Zerebral bedingte Sehstörungen

Zerebral bedingte Sehstörungen

DISSERTATION

Zur Erlangung des akademischen Grades

Doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.)

Vorgelegt dem

Fachbereich 2 (Biologie/Chemie)

der Universität Bremen

von

Cathleen Grimsen

(geb. Schütze)

Bremen, 2008

Erstgutachter: Prof. Dr. Manfred W. Fahle

Zweitgutachter: Prof. Dr. Stephan A. Brandt

Tag der mündlichen Prüfung: 05.12.2008

Für meine Eltern

„Schon von vornherein haben wir die Schwierigkeit in der Bestimmbarkeit der Art und des Ausmaßes der [Seh-]Schädigung. [...] Während die gröberen Ausfälle ziemlich manifest sind, müssen die feineren oft erst ausdrücklich gesucht werden. Dazu reichen die Methoden der klinischen Ausfallsprüfungen nicht immer aus. In weitem Umfange müssen hier einerseits die Methoden des genaueren Einzelexperimentes und andererseits die Methoden der Statistik herangezogen werden. [...] Denn nur mit Hilfe des Experimentes läßt sich [...] die innere Natur der Störung aufklären [...], um so auch diejenigen Einbußen festzustellen, welche bei freier Prüfung in den Bereich der Normalleistung hineinfallen und so der Feststellung entgehen“

(Poppelreuter, Walther: Die psychischen Schädigungen durch Kopfschuß im Kriege 1914 - 1916, Leipzig, Voss, 1917, Bd. 1, S. 8 ff)

i

Liste der Publikationen

Die der kumulativen Dissertation zugrunde liegenden Arbeiten sind mit einem Symbol (*) gekennzeichnet.

Veröffentlichungen in referierten Zeitschriften

Grimsen C, Hildebrandt H, Fahle M (submitted to Neuropsychologia)Deficits of attentional allocation in parallel and serial visual search after occipital brain damage. *

Grimsen C, Brand A, Herzog MH, Fahle M (submitted to Schizophrenia research) Prolonged temporal information processing in schizophrenic patients? *

Grimsen C, Hildebrandt H, Fahle M (2008) Dissociation of egocentric and allocentric coding of space in visual search after right middle cerebral artery stroke. Neuropsychologia, 46 (3), 902 – 914. *

Schütze C, Bongard I, Marbach S, Brand A, Herzog MH (2007) Collinear contextual suppression in schizophrenic patients. Psychiatry Research, 150 (3), 237-243. *

Straube S, Grimsen C, Fahle M (submitted to Psychophysiology)Electrophysiological correlates of figure-ground segregation directly reflect perceptual saliency.

Kraus JA, Schütze C, Brokate B, Kröger B, Schwendemann G, Hildebrand H (2005) Discriminant analysis of the cognitive performance profile of MS patients differentiates their clinical course. Journal of Neurology, 252 (7), 808-813.

Hildebrandt H, Schütze C, Eling P, Ebke M, Brunner-Beeg F (2005) Visual search for item- and array-centred locations in patients with left middle cerebral artery stroke. Neurocase, 11 (6), 416-426.

Hildebrandt H, Schütze C, Ebke M, Spang K (2004) Different impact of parvocellular and magnocellular pathways to visual impairment in apper-ceptive agnosia? Neurocase, 10 (3), 207-214.

ii

Kurzbeiträge

Grimsen C, Fahle M (2007) When the molehill becomes a mountain – Impaired size constancy after unilateral brain damage. Perception, 36, 141. *

Wischhusen S, Schütze C, Fahle M (2007) Prism adaptation in a patient with damage to the right parietal cortex – A case study. Meeting of the German Neuroscience Society, Göttingen 2007.

Schütze C, Spang K, Fahle M (2005) Schrumpft der Ausfall? Über die subjektiv wahrgenommene Größe von Gesichtsfeldausfällen. Jahres-tagung der Gesellschaft für Neuropsychologie, Bremen 06. – 08.10.2005.

Schütze C, Fahle M (2004) Detecting impairments in low- and high-level visual processing after cerebral lesions. Jahrestagung der Gesellschaft für Neuropsychologie, München 02. – 05.09.2004. *

Schütze C, Hildebrandt H (2003) Unilateral neglect and estimation of the body midline. Joint Meeting of the `Gesellschaft für Neuropsycho-logie` and the International Neuropsychological Society, Berlin 16. – 20.06.2003.

iii

Vorträge

Schütze C, Meschke J, Fahle M, Brand A (2006) Temporal integration of visual stimuli in schizophrenic patients. 6th Conference on Cognitive Neuropsychiatry, Bremen 06. – 08.12.2006. *

Schütze C, Hildebrandt H, Fahle M (2005) Selektive Defizite visueller Teilfunktionen. Forschung und Diagnostik. Jahrestagung der Gesell-schaft für Neuropsychologie, Bremen 06. – 08.10.2005. *

Schütze C, Hildebrandt H (2004) Der Einfluss lokaler und globaler Ziel-reizpositionen auf die visuelle Suchleistung bei Patienten mit und ohne Neglect. Jahrestagung der Gesellschaft für Neuropsychologie, München 02. – 05.09.2004. *

Schütze C, Hildebrandt H (2002) Die Schätzung der subjektiven Körper-mitte bei Patienten mit linksseitigem Neglect. SFB Berichtskolloquium,Oldenburg 13.12.2002.

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InhaltsverzeichnisVerzeichnis der Abkürzungen und Einheiten ix

I Thematischer Überblick 1

1 Visuelle Informationsverarbeitung 71.1 Der primäre visuelle Verarbeitungspfad 71.2 Die funktionelle Spezialisierung 101.3 Extrastriäre visuelle Verarbeitung 111.4 Weitere Prinzipien visueller Informationsverarbeitung 14

2 Zerebral bedingte Sehstörungen 172.1 „Frühe“ visuelle Wahrnehmungsstörungen 182.2 „Späte“ visuelle Wahrnehmungsstörungen 202.3 Visuelle Wahrnehmungsstörungen schizophrener Patienten 23

3 Untersuchungsmethoden 253.1 Psychophysik 25

3.1.1 Das klassische Konzept der Schwelle 253.1.2 Das Konzept der Schwelle in der Signalentdeckungstheorie 273.1.3 Adaptive Verfahren zur Bestimmung von Wahrnehmungsschwellen 29

3.2 Visuelle Suche 333.3 „Backward Masking“ 36

4 Zusammenfassung / Summary 39

II Störungen der „frühen“ visuellen Verarbeitung aufgrund zerebraler Schädigungen 45

1 Fallstudie – Modalitäts- und quadrantenspezifische visuelle Wahrnehmungsschwellen 471.1 Einleitung 481.2 Patient HPK 53

1.2.1 Demographische Daten 531.2.2 Schädigung 531.2.3 Gesichtsfeld 54

1.3 Methoden 561.3.1 Strukturelle und funktionelle Magnet-Resonanz-Tomographie 561.3.2 Psychophysikalische Experimente 58

1.4 Ergebnisse 651.4.1 Funktionelle Kernspintomographie 651.4.2 Psychophysikalische Experimente 67

vi

1.5 Diskussion 691.5.1 Die Repräsentation des Gesichtsfeldes im Kortex 691.5.2 Stimulusverarbeitung in V2v 711.5.3 Einschränkungen der Studie 721.5.4 Zusammenfassung und Ausblick 73

2 Deficits of attentional allocation in parallel and serial visual search after occipital brain damage 752.1 Introduction 762.2 Methods 78

2.2.1 Patients and control subjects 782.2.2 Clinical Investigation 792.2.3 Search paradigms 792.2.4 Procedure 802.2.5 Lesion reconstruction 812.2.6 Statistical evaluation 81

2.3 Results 832.3.1 Parallel Search 842.3.2 Serial Search 862.3.3 Group comparisons 882.3.4 Correlations 892.3.5 Lesion analysis 90

2.4 Discussion 912.4.1 Size of attentional focus 922.4.2 Is the search behaviour of patients explained by hemianopia or neglect? 922.4.3 Hemispheric asymmetries 942.4.4 Anatomical correlates 942.4.5 What about reaction time? 952.4.6 Conclusions 95

III Störungen der „späten“ visuellen Verarbeitung aufgrund zerebraler Schädigungen 97

1 Case study – When the molehill becomes a mountain – Impaired size constancy after unilateral brain damage 991.1 Introduction 1001.2 Subject HE 102

1.2.1 Case description 1021.2.2 Ophthalmology 1031.2.3 Neuropsychology 104

1.3 Experiments 1051.3.1 Experiment 1: Size constancy 105

vii

1.3.2 Experiment 2: Bisection/Extrapolation in depth and judging distances 1101.3.3 Experiment 3: Judging the size of objects and grasping 114

1.4 General Discussion 1162 Dissociation of egocentric and allocentric coding of space in

visual search after right middle cerebral artery stroke 1192.1 Introduction 1202.2 Materials and Methods 123

2.2.1 Subjects 1232.2.2 Clinical Investigation 1242.2.3 Search paradigms 1242.2.4 Procedure 1252.2.5 Lesion reconstruction 1262.2.6 Group classification of patients 1272.2.7 Statistical Analysis 128

2.3 Results 1292.3.1 Parallel and serial search tasks in healthy subjects 1302.3.2 Egocentric impairment of visuo-spatial processing 1312.3.3 Allocentric impairment of visuo-spatial processing 1332.3.4 Association of egocentric and allocentric impairment 1332.3.5 Visual search after right hemisphere brain damage 133

2.4 Lesion analysis 1352.4.1 Lesion location for different impairment in visuo-spatial processing 1352.4.2 Lesion reconstruction for patients with and without neglect in standard

procedures 1352.5 Discussion 138

2.5.1 Shifting attention to the contralesional side of egocentric space 1382.5.2 Detailed representations of individual objects 1392.5.3 Neuroanatomical correlates of reference frames 1402.5.4 A fronto-parietal network for shifting attention in egocentric space 1412.5.5 Processing of detailed stimulus features in the temporal lobe 1422.5.6 Neuroanatomy of neglect 143

2.6 Conclusions 144

IV Störungen der visuellen Verarbeitung aufgrund einer psychiatrischen Erkrankung 145

1 Prolonged temporal information processing in schizophrenic patients? 1471.1 Introduction 1481.2 Methods 150

1.2.1 Observers 1501.2.2 Diagnosis and psychopathology 150

viii

1.2.3 General set-up 1511.2.4 Procedure 1511.2.5 Neuropsychological tests 1551.2.6 Statistical analysis 155

1.3 Results 1551.3.1 Psychopathology and neuropsychological tests 1551.3.2 ISI in backward masking vs. temporal integration 1561.3.3 Temporal figure-ground segmentation 157

1.4 Discussion 1582 Collinear contextual suppression in schizophrenic patients 161

2.1 Introduction 1622.2 Methods 164

2.2.1 General set-up 1642.2.2 Observers 1652.2.3 Diagnosis and psychopathology 1652.2.4 Neuropsychological tests 1662.2.5 Procedure 1662.2.6 Statistical analysis 168

2.3 Results 1692.3.1 Psychopathology and neuropsychological tests 1692.3.2 Individual vernier duration and individual SOA 1702.3.3 Collinear elements (SOAcol = 0ms) vs. control condition 1712.3.4 SOA of collinear lines (SOAcol) 172

2.4 Discussion 173

Literaturverzeichnis 177

Anhang 205

Danksagung Eigenständigkeitserklärung Lebenslauf

ix

Verzeichnis der Abkürzungen und Einheiten AFC Alternative forced choice

BA Brodmann Area

BIT Behavioural Inattention Test

FFA Fusiform face area

fMRI Functional Magnet resonance imaging

ISI Inter stimulus interval

PEST Parameter estimation by sequential testing

PHG Parahippocampal gyrus

PPA Parahippocampal place area

QUEST Quick estimation by sequential testing

RBD Right brain damage

ROI Region of Interest

SD Standard deviation

SDT Signal detection theory

SE Standard error

SOA Stimulus onset asynchony

TAP Test battery of Attentional Performance

Einheiten

° = arcdeg Bogengrad / Sehwinkelgrad

’ = arcmin Bogenminuten / Sehwinkelminute

’’ = arsec Bogensekunden / Sehwinkelsekunde

cd/m2 Candela pro Quadratmeter

cpd Cycle per degree / Periode pro Sehwinkelgrad

Hz Hertz Schwingungen pro Sekunde

1

I Thematischer Überblick

Das Streben nach Wissen ist eine natürliche Veranlagung aller Menschen. Das beweist schon unsere Vorliebe für die sinnlichen Wahrnehmungen; denn wir lieben diese, abgesehen von ihrem praktischen Nutzen, um ihrer selbst willen und am meisten von ihnen die Gesichtswahrnehmung. Denn nicht nur, um etwas zu tun, sondern auch ohne jede praktische Absicht ziehen wir das Sehen doch wohl allem andern vor.

