgaben
der Probanden bestand darin, die Aufmerksamkeit auf
verschiedene, räumlich voneinander getrennte Regionen
des Gesichtsfeldes zu richten und dabei eine einfache
match/mismatch Entscheidung zu treffen. Als
Kontrollbedingungen dienten das passive Betrachten der
Buchstabenreihen und die Fixation auf ein Kreuz in der
Mitte des Bildschirms. Vor der Durchführung des
Aufmerksamkeitsexperiments wurden zunächst funktionelle
Versuche zur retinotopen Kartierung vorgenommen. Mit
Hilfe der fMRT können durch die besondere Organisation
der Retinotopie die Grenzen zwischen den visuellen
Arealen bestimmt und somit die Regionen, die von
besonderem Interesse bei der Analyse der funktionellen
Daten sind, individuell kartiert werden.In einem ersten Analyseschritt der funktionellen
Daten konnte ein Haupteffekt von Aufmerksamkeit in den
zuvor bestimmten Regions of interest (ROIs) im
Kontrast der Aufmerksamkeitsaufgaben gegen das passive
Betrachten der Stimuli festgestellt werden. Allerdings
zeigte der Kontrast zwischen den verschiedenen
Aufmerksamkeitsaufgaben eine Modulation der
Aufmerksamkeit in striären und extrastriären visuellen
Arealen (V1, V2, V3/VP, V3a/V4v) mit Aussparung von
dazwischen liegenden Regionen, die nicht im Fokus der
Aufmerksamkeit standen. Andererseits wurde bei einer
kleinen Gruppe von Probanden auch Aktivierung in
dazwischen liegenden (Fovea) bzw. task-irrelevanten
Regionen gefunden. Diese Ergebnisse scheinen auf den
ersten Blick beide Konzepte (das klassische
Spotlight-Modell und die Theorie von mehreren
Spotlights) zu unterstützen, jedoch weisen die Daten
darauf hin, dass es sich bei den einzelnen Spotlights
um zwei überlappende Scheinwerferkegel der
Aufmerksamkeit handelt.In einem weiteren Projekt wurde die Interaktion
zwischen Aufmerksamkeit und Emotionsverarbeitung
untersucht. In der neurowissenschaftlichen Forschung
ist die Frage nach der Notwendigkeit von
Aufmerksamkeitsressourcen für die Verarbeitung
emotionaler Reize noch nicht ausreichend geklärt. In
der Literatur wird traditionellerweise zwischen
automatischer und kontrollierter Verarbeitung von
Reizen unterschieden. Aktuelle bildgebende Studien
zeigen, dass die Verarbeitung emotionaler Reize
automatisch erfolgt und dass nur minimale
Aufmerksamkeitsressourcen für die
Informationsverarbeitung aufgewendet werden müssen,
wodurch andere, gleichzeitig ablaufende Prozesse nicht
gestört werden. In diesem Zusammenhang wird vor allem
der Amygdala, einer subkortikalen Hirnregion, eine
besondere Rolle zugesprochen. Im Gegensatz dazu stehen
andere Studien, die eine Modulation der Amygdala
Aktivierung durch Aufmerksamkeit belegen. Die
Widersprüchlichkeit bisheriger Ergebnisse wurde sowohl
in Bezug auf die begrenzten Verarbeitungskapazitäten
als auch auf die Position der emotionalen Reize
diskutiert.Die unterschiedlichen Erklärungsansätze und die
neuronalen Grundlagen der Verarbeitung von emotionalen
Stimuli in Zusammenhang mit der Verteilung von
Aufmerksamkeitsressourcen wurden mithilfe der fMRT
untersucht. Insgesamt wurden 14 gesunde Probanden (5
Frauen) im Alter von 23-34 Jahren an einem 3 Tesla
Tomographen untersucht. Neben Aufgaben, in denen die
Aufmerksamkeit auf verschiedene räumlich voneinander
getrennte Reize gerichtet werden musste
(nicht-emotionale Aufgabe), wurden Gesichterpaare
neutraler, positiver und negativer Valenz in drei
verschiedenen Exzentrizitäten präsentiert (emotionale
Aufgabe), deren Geschlecht oder emotionaler Ausdruck zu
bestimmen war. Durch die Veränderung des
Schwierigkeitsgrades der nicht-emotionalen Aufgabe und
somit der zur Verfügung stehenden
Aufmerksamkeitskapazitäten sowie der Variation der
Position der emotionalen Reize, konnte die Interaktion
zwischen diesen beiden Komponenten und deren Auswirkung
auf die Aktivierung emotionsspezifischer Regionen,
insbesondere der Amygdala, gezielt untersucht
werden.Eine ausführliche Analyse der funktionellen und
Verhaltensdaten lieferte den Hinweis, dass eine
Modulation der Aktivierung der Amygdala in Abhängigkeit
von den zur Verfügung stehenden
Aufmerksamkeitsressourcen stattfindet. Dieser Befund
unterstreicht die besondere Bedeutung von selektiver
Aufmerksamkeit in Bezug auf die Wahrnehmung und
Verarbeitung emotionaler Stimuli und weist darauf hin,
dass diese Interaktion zwischen Emotion und
Aufmerksamkeit in einem viel weiter reichendem Spektrum
untersucht werden muss als bisher angenommen.
Schlagwörter: Emotion; Aufmerksamkeit; fMRT; Spotlight; Amygdala