Die multimodale Untersuchung kognitiver Prozesse der Mentalen Rotation
Cognitive processes of mental rotation: a multimodal approach
by Kerstin Paschke
Date of Examination:2012-01-11
Date of issue:2012-01-10
Advisor:Prof. Dr. Jürgen L. Müller
Referee:Prof. Dr. Jürgen L. Müller
Referee:Prof. Dr. Melanie Wilke
Referee:Prof. Dr. Dr. Thomas Crozier
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
The mental rotation task according to Shepard RN and Metzler J (1971) is a well established research paradigm to examine cognitive processes of spatial thinking. In this dissertation the influence of angular disparity between two figures of Shepard-Metzler stimulus pairs and their configuration (identical/mirrored to each other) on performance, eye movement and neural activity parameters was investigated in a self-paced event related fMRI design with pupil tracking during the solution of mental rotation tasks. The eye movement parameters could be assigned to three factors. Those represent the duration and the change of fixations as well as saccade characteristics during the task solution. As expected, response time, duration and number of fixations as well as neural activity in frontopariatal areas of the mental rotation network showed an increase with higher angular disparity. This can be seen as a hint for analogue processing (Zacks 2008). Saccadic patterns were unchanged which indicates similar strategies during the task solution. Additional angular disparity dependent activations in somatosensory areas are explained by spatial representation and mental manipulation processes. Compared to identical stimuli, mirrored stimuli led to a different response time pattern according to the angular disparity. An earlier switch of the rotation directions by using three-dimensional spatial information is assumed. Furthermore, the presentation of mirrored stimuli led to lower activations in early visual cortex and higher activations in the right frontal eye field than the presentation of identical stimuli. Differences in the building up of saliency maps are suggested. The processing of mirrored and identical stimuli seems to diverge from early processing stages on, namely from visual encoding. This interpretation is supported by the eye movement findings. Mirrored stimuli went along with smaller saccade amplitudes than identical stimuli. Saccade amplitude indicates the size of the functional field of view and is, thus, also associated with encoding processes. To account for the influence of the processing duration, it was included in the fMRI group analysis. Only the effect of mirrored compared to identical stimuli in early visual areas remained stable. It can be concluded that visual encoding is independent of other stages of the mental rotation process. A suggestion about an extension of the current processing model is made.
Keywords: mental rotation; eye tracking; fMRI; processing; Modell
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Die Aufgabe der Mentalen Rotation nach Shepard RN und Metzler J (1971) ist ein etabliertes Forschungsparadigma zur Untersuchung kognitiver Prozesse im Bereich der räumlichen Vorstellung. In der vorliegenden Arbeit wurde im Rahmen von Mentalen-Rotations-Aufgaben der Einfluss der Winkeldifferenz zwischen den Figuren von Shepard-Metzler-Stimuluspaaren und deren Konfiguration (gleich/gespiegelt zueinander) auf Leistungs-, Blickbewegungs- und neuronale Aktivierungsparameter in einem self-paced event-related-fMRT-Design mit pupil tracking erfasst. Die Blickbewegungsparameter konnten drei Faktoren zugeordnet werden, die die Dauer und den Wechsel von Fixationen sowie Sakkadeneigenschaften bei der Aufgabenlösung repräsentieren. Reaktionszeit, Dauer und Anzahl der Fixationen sowie neuronale Aktivitäten in frontoparietalen Arealen des Mentalen-Rotations-Netzwerkes zeigen erwartungsgemäß eine Zunahme mit steigender Winkeldifferenz zwischen den Einzelfiguren eines Stimuluspaares im Sinne eines analogen Mentalen-Rotations-Vorganges (Zacks 2008). Dabei bleiben Sakkadenmuster konstant. Dies spiegelt gleichbleibende Strategien in der Aufgabenlösung wider. Zusätzliche winkelabhängige Aktivierungen in somatosensorischen Arealen werden im Rahmen von räumlichen Repräsentations- und mentalen Manipulationsprozessen erklärt. Gespiegelte Stimuli führen zu einem gegenüber gleichen Stimuli abweichenden Reaktionszeitverlauf über die Winkeldifferenzen. Dies spricht für einen früheren Wechsel der mentalen Rotationsrichtung durch die Nutzung dreidimensionaler Informationen. Außerdem führt die Präsentation gespiegelter Stimuli zu höheren Aktivierungen in frühen visuellen und weniger Aktivierungen im rechten frontalen Augenfeld als die Präsentation gleicher Stimuli. Dieser Befund wird auf Unterschiede in erstellten Salienzkarten zurückgeführt. Die Bearbeitung gleicher und gespiegelter Stimuli scheint sich somit bereits auf der frühen Prozessstufe der visuellen Enkodierung zu unterscheiden. Auch die vorliegenden Blickbewegungsergebnisse unterstützen diese Interpretation: gespiegelte Stimuli gehen mit einer kleineren Sakkadenamplitude als gleiche Stimuli einher. Die Sakkadenamplitude kennzeichnet die Größe des funktionellen Sichtfeldes und ist somit ebenfalls enkodierungsassoziiert. Um den Einfluss der Prozessdauer zu berücksichtigen, wurde sie in die fMRT-Gruppenanalyse integriert. Lediglich der Effekt gespiegelter gegenüber gleichen Stimuli auf frühe visuelle Areale bleibt hierunter stabil. Dies spricht dafür, dass der Prozessschritt der visuellen Enkodierung unabhängig von anderen Schritten des Mentalen-Rotations-Prozesses ist. Ein Vorschlag zur Erweiterung des bestehenden Prozessmodells wird ausgeführt.
Schlagwörter: Mentale Rotation; Blickbewegungsmessung; fMRT; Prozesse; Modell