Aristoteles

3

Aristoteles hat Recht. Das Sehen ist unser liebster Sinn. So leicht, selbst-verständlich und schön uns das Sehen aber auch erscheint : es ist eine hochkomplexe, äußerst anfällige und letztlich rätselhafte Fähigkeit — die immer schon Philosophen und Wissenschaftler fasziniert hat.

Platon (428 – 348 v. Chr.) dachte, dass die Sinneswahrnehmung, die wir Sehen nennen, durch das Zusammentreffen feuerähnlicher Strahlen ent-stünde, die sowohl vom Auge als auch von den betrachteten Gegenstän-den ausströmen und über eine Bewegung durch den Köper bis zur Seele gelangten (Timaios, 45b-d). Aristoteles (384 – 322 v. Chr.) zweifelt daran, dass aus dem Auge feuerartige Strahlen austreten, denn sonst müsse das Sehen bei Nacht ebenso leicht sein wie am Tage (De Sensu, 437b). Er glaubt vielmehr, dass das Auge, das mit Wasser gefüllt ist und damit die Eigenschaft der Transparenz mit der Luft teilt, das vermittelnde Sinnes-organ ist, welches das Sehen, vor allem von Farben, ermöglicht (ebd., 438a-b).

Wesentliche Fortschritte in der Erforschung des Sehens und der zugrunde liegenden physiologischen Mechanismen wurden erst gegen Ende des 16. Jahrhunderts erzielt, als zum Beispiel Girolamo Mercuiali im Jahre 1573 die Anatomie des optischen Nervs und Johannes Kepler 1604 das auf dem Kopf stehende Netzhautbild beschrieben1.

Francesco Gennari beschrieb 1782 als erster ein streifenförmiges Gebiet im Kortex, das er mit bloßem Auge hatte beobachten können. Er nannte es „lineaola albidior“ – besser bekannt unter dem Namen Gennari-Streifen (Leff, 2004). Gennari vermutete zwar, dass dieses Gebiet eine besondere Aufgabe erfüllt, sah sich jedoch außerstande, diese zu benennen. Heute weiß man, dass der Streifen zum kortikalen Sehzentrum gehört und aufgrund stark myelinisierter Nervenfasern makroskopisch zu sehen ist — weshalb die Sehrinde auch striärer Kortex genannt wird (Stria: lat. Streifen).

Der erste, wenn auch in Vergessenheit geratene Anatom, der die funda-mentale Rolle des okzipitalen Kortex für das Sehen erkannte, war Bartolomeo Panizza, der bereits 1855 den Artikel „Osservazioni sul nervo

1 Milestones in neuroscience research (http://faculty.washington.edu/chudler/hist.html,

besucht am 21.08.2008)

Kapitel I – Thematischer Überblick 4

ottico“ (Beobachtungen über den optischen Nerv) veröffentlichte (vgl. den Nachdruck in: Colombo et al., 2002). Panizza konnte bereits zeigen, das eine einseitige Schädigung des okzipitalen Kortex bei Säugetieren zur kontraläsionalen Blindheit führt (ebd.).

Beim Menschen wurde die Blindheit auf einer Seite des Gesichtsfeldes 1856 von Albrecht von Graefe wie folgt beschrieben: „Besonders lehrreich für die Sehnervenphysiologie sind d i e h e m i o p i s c h e n B e s c h r ä n k u n g e n b e i C e r e b r a l l e i d e n . Nicht selten ereignet es sich, dass auf beiden Augen die eine Hälfte des Gesichtsfeldes fehlt, und zwar kommen zahlreiche Fälle vor, wo auf dem rechten Auge die rechte, auf dem linken auch die rechte, oder umgekehrt auf beiden Augen die linke fehlt, während es nicht gar häufig vorkommt, dass auf dem rechten Auge die rechte Hälfte, auf dem linken Auge die linke Hälfte fehlt. Die erstere Form von Hemiopie ist ceteris paribus weit störender für den Kranken, bei letzterer dagegen compensiren sich die beiden Gesichtsfelder. Wie sind diese sonderbaren und doch mit so grosser Regelmässigkeit hervortretenden Beschrän-kungen zu erklären? […] Es stellt sich nämlich heraus, dass für die erstere (gleich-namige) Form von Hemiopie der Symptomcomplex für ein halbseitiges Cerebral-leiden argumentirt.“ (von Graefe, 1856; S. 286).

Ganz ähnliche Beobachtungen macht Hermann Munk, nach der Entfernung des Okzipitallappens bei Hunden (1880), die er später wie folgt zusammen-fasst: „Fällt […] mit der Exstirpation einer zusammenhängenden Rindenpartie immer die Wahrnehmung für eine zusammenhängende Partie der lichtempfind-lichen Netzhautelemente aus, so kann es nicht anders sein, als dass die centralen Elemente der Sehsphäre, in welchen die Opticusfasern enden, und die Gesichts-wahrnehmung statt hat, regelmässig und continuirlich angeordnet sind, wie die lichtempfindlichen Netzhautelemente, von welchen die Opticusfasern entspringen, der Art, dass benachbarte Netzhautelemente immer benachbarten wahrnehmen-den Rindenelementen entsprechen“ (Munk, 1881; S. 33).

Munk sollte Recht behalten, obwohl bereits seine Zeitgenossen darauf hin-wiesen, dass die Schlussfolgerung, benachbarte Netzhautstellen seien auch im Kortex benachbart angeordnet (heute als Retinotopie bezeichnet), aus den durchgeführten Experimenten eigentlich nicht zu ziehen ist (Marchand, 1882; Loeb, 1884).

Die genaue Erforschung der Repräsentation des Gesichtsfeldes im visu-ellen Kortex „verdanken“ wir zwei Kriegen zu Beginn des 20. Jahrhunderts.

5

Nach dem russisch-japanischen Krieg konstruierte der Ophthalmologe Tatsuji Inouye die erste retinotope Karte der Sehrinde, indem er die Gesichtsfeldausfälle von Soldaten, die durch einen Kopfschuss verwundet worden waren, mit den genauen Ein- und Austrittsstellen der Geschosse in Verbindung brachte (Inouye, 1909). Bekannter geworden ist der Neurologe Gordon Holmes, der nahezu die gleichen Untersuchungen wie Inouye mit Kopfverletzten nach dem ersten Weltkrieg durchführte (vgl. Abb. I; Holmes, 1918a).

Abb. I Die Repräsentation des Gesichtsfeldes in der Fissura Calcarina. Die Abbildung entstammt der Originalpublikation von Gordon Holmes (1918a) und zeigt das vorgeschla-gene Schema der kortikalen Gesichtsfeldrepräsentation anhand der linken Hemisphäre.

Kapitel I – Thematischer Überblick6

Bereits in diesem kurzen Abriss der Sehforschung wird deutlich, dass Er-kenntnisse, die aus Untersuchungen hirngeschädigter Patienten gewonnen werden, einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis der visuellen Ver-arbeitung bei Gesunden leisten. Einzelfallstudien bergen auch heute das Potential, das Verständnis der Funktionsweise des Gehirns zu erweitern, wenn 1) die Läsion und/oder das Verhalten eines Patienten sehr unge-wöhnlich sind, das Verhaltensdefizit 2) zeitlich stabil und spezfisch ist, 3) signifikant von Kontrollpersonen und/oder Kontrollbedinungen unterschie-den und 4) theoretisch verankert werden kann (Editorial Nature Neuroscience, 2004). In der vorliegenden Arbeit werden anhand von Einzelfall- und Gruppenstudien selektive Ausfälle der visuellen Informa-tionsverarbeitung untersucht und ergänzend in die bestehenden Konzepte eingeordnet.

7

1 Visuelle Informationsverarbeitung Bevor das Augenmerk auf die Störungen der visuellen Wahrnehmung ge-richtet wird, ist es wichtig, die Verarbeitung visueller Signale bei Gesunden zu verstehen. Im Folgenden werden daher die physiologischen Grundlagen des visuellen Systems und allgemeine Prinzipien der visuellen Informa-tionsverarbeitung erläutert.

1.1 Der primäre visuelle Verarbeitungspfad Die Verarbeitung visueller Signale beginnt mit dem Auftreffen von Photo-nen auf der Netzhaut (Retina), welche den hinteren Teil des Auges bildet und deren Rezeptorfläche aus Zapfen und Stäbchen besteht. Beide Re-zeptortypen wandeln die Photonenenergie mit Hilfe eines photoaktiven Moleküls in elektrische Energie um. Dieses Signal wird über Bipolarzellen (Vertikalverbindungen), die durch Horizontal- und Amakrinzellen (laterale Verbindungen) moduliert werden, an die Ganglienzellen weitergegeben, deren Axone im so genannten blinden Fleck die Netzhaut verlassen. Der Sehnerv (Nervus opticus) zieht über das Chiasma opticum (Sehnerven-kreuzung) in das thalamische Corpus geniculatum laterale. Anschließend werden die Informationen über die Radiatio optica zum primären visuellen Kortex2 geleitet (siehe Abb. 1-1), der anatomisch in der Fissura calcarinazu verorten ist.

2 In der Literatur werden für den primären visuellen Kortex verschiedene Synonyme

gebraucht. Die wichtigsten lauten: Visuelles Areal 1 (V1), Brodmann Area 17 (BA 17), primäre Sehrinde, striärer Kortex, Area striata und manchmal auch Calcarina.


Abb. 1-1 Primärer Verarbeitungspfad der visuellen Information (modifiziert nach Hannula et al., 2005)

Zwar reagieren alle Photorezeptoren der Netzhaut auf Licht, jedoch sind ihre Empfindlichkeitsspektren für die sichtbaren Wellenlängen unterschied-lich (Bowmaker & Dartnall, 1980). Die Stäbchen sind im Wesentlichen für das Sehen bei Nacht relevant (skotopisches Sehen) und werden daher in den weiteren Ausführungen vernachlässigt. Die Zapfen ermöglichen das Sehen unter Tageslichtbedingungen (photopisches Sehen) und werden aufgrund ihrer Empfindlichkeitsspektren in kurzwellige (S- oder Blau-zapfen), mittel- (M- oder Grünzapfen) und langwellige (L- oder Rotzapfen) Typen unterschieden. In der Fovea, dem Bereich des schärfsten Sehens, ist die Zapfendichte am höchsten und nimmt zur Peripherie hin massiv ab3.Diese Art der Zapfenverteilung auf der Netzhaut sorgt dafür, dass

3 In der Fovea finden sich keine Stäbchen (Masland, 2001) und kaum Blauzapfen, in den

zentralen 0,35° fehlen die Blauzapfen vollständig (Curcio et al., 1991).

Visuelle Informationsverarbeitung 9

Gegenstände, die in der Fovea abgebildet sind, mit einer sehr hohen räum-lichen Auflösung verarbeitet werden. In der Peripherie dagegen nehmen Seh- und Bewegungsschärfe deutlich ab (Wertheim, 1894; Basler, 1906).

Die Signale der Photorezeptoren werden noch in der Retina auf zwei Arten von Ganglienzellen (solche mit „ON-center“ und solche mit „OFF-center“) verschaltet. Die Ganglienzellen werden außerdem nach der Größe ihrer rezeptiven Felder4 unterschieden. Retinale Midget-Zellen haben kleine, Parasol-Zellen hingegen große rezeptive Felder (Callaway, 2005). Jeder Zapfen in der Fovea wird auf zwei Midget-Zellen (jeweils eine mit „ON-“ und eine mit „OFF-center“) verschaltet. In der peripheren Retina konvergiert dagegen die Information vieler Zapfen sowohl auf Midget- als auch auf Parasol-Ganglienzellen5 (Kolb, 2003). Die langen Axone der Ganglienzellen ziehen zum sechsschichtigen Corpus geniculatum laterale(CGL) im Thalamus6. Axone der Midget-Zellen erreichen die vier oberen Schichten des CGLs (parvozellulärer Verarbeitungspfad) und werden von dort hauptsächlich auf die Schichten 4A und 4C� des primären visuellen Kortex verschaltet. Axone der Parasol-Zellen erreichen hauptsächlich die beiden unteren Schichten des CGLs (magnozellulärer Verarbeitungspfad7)bevor sie über die Radiatio optica die Schicht 4C� der Sehrinde erreichen (Shapley & Perry, 1986; Hubel & Livingstone, 1990).

Der primäre visuelle Kortex ist säulenartig organisiert. So gibt es beispiels-weise Orientierungssäulen, d.h. Zellen mit gleicher Orientierungspräferenz liegen in den kortikalen Schichten senkrecht zur Oberfläche untereinander (Hubel & Wiesel, 1962). Ähnliche Orientierungen sind benachbart und kon-

4 Als rezeptives Feld eines Neurons wird der Bereich der Außenwelt bezeichnet, dessen

Reizung eine Veränderung der Aktivität dieses Neurons auslösen kann. 5 Auf die Darstellung des koniozellulären Pfades wird verzichtet (Callaway, 2005). 6 Etwa 90 Prozent der retinalen Ganglienzellen erreichen das CGL. Die verbleibenden

Axone ziehen ins Praetectum und zum Colliculus superior (Perry & Cowey, 1984). Auf die Darstellung dieses zweiten und dritten Verarbeitungspfades kann hier aber verzichtet werden.

7 Die Vertauschung der Anfangsbuchstaben (Midget-Zellen � Parvozellulärer Pfad; Parasol-Zellen � Magnozellulärer Pfad) führt leicht zu Verwechslungen. Die Benennung der Zellen beruht auf der Größe der rezeptiven Felder. Midget bezeichnet im Englischen einen Zwerg, parvus ist der Begriff für „klein“ im Lateinischen. Parasol ist die ursprüngliche italienische Benennung eines Sonnenschirms (para il sole), magnus ist der lateinische Ausdruck für „groß“.


zentrisch angeordnet, ähnlich wie ein Windrädchen (engl.: pinwheel; Bonhoeffer & Grinvald, 1991). Als okuläre Dominanzsäulen werden in V1 die Bündel von Neuronen bezeichnet, die ihren synaptischen Eingang ent-weder vom rechten oder vom linken Auge erhalten (LeVay et al., 1975). Die sogenannten “blobs” in Schicht 2 und 3 des visuellen Kortex enthalten farb-selektive, dafür aber orientierungsunspezifische Neurone (Livingstone & Hubel, 1984).

Die retinalen Signale bleiben über die einzelnen Verarbeitungsstufen hin-weg im primären visuellen Kortex streng räumlich geordnet, d.h. benach-barte Neurone dieser ersten kortikalen Struktur kodieren benachbarte Gesichtsfeldorte. Diese Aufrechterhaltung der räumlichen Anordnung wird als Retinotopie bezeichnet (Tootell et al., 1982). Die neuronale Verschal-tung ist so organisiert, dass die linke Hälfte des Gesichtsfeldes beider Augen zunächst auf den primären visuellen Kortex der rechten Hemisphäre projiziert wird und die rechte Gesichtsfeldhälfte dementsprechend in die linke Hemisphäre. Im Übrigen wird der obere Teil des Gesichtsfeldes unterhalb der Fissura calcarina abgebildet und umgekehrt der untere Gesichtsfeldteil oberhalb der Fissur, d.h. die kortikale Repäsentation der Außenwelt steht auf dem Kopf.

1.2 Die funktionelle Spezialisierung Neben der retinotopen Ordnung sind Filterung und Spezialisierung wesent-liche Prinzipien der visuellen Informationsverarbeitung. Die bereits erläuterte, weitgehende anatomische Trennung des parvo- und magno-zellulären Pfades, trifft auch auf eine Reihe funktioneller Eigenschaften zu. Neurone des parvozellulären Verarbeitungspfades verfügen über eine ein-deutige spektrale Empfindlichkeit, d.h. sie sind farbsensitiv. Ihre räumliche Auflösung ist aufgrund der kleinen rezeptiven Feldgröße sehr gut, ihre zeit-liche Auflösung aufgrund der tonischen Antwort auf Lichtintensitäten da-gegen eher schlecht. Neurone des magnozellulären Verarbeitungspfades weisen keine spektrale Empfindlichkeit auf, d.h. sie sind nicht farbsensitiv. Ihre räumliche Auflösung ist aufgrund der großen rezeptiven Felder eher gering, die zeitliche Auflösung aufgrund der transienten Antwort auf Intensitätsänderungen sehr hoch (Livingstone & Hubel, 1987). Die Kontrastempfindlichkeit beider Pfade hängt sehr von den genauen Unter-suchungsbedingungen ab. Parvo-Zellen sind sehr kontrastempfindlich,


wenn unbewegte Reize mit einer Ortsfrequenz bis zu 10 Perioden pro Sehwinkelgrad dargeboten werden. Magno-Zellen dagegen erreichen ihre maximale Kontrastempfindlichkeit bei der Darbietung bewegter Reize, die eine geringe räumliche (1 Periode pro Sehwinkelgrad) und eine hohe zeit-liche Frequenz (ca. 10 Hz) aufweisen (Merigan et al., 1991; Merigan & Maunsell, 1993).

Diese Ergebnisse führten zu der Idee, dass das visuelle System in ver-schiedene, unabhängige und parallel arbeitende Subsysteme unterteilt ist, die auf definierte visuelle Funktionen, wie zum Beispiel Farb-, Form-, Tiefen- oder Bewegungswahrnehmung, spezialisiert sind (Zeki, 1978; Lennie, 1980; Livingstone & Hubel, 1987; Livingstone & Hubel, 1988; Merigan & Maunsell, 1993).

1.3 Extrastriäre visuelle Verarbeitung Die funktionelle Spezialisierung findet sich nicht nur auf der Verarbeitungs-stufe von V1, sondern wird in nachgeschalteten extrastriären Arealen noch deutlicher. Allerdings ist fraglich, ob die Idee einer strikten funktionellen Trennung parvo- und magnozellulärer Informationen aufrechterhalten werden kann (Baizer et al., 1991). Neben der postulierten parallelen Verar-beitung visueller Informationen wird weiter angenommen, dass die Verarbeitung einer hierarchischen Organisation unterliegt (vgl. Abb. 1-2, Felleman & Van Essen, 1991; Van Essen et al., 1992).


Fig. 1-2 Hierarchische Verarbeitung im visuellen System (Van Essen et al., 1992). Die Abbildung beruht auf den interkortikalen reziproken Verbindungen zwischen den Arealen. Die parallele Verarbeitung wird in der Abbildung durch die Präsenz mehrerer Areale auf den einzelnen Verarbeitungsstufen angedeutet.

Wie bereits erläutert, wird angenommen, dass V1 verschiedene Eigen-schaften visueller Signale neuronal isoliert (Farbe, Form, Bewegung), bevor sie an benachbarte visuelle Areale weiterverschaltet werden (Shipp & Zeki, 1985). Die sich anschließenden Areale werden aufsteigend bezeichnet: V2, V3, V4 und V58. Das visuelle Areal V2 ist die maßgebliche Schnittschnelle zwischen striärem und extrastriärem Kortex, d.h. die Mehrheit der Neurone wird über diese Schnittstelle verschaltet (Sincich & Horton, 2002). Die

8 V2 entspricht zu großen Teilen Brodmann Areal 18 (BA 18), V3-V5 entsprechen

vermutlich BA 19; V5 ist aufgrund seiner Lage auch bekannt unter dem Namen MT (engl.: middle temporal)


parallele Verarbeitung bleibt insoweit aufrecht erhalten, als Neurone in den „dicken Streifen“ von V29 bewegungsselektiv, Neurone in den „dünnen Streifen“ farbselektiv und Neurone in den „hellen Streifen“ orientierungs-selektiv sind (Hubel & Livingstone, 1987; Shipp & Zeki, 2002). Neurone der „dünnen“ und „hellen Streifen“ werden überwiegend zum ventral verorteten vierten visuellen Areal (V4) verschaltet. Neurone der „dicken Streifen“ projizieren hauptsächlich zum eher dorsal gelegenen visuellen Areal V5 (MT). V4 ist auf die Verarbeitung von Farben (Zeki, 1973; Zeki, 1980; McKeefry & Zeki, 1997) und V5 auf die Verarbeitung von bewegten Reizen spezialisiert (Zeki, 1974; Zeki et al., 1991).

Leslie Ungerleider und Mortimer Mishkin postulierten, dass die visuelle Informationsverarbeitung in zwei kortikale Pfade unterteilt werden kann (Mishkin et al., 1983). Der ventrale Pfad verbindet den striären Kortex über extrastriäre Areale mit dem temporalen Kortex und ist auf die Verarbeitung von Objekten spezialisiert (auch „Was“-Pfad genannt). Der dorsale Pfad verbindet den striären Kortex über extrastriäre Areale mit dem posterior-parietalen Kortex und kodiert die räumliche Lage von Objekten (auch „Wo“-Pfad genannt; ebd.).

Im Einklang mit dieser Hypothese finden sich im ventralen Pfad hoch spezialisierte visuelle Areale, die zum Beispiel selektiv auf Gesichter (Desimone et al., 1984; Kanwisher et al., 1997), Objekte (Malach et al., 1995) oder Szenen reagieren (Epstein & Kanwisher, 1998).

Melvyn Goodale und David Milner (1992), schlugen vor, den Schwerpunkt in der Betrachtung des visuellen Systems nicht wie Ungerleider und Mishkin auf die Eingangssignale aus den magno- und parvozellulären Verarbeitungspfaden zu legen, sondern auf die Erfordernisse an die Ausgangssignale. Als Frage formuliert: Wofür werden die Informationen des ventralen und dorsalen Verarbeitungspfades benötigt? Sie hatten die Idee, dass das ventrale System die wesentliche Rolle bei der Identifikation von Objekten spiele und das dorsale System die senso-motorischen Transformationen durchführe, die nötig sind, um visuell gesteuerte Handlungen an und mit Objekten auszuführen (ebd.). Dieser Paradigmen-wechsel änderte die Dichotomie der kortikalen Verarbeitungspfade von

9 Die Streifen in V2 sieht man dann, wenn man den Kortex mit Cytochromoxidase anfärbt.


„Was-“ vs. „Wo“ (Objekt vs. Ort) in „Was“ vs. „Wie“ (Perzeption vs. Aktion). Neuere Studien schlagen ergänzend vor, dass die visuelle Information im dorsalen Pfad in egozentrischen10 Koordinaten repräsentiert ist, während die Information im ventralen Pfad in einem allozentrischen11 Bezugssystem kodiert ist (Schenk, 2006; Carey et al., 2006).

Für die kortikale visuelle Verarbeitung lassen sich folgende Prinzipien formulieren: 1) Die retinotope Repräsentation des Gesichtsfeldes nimmt mit steigender Hierarchie ab12. 2) Die Größe der rezeptiven Felder nimmt im Verlauf der Hierarchie zu, d.h. mehrere Neurone werden konvergierend auf ein Neuron verschaltet. 3) Die Komplexität der kodierten Informationen nimmt ebenfalls mit steigender Hierarchie zu. 4) Die visuellen Areale sind zusätzlich durch zahlreiche divergente und rekurrente Projektionen mit-einander verbunden.

1.4 Weitere Prinzipien visueller Informationsverarbeitung Neuronale Verbindungen kortikaler Areale lassen sich in bottom-up (in der Verarbeitungshierarchie aufsteigende), top-down (in der Hierarchie absteigende) und laterale (die gleiche Verarbeitungsstufe betreffende) ein-teilen. Dahinter steht das Konzept, dass in der visuellen Verarbeitung zwischen der durch den äußeren Reiz ausgelösten („stimulus-driven“) und der durch die innere Zielausrichtung („goal-driven“) modulierbaren neuronalen Aktivität unterschieden werden kann (Engel et al., 2001). Oft werden bottom-up und top-down Prozesse mit Feedforward- und Feed-back-Verbindungen zwischen kortikalen Arealen gleichgesetzt (Lamme et al., 1998). Die lateralen bzw. horizontalen Verbindungen dienen vor allem der Modulation der neuronalen Antwort auf der gleichen Verarbeitungs-

10 Egozentrisch: Die visuelle Information wird auf den Körper oder auf Köperteile des

Beobachters referenziert, zum Beispiel zentriert auf den Kopf oder den Rumpf. 11 Allozentrisch: Die visuelle Information wird unabhängig vom Beobachter kodiert, d.h. das

Betrachtete ist auf sich selbst referenziert (auch als objektzentriert oder weltzentriert bezeichnet).

12 Eine eindeutige retinotope Repräsentation ist nur bis zur Verarbeitungsstufe von V3 nachgewiesen (Sereno et al., 1995; DeYoe et al., 1996), für V4 ist umstritten, ob noch eine Quadranten- oder bereits eine Halbfeldrepräsentation vorliegt. V5 hat, wenn überhaupt, nur eine diffuse Retinotopie (Tootell et al., 1995). In noch höher liegenden Arealen ist eine eindeutige Zuweisung der Neurone zu ihrem retinalen Ursprung nicht mehr möglich.


stufe. Spezifische Hemmung (engl.: inhibition) und Verstärkung (engl.: excitation) können als allgemeine Prinzipen der neuronalen Erregung verstanden werden (Priebe & Ferster, 2008), die dazu dienen, das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern.

Die neuronale Verarbeitung kann auch durch Aufmerksamkeit13 beeinflusst werden. Bei visueller Aufmerksamkeit „handelt es sich um die Organisation des Zusammenspiels mehrerer Hirnzentren, um relevante Informationen auszuwählen und irrelevante herauszufiltern“ (Das et al., 2007, S. 1556, Übers. d. Verf.). Es kann zwischen offener (engl.: overt attention) und verdeckter Aufmerksamkeit (engl.: covert attention) unterschieden werden. Die Erst-genannte ist an eine motorische Bewegung gekoppelt, d.h. es erfolgt eine Kopf- und/oder Augenbewegung zum Zweck der Fixation des beachteten Objektes, bei der letztgenannten fehlt dieses orientierende motorische Verhalten (Moore, 2006). Visuelle Aufmerksamkeit ist eine Form der selektiven bzw. gerichteten Aufmerksamkeit. Unterschieden werden kann zum Beispiel danach, worauf die Aufmerksamkeit ausgerichtet ist: auf einen definierten Ort im Gesichtsfeld (räumliche Aufmerksamkeit, engl.: spatial attention), auf ein bestimmtes Objekt im Gesichtsfeld (objekt-bezogene Aufmerksamkeit, engl.: object-based attention) oder auf ein bestimmtes visuelles Merkmal (merkmalsbasierte Aufmerksamkeit, engl.: feature-based attention; O'Craven et al., 1999; Scholl, 2001; Yantis & Serences, 2003; Maunsell & Treue, 2006).

Bevor ich im nächsten Abschnitt einige Störungen visueller Informations-verarbeitung differenziere, möchte ich die Aufmerksamkeit des Lesers kurz auf das lenken, was bisher stillschweigend vorausgesetzt wurde.

Es wird davon ausgegangen, dass eine Homologie zwischen Menschen und Affen bezüglich 1) der Zyto- und Myeloarchitektur, 2) der Konnektivität, 3) der retinotopen Organisation und 4) der Funktion visueller Areale besteht (Orban et al., 2004). Die Vorstellungen über die neuronale visuelle

13 „Jeder weiß, was Aufmerksamkeit ist. Sie ist die Inbesitznahme eines Dinges oder

Gedankenganges - aus verschiedenen, gleichzeitig möglich scheinenden - durch die klare und lebendige Form des Verstandes. Scharfstellung und Sammlung des Bewußtseins gehören zu ihrem Wesen. Sie bedeutet Rückzug von manchen Dingen, um sich mit anderen effektiv zu befassen, und sie ist eine Verfasstheit, die ihren echten Gegensatz im verwirrten, benommenen und zerstreuten Zustand findet.“ (James, 1890, S. 403f, Übers. d. Verf.)


Verarbeitung des Menschen beruht also zu einem erheblichen Teil auf der experimentellen Forschung an anderen Primaten. Das Postulat der homologen Verarbeitung gilt besonders für frühe Areale (ebd.). Bis heute sind beim Affen wesentlich mehr (strukturell und/oder funktionell) differen-zierbare visuelle Areale als beim Menschen nachgewiesen (für einen aktuellen Überblick siehe Gattass et al., 2005).

17

2 Zerebral bedingte Sehstörungen Eine zerebrale Schädigung meint streng genommen jede angeborene, entwickelte oder erworbene Dysfunktion einer zum Gehirn gehörigen Struktur. Da die Netzhaut ein vorgeschobener Teil des Gehirns ist, wäre bereits eine Schädigung dieser, wie zum Beispiel bei der Makula-degeneration, als zerebrale Schädigung zu verstehen. In der vorliegenden Arbeit werden jedoch ausschließlich Funktionsausfälle und -einschränkungen bei Patienten erforscht, deren Schädigung bzw. neuronale Veränderung hinter dem Chiasma opticum liegt oder zu vermuten ist.

Die häufigste Ursache für eine erworbene Hirnschädigung ist ein Schlag-anfall. Der Hirninfarkt zählte im Jahr 2006 sowohl bei Frauen (102.398 Fälle) als auch bei Männern (96.517 Fälle) zu den 20 häufigsten Diagnosen bei einem Krankenhausaufenthalt14. Generell werden zwei Arten des Schlaganfalls unterschieden: der embolische Verschluss einer hirn-versorgenden Arterie führt zum ischämischen, die Ruptur einer Arterie zum hämorrhagischen Schlaganfall (Wunderlich, 2008). Beide Formen der Schädigung können lokalisationsabhängig zu motorischen, mnestischen, emotionalen und/oder sensorischen Funktionsbeeinträchtigungen der betroffenen Patienten führen (siehe 2.1 und 2.2).

Alle psychischen Erkrankungen sind letztlich auch Störungen von Gehirn-funktionen, bei denen strukturelle, funktionelle, chemische und endokrine neuronale Veränderungen unterschieden werden müssen (Lautenbacher, 2008). Die psychiatrische Erkrankung Schizophrenie wird zum Beispiel zunehmend als Hirnentwicklungsstörung angesehen, die mit komplexen Störungen des Neurotransmittergleichgewichts sowie der Neuro- und Myeloarchitektur einhergeht (Wobrock et al., 2004; Gross & Huber, 2008). Es wird angenommen, dass eine schizophrene Erkrankung unter anderem durch eine visuelle Wahrnehmungsstörung auf den frühen Stufen der

14 Statistisches Bundesamt, 2006

(http://www.destatis.de/jetspeed/portal/cms/Sites/destatis/Internet/DE/Navigation/Statistiken/Gesundheit/GesundheitszustandRisiken/GesundheitszustandRisiken.psml, besucht am 01.09.2008)


Informationsverarbeitung gekennzeichnet ist (siehe 2.3, Butler & Javitt, 2005).

Die Unterteilung in „frühe“ und „späte“ visuelle Wahrnehmungsstörungen orientiert sich an der in Abschnitt 1.1 – 1.4 beschriebenen Verarbeitungs-hierarchie des visuellen Systems. Als frühe Störungen werden solche Funktionsausfälle bezeichnet, die auf eine postchiasmatische Schädigung des primären visuellen Verarbeitungspfades und / oder auf eine Schädigung extrastriärer visueller Areale (V2 - V5) zurückzuführen sind. Unter späten Störungen sollen solche verstanden werden, deren Ursache in einer Schädigung des ventralen (temporaler Kortex) oder des dorsalen (parietaler Kortex) Verarbeitungspfades zu suchen ist.

2.1 „Frühe“ visuelle Wahrnehmungsstörungen Typisch für eine einseitige zerebrale Läsion im Bereich des postchiasmatischen primären Verarbeitungspfades ist ein homonymer15,kontraläsionaler16 absoluter17 Gesichtsfeldausfall, der durch einen kompletten Verlust aller Sehfunktionen (Blindheit) im betroffenen Bereich gekennzeichnet ist (Zihl & von Cramon, 1986; Kerkhoff et al., 2007). Sind dagegen nur bestimmte Sehleistungen betroffen (s.u.), spricht man von einer Gesichtsfeldstörung (ebd.). In diesem Fall liegt die zerebrale Schädigung mutmaßlich eher in extrastriären visuellen Arealen.

Bemerkenswert ist, dass immer wieder Patienten beschrieben werden, bei denen nur eine bestimmte Sehfunktion, wie zum Beispiel die der Farb-, Form- oder der Bewegungswahrnehmung ausgefallen ist (entsprechend als Achromatopsie, Formagnosie oder Akinetopsie bezeichnet).

Beschreibungen über den erworbenen, selektiven Verlust der Farb-wahrnehmung in einer Hälfte des Gesichtsfeldes, finden sich bereits gegen Ende des 19. Jahrhunderts (Mackay, 1888). Bis heute sind eine ganze

15 Bei einäugiger (monokularer) Prüfung des Gesichtsfeldes sind übereinstimmende

Bereiche beider Augen betroffen. 16 Der Ausfall betrifft die Seite des Gesichtsfeldes, die der Seite der geschädigten Hirnhälfte

(Hemisphäre) gegenüberliegt. 17 Im Gegensatz dazu liegt bei relativen Ausfällen kein kompletter Verlust vor, sondern die

Sensitivität der Sehfunktion ist herabgesetzt (wie z.B. die Leuchtdichteunterschiedsempfindlichkeit).

Zerebral bedingte Sehstörungen 19

Reihe von Patienten mit zerebraler Achromatopsie beschrieben (Heywood & Kentridge, 2003) und der Nachweis ist erbracht, dass die Achromatopsie auch bei vollkommen intaktem Leuchtdichtegesichtsfeld auftreten kann (Kölmel, 1988a). Die anatomisch kongruenten Schädigungsorte beschriebener Achromatopsiepatienten zeigen in Übereinstimmung mit bildgebenden Verfahren, dass das kortikale Farbzentrum (V4), als Teil des in 1.3 beschriebenen ventralen Verarbeitungspfades, im fusiformen Gyrus zu verorten ist (Bartels & Zeki, 2000).

Die Formagnosie ist dadurch charakterisiert, dass betroffene Patienten zwar lokale Kontraste, Farben und Bewegungen wahrnehmen können, jedoch nicht in der Lage sind zu entscheiden, ob zwei einfache Formen gleich oder verschieden sind (Goldenberg, 2006). Auch diese Störung ist, wenn auch selten, seit mehr als 100 Jahren beschrieben worden (Lissauer, 1890; Wilbrand, 1892; Benson & Greenberg, 1969; Heider, 2000). Die vermutlich am ausführlichsten untersuchte Patientin mit einer Formagnosie ist DF, die nach einer Kohlenmonoxidvergiftung eine beidseitige zerebrale Schädigung des lateralen okzipitalen Kortex hatte. Verblüffenderweise konnte die Patientin zwar eine Karte in der richtigen Orientierung in einen Schlitz stecken, es war ihr aber nicht möglich, die Orientierung des Schlitzes anzuzeigen (Milner et al., 1991). Die Beobachtung dieser Dissoziation zwischen Wahrnehmung und Handlung bildete die Grundlage der Theorie von Milner und Goodale (siehe 1.3).

Patienten, die unter einem selektiven Verlust der Bewegungswahrnehmung leiden (Akinetopsie), sind viel seltener beschrieben, als man annimmt (Goldstein & Gelb, 1918; Zihl et al., 1983). Ein vollständiger Funktions-verlust findet sich (ähnlich wie bei der Formagnosie) nur nach größeren bilateralen Läsionen im Gebiet des mittleren temporalen Gyrus. Wie bild-gebende Verfahren zeigen konnten, ist in dieser Struktur das auf die Verarbeitung von Bewegung spezialisierte visuelle Areal V5 zu finden (vgl. 1.3, Zeki et al., 1991; Tootell et al., 1995). Auch unilaterale Schädigungen von V5 führen zu Einschränkungen der Bewegungswahrnehmung im kontraläsionalen Gesichtsfeld, aber nicht zu einem vollständigen Verlust, (Vaina et al., 2001; Blanke et al., 2003).

Die Beobachtung, dass 1) nur bestimmte Teilleistungen des visuellen Systems gestört sein können und 2) diese Störungen nicht zwingend


absolut sind, bildet den Ausgangpunkt meines Dissertationsvorhabens (siehe Kapitel II-1). Bis heute ist unklar, zu welchen Funktionsstörungen es nach sehr kleinen zerebralen Schädigungen in extrastriären Arealen kommt. Um bei Patienten mit solchen Läsionen überprüfen zu können, ob bestimmte Teilleistungen des Sehens vollständig ausgefallen oder nur ein-geschränkt funktionstüchtig sind, wurde ein spezielles Testverfahren entwickelt. Dieses Verfahren ermöglicht 1) Teilleistungen des Sehens quantitativ zu erfassen und dabei 2) die retinotope Organisation des visuellen Systems zu berücksichtigen. Eine zerebrale Schädigung in frühen extrastriären Arealen (V2-V5) sollte zu einer Einschränkung einer definierten Teilleistung im zur Läsion korrespondierenden Gesichtsfeld-bereich führen, wenn auf den frühen Stufen der Informationsverarbeitung die Repräsentation einzelner Teilleistungen tatsächlich getrennt vorliegt.

Frühe visuelle Wahrnehmungsstörungen, d.h. sowohl Teilleistungs-störungen als auch absolute Gesichtsfeldausfälle, führen zu Beeinträchti-gungen im Alltag der betroffenen Patienten, die sich zum Beispiel in Lese- und Explorationsdefiziten äußern (Kerkhoff et al., 2007). Im Kapitel II-2 wird eine Studie vorgestellt, die die visuelle Explorationsleistung bei einer Gruppe von Patienten mit okzipitalen Schädigungen näher beleuchtet.

2.2 „Späte“ visuelle WahrnehmungsstörungenTypisch für eine Schädigung des temporalen oder parietalen Kortex sind, entsprechend der in Abschnitt 1.3 beschriebenen Dissoziation der Verarbeitungswege, Störungen der Objekterkennung (ventral) oder der Raumwahrnehmung (dorsal).

Störungen der Objekterkennung können sich auf verschiedene Weise manifestieren. Charakteristisch ist, dass agnostische Patienten zwar visuelle Reize gut reproduzieren, d.h. abzeichnen können, jedoch weder den Reiz noch das Gezeichnete zu identifizieren vermögen (Riddoch & Humphreys, 1987). Das Misslingen der Identifikation bleibt bei manchen Patienten auf bestimmte Objektkategorien (z.B. Tiere) beschränkt (Takarae & Levin, 2001). Eine besondere Objektkategorie bilden Gesichter. Nach einer zerebralen Schädigung können einige Patienten bekannte Gesichter nicht mehr erkennen (Prosopagnosie). Vermutete man zunächst, dass für diese Störung eine bilateralere Schädigung des fusiformen Gyrus verant-


wortlich ist (Damasio et al., 1982), gibt es mittlerweile auch Berichte von prosopagnostischen Patienten mit einer unilateralen Schädigung der gleichen Struktur (Uttner et al., 2002). Es wurden auch Patienten mit einem Verlust der Erkennung von visuellen Szenen beschrieben (Mendez & Cherrier, 2003). Alle genannten spezifischen Störungen der Objekt-erkennung lassen sich hervorragend mit den in 1.3 dargestellten spezialisierten Arealen des ventralen Verarbeitungspfades in Einklang bringen.

Die bekannteste Störung der Raumwahrnehmung, die nach einer parietalen Schädigung auftritt, ist der Neglect. Der Neglect ist definiert als das Unvermögen, neue oder bedeutsame Reize zu bemerken, zu berichten oder sich in ihre Richtung zu orientieren, wenn die Reize auf der kontra-läsionalen Seite dargeboten werden und kein primär sensorisches oder motorisches Defizit dieses Verhalten erklären kann (Heilman et al., 2003). Neglect kann als Repräsentations- (Bisiach & Luzzatti, 1978), Transformations- (Karnath, 1997) oder als Aufmerksamkeitsdefizit ver-standen werden (Kinsbourne, 1970; Heilman & Valenstein, 1972; Posner et al., 1984; Mesulam, 1999). Neueste Theorien schlagen vor, den Neglect eher als Diskonnektionssyndrom aufzufassen, das die mannigfaltigen Ausprägungen des Syndroms durch Unterbrechungen der Leitungsbahnen in neuronalen Netzwerken erklären würde (Bartolomeo et al., 2007; Doricchi et al., 2008). Bisher scheint in der Tat ungeklärt, welches kortikale Areal ursächlich für die Manifestation eines Neglects ist. Berichtet wird das Auftreten des Syndroms nach Läsionen frontaler (Husain & Kennard, 1996), temporaler (Karnath et al., 2001), parietaler (Mort et al., 2003), okzipitaler (Bird et al., 2006) und subkortikaler Strukturen (Karnath et al., 2002).

Ebenfalls ungeklärt ist die Frage, in welchem Bezugssystem die Vernach-lässigungsphänomene auftreten. Berichtet wird sowohl von Patienten mit egozentrischem Neglect (Beschin et al., 1997; Hillis et al., 1998), als auch von Patienten mit objekt- (Savazzi et al., 2004) oder stimulus-zentriertem18

Neglect (Ota et al., 2001).

18 Beobachter-zentriert (egozentrisch): Die Vernachlässigung ist relativ zu einer sagittalen

Mittellinie des Beobachters, z.B. Retina, Kopf oder Körper.


Das Bezugssystem, in dem die kontraläsionale Vernachlässigung nach-weisbar ist, hängt möglicherweise davon ab, welcher Verarbeitungspfad geschädigt ist (siehe 1.3). Eine egozentrische Vernachlässigung sollte daher eher mit dorsalen Schädigungen in Verbindung gebracht werden, eine allozentrische Vernachlässigung eher mit ventralen Läsionen. In der in Kapitel III-2 vorgestellten Studie werden Patienten mit einem Infarkt der rechten mittleren zerebralen Arterie daraufhin untersucht, ob in einer visuellen Suchaufgabe 1) kontraläsionale Zielreize entsprechend differenzierbarer Bezugssysteme vernachlässigt werden und 2) ob diese (vom Bezugssystem abhängige) Vernachlässigung mit den postulierten kortikalen Strukturen in Verbindung gebracht werden kann.

Ventrale und dorsale visuelle Informationsverarbeitung dienen laut Milner und Goodale unterschiedlichen Zwecken (vgl. 1.3) — die erstgenannte gewährleistet die detaillierte Repräsentation von Objekteigenschaften, letztere die visuo-motorische Koordination im Raum. Führt man diesen Zweckgedanken weiter, dann ist den beiden Verarbeitungswegen eines gemeinsam: beide profitieren von der Information über Größe eines Gegenstandes, denn einerseits bietet die Größe wichtige Hinweise zur Erkennung/Identifizierung eines Objekts und andererseits muss man die Größe von Gegenständen richtig einschätzen, um erfolgreich nach ihnen greifen zu können. Das visuelle System muss die Größe eines Netzhaut-bildes, das ein betrachtetes Objekt erzeugt, richtig interpretieren können, denn diese ist unmittelbar abhängig von der Entfernung des betrachteten Gegenstandes. Dieser Mechanismus, der dafür sorgt, dass wir identische Gegenstände in unterschiedlichen Entfernungen gleich groß wahrnehmen, nennt sich Größenkonstanz. Wie allerdings dieser Mechanismus auf neuronaler Ebene gewährleistet wird, ist nicht bekannt. Im ersten Teil des dritten Kapitels wird eine Patientin vorgestellt, die aufgrund einer zerebralen Schädigung nur noch eingeschränkt in der Lage ist, die tatsäch-liche Größe von Objekten einzuschätzen.

Objekt-zentriert (allozentrisch): Die Vernachlässigung ist relativ zur intrinsischen

vertikalen Mittellinie des betrachteten Objekts.

Stimulus-zentriert (allozentrisch): Die Vernachlässigung ist relativ zur vertikalen Mittellinie des betrachteten Objektes (Hillis, 2006).


2.3 Visuelle Wahrnehmungsstörungen schizophrener Patienten

In dieser Arbeit werden neben Patienten mit neurologischen Erkrankungen auch Patienten mit einer psychiatrischen Erkrankung, genauer gesagt Patienten mit Schizophrenie, untersucht. „Die Schizophrenie ist eine komplexe Erkrankung, die wesentliche Bereiche des seelischen Erlebens beeinträchtigt und durch ein charakteristisches Störungsmuster in den Bereichen Denken, Wahrnehmung, Ichfunktionen, Affektivität, Antrieb und Psychomotorik gekenn-zeichnet ist“ (Wobrock et al., 2004, S. 99, Hervorh. d. Verf.).

In den letzten Jahrzehnten konnte gezeigt werden, dass sich eine ganze Reihe visueller Wahrnehmungsprozesse schizophrener Patienten von denen Gesunder unterscheiden. Neben Störungen der Blickbewegungen, der Kontrastempfindlichkeit und der Bewegungswahrnehmung (Chen et al., 2006) zeigen Patienten eine Leistungsminderung im so genannten „backward masking“19 (vgl. 3.3, Butler et al., 1996).

Obwohl die Gründe, die zu der Leistungsminderung der Patienten führen, umstritten sind, ist das „backward-masking“ ein wichtiges Verfahren in der Schizophrenieforschung weil 1) gezeigt werden konnte, dass die Verhaltensverschlechterung unabhängig von der Medikation ist (Butler et al., 1996) und 2) die Störung auch bei nicht erkrankten Angehörigen schizophrener Patienten nachzuweisen ist (Green et al., 2006). Damit stellt die Verhaltensleistung in „backward-masking“ Aufgaben einen potentiellen Trait-Marker20 schizophrener Erkrankungen dar (Green & Nuechterlein, 1999; Chen et al., 2006).

Das Defizit schizophrener Patienten im „backward-masking“ wird als eine Störung auf den frühen Stufen der visuellen Informationsverarbeitung an-gesehen (Butler et al., 2001; Butler & Javitt, 2005), die primär auf einer Dysfunktion des magnozellulären Verarbeitungspfades beruht (Cadenhead et al., 1998; Slaghuis & Bishop, 2001; Schechter et al., 2003; Slaghuis,

19 Engl.: Rückwärtsmaskierung. Ein visueller Reiz, der extrem kurz präsentiert wird, kann

durch einen nachfolgenden Reiz maskiert, d.h. überlagert werden und deswegen schlechter oder gar nicht zu erkennen sein.

20 Bezeichnet ein für eine Erkrankung charakteristisches (biologisches) Merkmal, das auch in gesunden Zeiten nachweisbar ist.


2004; Koelkebeck et al., 2005; Martinez et al., 2008). In Übereinstimmung mit einer „frühen“ Störung der visuellen Verarbeitung können bei schizophrenen Patienten neurostrukturelle Veränderungen im visuellen Kortex nachgewiesen werden (Onitsuka et al., 2007; Dorph-Petersen et al., 2007).

Im letzten Kapitel (IV) dieser Arbeit werden zwei Aspekte des „backward-masking“ Defizits schizophrener Patienten näher beleuchtet. Der erste Teil (IV-1) widmet sich der Frage, ob die Störung der Patienten mit einer längeren Persistenz und/oder vorzeitigen Wahrnehmung von Synchronität visueller Reize einhergeht. Im zweiten Teil (IV-2) werden in einem klassischen „backward-masking“ - Experiment die individuellen Einstellungen für gesunde Probanden und schizophrene Patienten derart gewählt, dass eine vergleichbare Verhaltensleistung erreicht wird. In einem zweiten Schritt kann überprüft werden, welchen Einfluss zusätzlich mit der Maske dargebotene kollineare Elemente auf das Verhalten beider Gruppen haben.

25

3 UntersuchungsmethodenDer folgende Abschnitt skizziert die gängigsten Methoden zur Unter-suchung der visuellen Wahrnehmungs- bzw. Sehleistung. Eine detail-lierte Beschreibung der für den jeweiligen Versuch verwendeten Verfah-ren findet sich im Methodenteil der einzelnen Kapitel.

3.1 Psychophysik Der Begründer der Psychopyhsik, Gustav Theodor Fechner21, definiert den Begriff 1860 folgendermaßen: „Unter P s y c h o p h y s i k soll […] eine exacte Lehre von den functionellen oder Abhängigkeitsbeziehungen zwischen Körper und Seele, allgemeiner zwischen körperlicher und geistiger, physischer und psychischer, Welt verstanden werden“ (Fechner, 1860, S. 8). Allgemeiner könnte man formulieren, Psychophysik ist die Lehre von der Beziehung zwischen physikalischen Reizeigenschaften und der subjektiven Wahrnehmung der Sinneseindrücke. Die Einflussvariable ist in dieser Beziehung die veränderbare physikalische Größe und die ab-hängige Variable die subjektive Empfindung. Besonders leicht lässt sich das am Beispiel der Farbwahrnehmung erklären: die physikalisch manipulierbare Größe ist die Wellenlänge, mit der Licht auf die Netzhaut trifft, die subjektive Wahrnehmung dagegen vermittelt den Eindruck von Farbe. Mithilfe der Psychophysik ist es möglich, diese subjektive Wahr-nehmung messbar zu machen. Die Grundlage dafür bildet die psycho-metrische Funktion, d.h. die darstellbare Beziehung zwischen der Intensität des Reizes und der subjektiven Wahrnehmung.

3.1.1 Das klassische Konzept der Schwelle Auf Gustav Fechner geht auch das Konzept der (Wahrnehmungs-) Schwelle zurück: „Den Punct, wo die Merklichkeit eines Reizes oder eines Reizunterschiedes beginnt und schwindet, wollen wir kurz die S c h w e l l e nennen, welcher Ausdruck ebensowohl auf die Empfindung und den Empfindungsunterschied an den Gränzen der Merklichkeit, als den Reiz oder Reizunterschied, oder das Reizverhältniss, welches die Empfindung oder den

21 *1801 - †1887, verdienstvoll auch die „Vergleichende Anatomie der Engel“, Leipzig,

1825.


Empfindungsunterschied auf diesen Punct bringen, bezogen werden kann, so dass wir eben sowohl von der Schwelle einer Empfindung oder eines Empfindungsunterschiedes, als dem Schwellenwerthe eines Reizes oder Reiz-unterschiedes oder Reizverhältnisses, kurz R e i z s c h w e l l e , U n t e r -s c h i e d s s c h w e l l e , V e r h ä l t n i s s c h w e l l e des Reizes sprechen können“ (ebd., S. 238f).

Fechner unterteilt die Wahrnehmungsschwellen in absolute Schwellen (Reizschwelle) und Unterschiedsschwellen. Die Absolutschwelle ist als die Reizintensität definiert, bei der ein Beobachter einen (visuellen) Reiz eben noch bemerken kann. Die Unterschiedsschwelle gibt dagegen die kleinste Reizintensität an, die nötig ist, um zwei Reize voneinander zu unterscheiden. In der visuellen Psychophysik werden fast ausschließlich Unterschiedsschwellen gemessen, wie zum Beispiel bei statischen Gesichtsfelduntersuchungen, in denen die Empfindlichkeit für einen Leuchtdichteunterschied am Ort der Reizung bestimmt wird.

Um die Schwellen bestimmen zu können, schlug Fechner drei Methoden vor: 1) die Methode der eben merklichen Unterschiede, auch als Grenz-verfahren bezeichnet, 2) die Methode der richtigen und falschen Fälle bzw. Konstanzverfahren und 3) die Methode der mittleren Fehler, das so genannte Herstellungsverfahren.

Während des Grenzverfahrens werden abwechselnd überschwellige Reize in ihrer Intensität herabgesetzt und unterschwellige Reize in ihrer Intensität heraufgesetzt, bis der Beobachter angibt, den Reiz (nicht mehr) wahrzunehmen. Die auf diese Weise mehrfach ermittelten Grenzen werden für die Bestimmung der Wahrnehmungsschwelle gemittelt.

Auch beim Konstanzverfahren (Methode der konstanten Stimuli) muss der Beobachter angeben, ob er einen Reiz wahrgenommen hat oder nicht. Dabei werden ihm in zufälliger Reihenfolge in ihrer Intensität konstante Reize in gleicher Anzahl dargeboten. Die Reizintensitäten müssen so gewählt sein, dass sowohl überschwellige, d.h. fast immer wahrnehmbare, als auch unterschwellige, d.h. fast nie wahrnehmbare Reize verwendet werden und auch der Bereich zwischen diesen Extremen genügend Werte enthält. Der Prozentsatz richtiger Antworten nimmt dabei mit sinkender Reizintensität ab und lässt sich graphisch als

Untersuchungmethoden 27

Verhältnis von Reizintensität und Prozentzahl richtiger Antworten darstellen (psychometrische Funktion). Als Wahrnehmungsschwelle ist bei dieser Methode genau die Reizintensität definiert, bei der der Beobachter in einem definierten Prozentsatz der Fälle den Reiz wahr-nehmen kann.

Im Herstellungsverfahren bestimmt der Beobachter selbst die Wahr-nehmungsschwelle, indem er den Reiz derart verändert, dass er subjektiv eben noch wahrnehmbar bzw. von einem Vergleichsreiz unter-scheidbar ist.

3.1.2 Das Konzept der Schwelle in der Signalentdeckungs-theorie

Die Signalentdeckungstheorie (engl.: signal detection theory, SDT) berücksichtigt erstmals einen entscheidenden Punkt bei der Bestimmung von Wahrnehmungsschwellen: keine Entscheidung über die Wahrnehmbarkeit eines sensorischen Reizes kann ohne eine gewisse Unsicherheit getroffen werden (Swets, 1961; Green & Swets, 1988). Deswegen führt die SDT neben einem Parameter für die Stärke des Signals und der resultierenden Sensitivität des Beobachters (d) das individuelle Entscheidungskriterium (�) ein.

Die SDT geht davon aus, dass jedes Signal von Rauschen überlagert ist und vom Beobachter die Entscheidung getroffen wird, ob das unab-lässige Rauschen ein zusätzliches Signal enthält oder nicht. Hier wird auch klar, warum das Entscheidungskriterium so wichtig ist. Hat der Beobachter ein eher liberales Kriterium, so wird er, wenn er sich un-sicher ist, dazu neigen, anzugeben ein Signal erkannt zu haben. Ein Beobachter mit einem konservativen Kriterium wird dagegen im gleichen Fall eher angeben, kein Signal erkannt zu haben.

Alle bisherigen Schwellenkonzepte beziehen sich in ihrer ursprünglichen Verwendung nur auf Versuche, bei denen der Beobachter entweder mit „Ja“ (ich habe ein Signal gesehen) oder „Nein“ (ich habe keinen Reiz gesehen) antworten kann. Um in solchen Versuchen das Entscheidungskriterium des Beobachters berücksichtigen zu können, müssen bei Ja/Nein Versuchen immer auch Darbietungen erfolgen, in denen kein Signal enthalten ist. Für die Bestimmung der individuellen


Wahrnehmungsschwelle steigert sich dadurch die Anzahl der erforder-lichen Versuchsdurchgänge erheblich.

Eine Möglichkeit, die Versuchsdauer überschaubar zu halten und dabei trotzdem das Entscheidungskriterium zu berücksichtigen, ist die Ver-wendung der „forced-choice“ Verfahren (engl.: erzwungene Wahl). Bei dieser Methode muss der Beobachter entweder sagen, wo sich ein Reiz befindet (z.B. links oder rechts eines Fixationspunktes; räumliche Wahl), wann ein Reiz präsentiert wurde (z.B. in der ersten oder in der zweiten Darbietung; zeitliche Wahl) oder welcher Reiz zu sehen ist (z.B. ein links- oder rechtsversetzter Nonius; kategoriale Wahl). Die abhängige Variable ist in diesen Fällen der Prozentsatz richtiger Antworten, die mit der Ratewahrscheinlichkeit in Beziehung gesetzt werden muss. Die Ratewahrscheinlichkeit, also die Chance, zufällig die richtige Wahl zu treffen, hängt von der Anzahl der Wahlmöglichkeiten ab. Im einfachsten Fall kann sich der Beobachter zwischen zwei Möglichkeiten entscheiden („2-alternative-forced-choice“, 2-AFC) und die Ratewahrscheinlichkeit beträgt 50%. Bei vier Antwortalternativen (4-AFC) sinkt die Ratewahr-scheinlichkeit auf 25%.

Abb. 3-1 Die psychometrische Funktion. Dargestellt sind die psychometischen Funktionen für einen 2-AFC (grün) und einen 4-AFC (blau) Versuch (siehe Text).


Kombiniert man nun ein „forced-choice“ Verfahren mit dem bereits von Fechner vorgeschlagenen Konstanzverfahren, ist es möglich, die genaue Form der psychometrischen Funktion zu bestimmen (Klein, 2001). Die psychometrische Funktion sieht meist S-förmig (sigmoid) aus und kann durch ihren Wendepunkt und ihre Steigung hinreichend beschrieben werden. Dafür werden logistische Funktionen, kumulative Weibull-Funktionen oder kumulierte Gauß-Verteilungen verwendet (Wichmann & Hill, 2001). In Abb. 3-1 kann man erkennen, dass 1) die Wahrnehmungsschwelle durch den Wendepunkt der beschreibenden Funktion definiert ist, 2) der Wendepunkt bei einer Wahrnehmungs-wahrscheinlichkeit von 50% liegt und 3) der Prozentsatz richtiger Antworten im Wendepunkt (Schwelle) von der Anzahl der Wahl-möglichkeiten abhängt.

3.1.3 Adaptive Verfahren zur Bestimmung von Wahrnehmungsschwellen

In der modernen Psychophysik werden zur Bestimmung von Wahr-nehmungsschwellen adaptive Verfahren verwendet, die durch Computer gesteuert werden. Diese Verfahren ermöglichen eine effiziente und verlässliche Schwellenbestimmung, da die Antworten des Beobachters bereits während des Versuchsverlaufs berücksichtigt werden können, d.h. abhängig davon, ob ein Reiz richtig erkannt wurde oder nicht, kann die physikalische Intensität der Reize permanent variiert werden. Diesen Verfahren ist gemeinsam, dass die Präsentation der Reize immer mit einer physikalischen Intensität beginnt, die deutlich oberhalb der vermuteten Wahrnehmungsschwelle liegt. Im Verlauf des Versuches wird dann sukzessiv die Intensität des zu detektierenden Reizes gesenkt bzw. erhöht, bis ein definiertes Abbruchkriterium erreicht ist. Deshalb werden solche Verfahren auch als „Staircase“-Prozeduren (engl.: Treppe) bezeichnet.

Alle adaptiven Methoden müssen 1) bestimmen, wann und wie der aktuelle Testwert (also die physikalische Intensität) verändert wird, 2) entscheiden, wann der Versuch beendet ist und 3) festlegen, was die endgültige Schätzung der Schwelle ist (Treutwein, 1995). Unterschieden wird zwischen parametrischen und nicht-parametrischen Prozeduren.


Die einzige Voraussetzung für die Verwendung einer nicht-parametrischen Staircase ist, dass die psychometrische Funktion, die der Aufgabe zugrunde liegt, monoton steigt. Die parametrische Staircase verlangt dagegen eine a priori Annahme über die generelle Form der psychometrischen Funktion, so dass der Wendepunkt und die Steigung geschätzt werden können (Treutwein, 1995).

In den nächsten beiden Abschnitten sollen kurz die in der Dissertation verwendeten Staircase-Verfahren erläutert werden.

3.1.3.1 PEST

“Parameter estimation by sequential testing” (PEST) ist ein nicht-parametrisches Verfahren, welches den nächsten Testwert aufgrund heuristischer Regeln bestimmt (Taylor & Creelman, 1967). Vor Versuchsbeginn müssen der Startwert, die Schrittweite und die Wald-konstante22 festgelegt werden. Der Startwert bestimmt dabei die anfängliche physikalische Größe, die Schrittweite legt die anfängliche Differenz zwischen Startwert und dem nächsten Testwert fest und die Waldkonstante gibt an, wann ein neuer Testwert dargeboten wird und ob dieser höher oder niedriger ist als der aktuelle Testwert. Die heuristischen Regeln der PEST-Strategie sind folgende:

� Die Schrittweite wird bei jedem Richtungswechsel (von sinkendem auf steigenden Testwert oder vice versa) halbiert.

� Die Schrittweite verändert sich im zweiten Schritt (nach einem Richtungswechsel) nicht.

� Die Schrittweite verdoppelt sich jeweils im vierten und den folgenden Schritten, sollte kein Richtungswechsel vorliegen.

22 Während des Tests wird nach jeder Antwort ein Intervall berechnet (aus der

Waldkonstanten und allen verfügbaren Antworten für den aktuellen Testwert). Dieses Intervall entscheidet, ob der nächste Testwert gleich, kleiner oder größer ist als der aktuelle Testwert. Der Testwert ändert sich nicht, wenn die Anzahl der richtigen Antworten für den aktuellen Testwert innerhalb dieses Intervalls liegt. Ist die Anzahl kleiner als die untere Grenze des Intervalls (unterschwellig) wird der Testwert erhöht, ist sie größer als die obere Grenze des Intervalls (überschwellig) wird der Testwert im nächsten Schritt gesenkt.


� Im dritten Schritt (nach einem Richtungswechsel) wird die Schritt-weite entweder verdoppelt (wenn die Schrittweite, die zum letzten Richtungswechsel führte keine Verdoppelung war) oder bleibt konstant (wenn die Schrittweite, die zum letzten Richtungswechsel führte, bereits eine Verdoppelung war).

Diese Methode wird in beiden Teilen des Kapitels IV verwendet.

3.1.3.2 QUEST

„Quick estimation by sequential testing“ (QUEST) ist ein parametrisches Verfahren, welches auf folgenden Annahmen beruht (Watson & Pelli, 1983):

� Die Form der psychometrischen Funktion ist unter allen Bedingungen gleich und unterscheidet sich nur in ihrer Position entlang der x-Achse (physikalische Intensität). Diese Position ist durch den Parameter T (die Schwelle, engl.: threshold) festgelegt.

� Der Parameter T, also die Schwelle, ist innerhalb eines Versuchsdurchgangs konstant.

� Individuelle Tests während eines Versuchsdurchgangs (engl.: trials) sind statistisch unabhängig.

Die QUEST-Strategie beginnt mit einem Testwert, der a priori als Wahr-scheinlichkeitsdichtefunktion mit einem Wendepunkt und einer Steigung festgelegt wird (z.B. durch die Weibull-Funktion). Während des Versuchsverlaufs hängt der aktuelle Testwert von den vorherigen Antworten ab und entspricht jeweils der aktuellen Schätzung von Wendepunkt und Steigung. Diese Methode führt dazu, dass die einzelnen Reizdarbietungen schwellennah erfolgen. Der Wendepunkt der ermittelten psychometrischen Funktion wird, wie oben beschrieben, als Wahrnehmungsschwelle definiert. In der Originalmethode entspricht daher die gesuchte Wahrnehmungsschwelle dem letzten getesteten Wert. Bereits Watson und Pelli (1983) schlagen jedoch vor, die endgültige Wahrnehmungsschwelle durch einen post-hoc Fit-Algorithmus zu bestimmen, der den gesamten Versuchsverlauf sowie


die Form der psychometrischen Funktion erneut in die Schätzung einbezieht.

Die eben erläuterte Methode wird jeweils im ersten Teil des zweiten und des letzten Kapitels verwendet.


3.2 Visuelle Suche Im Grunde sind wir ständig auf der Suche: nach dem Sinn, nach Feuer-zeugen, nach Anspitzern, etc. (die beiden letzteren sind zu finden in Abb. 3-223).

Abb. 3-2 Visuelle Suche auf einem Schreibtisch. Das rote Feuerzeug fällt sofort ins Auge, den silbernen Anspitzer findet man erst nach längerem Suchen.

Dieses Beispiel soll zwei Dinge verdeutlichen: 1) die visuelle Suche ist extrem alltagsrelevant und 2) einige Dinge sind viel einfacher zu finden (rotes Feuerzeug) als andere (silberner Anspitzer). Diese Beobachtungen und die Tatsache, dass sich visuelle Suchaufgaben unter Experimentalbedingungen hervorragend kontrollieren lassen, ha-ben dazu geführt, dass das Paradigma der visuellen Suche aus der visu-ellen Wahrnehmungsforschung nicht mehr wegzudenken ist.

23 Abbildung von http://www.flickr.com/photos/spreeblick/53663851


Vor allem durch die Arbeiten von Anne Treisman ist die visuelle Suche eng mit der Erforschung von Aufmerksamkeitsprozessen verbunden. Auf ihrer Arbeit beruht die Merkmalsintegrationstheorie, die besagt, dass Objekteigenschaften mit Hilfe von Aufmerksamkeit zusammengebunden werden. Unter Aufmerksamkeit versteht Treisman eine Art Scheinwerfer mit variablem Durchmesser, der sukzessive verschiedene Orte im Gesichtsfeld beleuchten kann (Treisman & Gelade, 1980). Die Theorie beruht auf der Idee, dass einzelne Objektmerkmale (wie z.B. Farbe und Form) zunächst parallel (gleichzeitig) und präattentiv (ohne Aufmerksamkeit auf sie lenken zu müssen) verarbeitet werden. Auf einer zweiten Stufe können dann auch Merkmalskombinationen entdeckt werden, wenn der Scheinwerfer der Aufmerksamkeit seriell(nacheinander) auf die verschiedenen Orte im Gesichtfeld gerichtet wird (ebd., vgl. Abb. 3-3).

Zielreiz vorhanden (A)

Zielreiz nicht vorhanden (B)

Antwortverhalten (A) ——— (B) ---------

Dis

junk

tion

Kon

junk

tion

Abb. 3-3 Parallele und serielle visuelle Suche. Die Abbildung zeigt eine Nachbildung der Originalexperimente von Treisman & Gelade (1980). Die Aufgabe der Versuchs-personen bestand darin, entweder anzugeben ob sich ein blaues T bzw. X im Suchfeld (Display) befindet oder nicht (obere Zeile, parallele Suche), oder ob ein grünes T vorhanden ist oder nicht (untere Zeile, serielle Suche). Die Reaktionszeitkurven in der rechten Spalte zeigen, dass der Zielreiz in der parallelen Suche unabhängig von der Anzahl der Ablenkreize (Distraktoren) gleich schnell gefunden werden kann. Bei der seriellen Suche steigt die Reaktionszeit für den Zielreiz in Abhängigkeit von der Anzahl der Distraktoren an.


Obwohl heute vorwiegend andere Aufmerksamkeitsmodelle24 diskutiert werden, ist unumstritten, dass Zielreize, die sich klar und deutlich von den Distraktoren unterscheiden, effizient zu finden sind (Shipp, 2004). Die Effizienz der visuellen Suche kann entweder durch die Steigung der Funktion aus Reaktionszeit (RZ) und Distraktorenzahl oder durch das Reaktionszeitverhältnis zwischen „Zielreiz nicht vorhanden“ und „Zielreiz vorhanden“ ausgedrückt werden. Es gilt: Je kleiner die Steigung und/oder die Verhältniszahl, desto effizienter die visuelle Suche.

In bildgebenden Verfahren zeigt sich, dass ein ausgedehntes kortikales Netzwerk unter Beteiligung parietaler, frontaler und okzipitaler Areale durch beide Formen der visuellen Suche (effiziente und ineffiziente) aktiviert wird (Gitelman et al., 2002; Nobre et al., 2003; Hayakawa et al., 2006). Die ineffiziente Konjunktionssuche führt jedoch zu stärkeren Aktivierungen im intraparietalen Sulcus und im frontalen Augenfeld, die aufgrund des höheren Aufmerksamkeitsniveaus bei der ineffizienten Suche als top-down Mechanismen interpretiert werden können (Donner et al., 2000; Donner et al., 2002; Egner et al., 2008).

Das Paradigma der visuellen Suche eignet sich für Untersuchungen von Patienten mit zerebralen Schädigungen, weil 1) die Schwierigkeit der Aufgabe (und damit das selektive Aufmerksamkeitsniveau) experimentell gut kontrolliert werden kann und 2), weil die beteiligten kortikalen Areale vielfach beschrieben wurden und dadurch Hypothesen über das Verhalten bei visuellen Suchaufgaben generierbar sind. In der vorliegenden Arbeit werden in zwei Gruppenstudien (Kap. II-2 und III-2) visuelle Suchaufgaben verwendet, die zu einer effizienten (parallelen) bzw. ineffizienten (seriellen) Suche führen. Im Unterschied zu klassischen Suchaufgaben wird jedoch die Position des Zielreizes als zusätzliche Einflussvariable experimentell kontrolliert.

24 Es würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen, alle Modelle im Einzelnen

vorzustellen. Die Debatte dreht sich im Wesentlichen um die Frage WIE Objekte selektiert werden. Unterschieden werden Theorien, die einen seriellen ("feature integration", Treisman & Gelade, 1980) oder einen parallelen Mechanismus zugrunde legen ("biased competition", Desimone & Duncan, 1995), bzw. beide Ansätze integrieren ("guided search", Wolfe, 1994).


3.3 „Backward Masking“ In der visuellen Wahrnehmungsforschung können sehr frühe Aspekte der Reizverarbeitung mit den so genannten Maskierungsverfahren untersucht werden. Die Sichtbarkeit eines Objektes (Zielreiz) kann durch die zeitnahe oder zeitgleiche Präsentation eines zweiten Objektes (Maske) erheblich reduziert werden (Enns & Di Lollo, 2000; Breitmeyer & Ogmen, 2000), wenn eine räumliche Überlappung oder Nähe beider Objekte gegeben ist. „Backward Masking“ (Rückwärtsmaskierung) bezieht sich auf alle Bedingungen, in denen die Maske zeitlich nach dem Zielreiz präsentiert wird. Die Stärke des Maskierungseffekts hängt von den räumlichen und zeitlichen Eigenschaften des Zielreizes und der Maske ab. Das Zeitintervall zwischen dem Beginn der Präsentation des Zielreizes und dem der Maske wird als SOA („stimulus onset asynchrony“) bezeichnet. Als ISI („inter stimulus intervall“) bezeichnet man das Zeitintervall zwischen dem Ende der Präsentation des Ziel-reizes und dem Beginn der Maske (vgl. Abb. 3-4).

Abb. 3-4 Typen von „Backward-Masking“. „Pattern masking“(oben) entsteht, wenn sich Zielreiz und Maske räumlich über-lagern, die Maskierungsfunktion ist meist monoton steigend (Typ-A). „Metacontrast masking“ (unten) entsteht, wenn die Innenkontur der Maske den Zielreiz umschließt, dieMaskierungsfunktion ist U-förmig (Typ-B).


Man kann aufgrund der räumlichen Konfiguration der Maske zwei Typen unterscheiden: Muster- und Metakontrast-Masken. Im ersten Fall über-lappen sich Zielreiz und Maske vollständig, dagegen grenzen im zweiten Fall nur die Konturen von Zielreiz und Maske aneinander (Enns & Di Lollo, 2000). Variiert man nun systematisch das Zeitintervall zwischen Zielreiz und Maske, dann zeigt die resultierende Maskierungsfunktion, dass Metakontrastmasken die Sichtbarkeit des Zielreizes nur bei mittleren SOAs beeinträchtigen, kurze und lange SOAs haben dagegen kaum einen Effekt (vgl. Abb. 3-4 unten). Ganz anders bei Masken, die den Zielreiz vollständig überlappen: hier ist der Maskierungseffekt am stärksten, wenn die SOA gleich null ist, d.h. Zielreiz und Maske gleich-zeitig präsentiert werden. Mit zunehmender SOA steigt die Sichtbarkeit des Zielreizes25 (vgl. Abb. 3-4 oben, Breitmeyer & Ogmen, 2006).

Breitmeyer erklärt die Maskierungseffekte mit dem so genannten „sustained-transient“26-Modell, dessen neuronales Korrelat in den parvo- und magnozelluären Verarbeitungspfaden zu finden ist, und das auf folgenden Annahmen beruht (Breitmeyer & Ogmen, 2006, S. 165)27:

1) Der Zielreiz und die Maske aktivieren zwei Verarbeitungswege (sustained und transient).

2) Innerhalb der Verarbeitungswege entsteht Hemmung durch den Zentrum/Umfeld-Antagonismus der rezeptiven Felder („intra-channel-inhibition“).

3) Zwischen den Verarbeitungswegen bestehen reziproke hemmende Verbindungen („inter-channel-inhibition“).

25 Es besteht eine Einschränkung: monoton steigend ist die Maskierungsfunktion für

„Pattern-Masking“ nur dann, wenn die Energie (Präsentationsdauer x Kontrast) der Maske höher ist, als die des Zielreizes. Ist die Energie der Maske gleich oder kleiner, findet man eher Typ-B Maskierungsfunktionen (Breitmeyer & Ogmen, 2006).

26 Es gibt keine gute deutsche Übersetzung für diese beiden Fachbegriffe. Sie entstammen den Anworteigenschaften des parvo- und magnozellulären Verarbeitungspfades auf visuelle Reize. Die neuronalen Antworten der Parvo-Zellen bauen sich eher langsam auf und halten länger an, sind also nachhaltiger (engl.: sustained). Magno-Zellen anworteten schnell und explosionsartig, dafür aber nur sehr kurz, sind also nur vorübergehend (engl.: transient).

27 Skizziert wird nur das klassische Modell. Das Nachfolgermodell („retino-cortical dynamics“, RECOD) kann bei Breitmeyer und Ogmen (2000) nachgelesen werden.


4) Maskierung kann deswegen auf drei mögliche Arten entstehen:

a) durch Hemmung innerhalb der Verarbeitungswege

b) durch Hemmung zwischen den Verarbeitungswegen

c) durch die gemeinsame Nutzung beider Wege in dem Fall, dass Zielreiz und Maske räumlich überlappen

5) Transient channels kodieren schnelle Änderungen von Reizort (Bewegung) oder Reizanwesenheit (onset und offset), Sustained channels kodieren Helligkeit, Kontrast und Konturen von stationären oder langsam bewegten Reizen.

Das „Backward-Masking“ Paradigma wird in dieser Arbeit bei der Unter-suchung schizophrener Patienten verwendet, um die beschriebenen Wahrnehmungsdefizite in der frühen visuellen Verarbeitung (siehe 2.3)spezifizieren zu können.

39

4 Zusammenfassung / Summary Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten der gestörten visuellen Informationsverarbeitung. Die untersuchten Patienten haben entweder eine zerebrale Schädigung oder eine psychiatrische Erkrankung (Schizophrenie). Unterschieden werden die Patienten und Patientengruppen danach, ob die zerebrale Schädigung - entsprechend der Hierarchie des visuellen Systems - auf einer frühen oder späten Stufe der Verarbeitung zu lokalisieren ist.

Das zweite Kapitel beleuchtet Störungen der „frühen“ visuellen Verarbeitung. Es kann mithilfe der funktionellen Bildgebung und psycho-physikalischer Methoden bei einem Patienten (HPK) mit einer umschriebenen okzipitalen Läsion gezeigt werden, dass 1) eine Schädigung extrastriärer Areale hinreichend ist, um einen Gesichtsfeld-ausfall hervorzurufen und 2) die Verarbeitung bestimmter Reizmerkmale im Restgesichtsfeld des betroffenen Gesichtsfeldquadranten beeinträchtigt ist. Diese Ergebnisse legen nahe, dass bereits in der frühen visuellen Verarbeitung wesentliche Unterschiede zwischen Menschen und anderen Primaten (wie z.B. Makaken), bestehen.

In einer Gruppenstudie kann weiter gezeigt werden, dass eine okzipitale Schädigung der rechten oder der linken Hemisphäre immer ein visuelles Explorationsdefizit nach sich zieht. Dieses Defizit zeigt sich durch die Verlangsamung aller Patienten in der durchgeführten visuellen Such-aufgabe, wenn zum Lösen der Aufgabe ein hohes Maß an Aufmerksamkeit benötigt wird. Die Ergebnisse der Gruppenstudie legen außerdem nahe, dass die Genauigkeit der visuellen Suche auf der kontraläsionalen Seite des Aufmerksamkeitsfensters herabgesetzt ist, wenn die Größe des Aufmerksamkeitsfensters in Abhängigkeit von der Aufgabe skaliert wird.

Im dritten Kapitel werden Patienten beschrieben, deren zerebrale Schädigung zu einer Störung der „späten“ visuellen Verarbeitung geführt hat. Bei einer Patientin (HE) mit einer unilateralen Schädigung des rechten okzipito-parietalen Kortex wird eine bisher noch nie beschriebene erhebliche Einschränkung der Größenkonstanzleistung nachgewiesen. Sie ist nicht in der Lage, die tatsächliche Größe zweier Reize richtig aufeinander abzustimmen, wenn die Reize in


unterschiedlichen Entfernungen präsentiert werden. Besonders wenn nur monokuläre Tiefenhinweise zur Verfügung stehen, schätzt die Patientin die Größe des vorgegebenen Reizes überwiegend anhand der Größe des Netzhautbildes. Dies verdeutlicht, dass der rechte parietale Kortex, dem ohnehin eine besondere Rolle bei der Verarbeitung räum-licher Informationen zugeschrieben wird, wesentlich an der Repräsentation der Größe von Objekten beteiligt sein muss. Die Größe von Objekten zu kennen, ist während der Ausführung von gezielten (Greif-)Bewegungen besonders wichtig. Eine Störung der Größen-konstanz nach okzipito-parietaler Schädigung stimmt mit der theoretischen Annahme überein, dass der dorsale Verarbeitungspfad die visuelle Steuerung von Handlungen übernimmt.

Der zweite Teil des dritten Kapitels beschäftigt sich mit der visuellen Explorationsleistung einer Gruppe von Patienten mit einer einseitigen Schädigung des Kortex im Versorgungsgebiet der mittleren Gehirn-schlagader der rechten Hemisphäre. Durch eine systematische Veränderung der Position des Zielreizes, bei einer parallelen und einer seriellen Suchaufgabe, kann die Gruppe nach systematischen Mustern bezüglich der Art der Vernachlässigung des Zielreizes unterteilt werden. Es zeigt sich, dass das Muster der Vernachlässigung auf die Schädigung bestimmter neuroanatomischer Strukturen zurückgeführt werden kann. Patienten, die bei der seriellen Suche ein egozentrisches Muster der Vernachlässigung zeigen, weisen Schädigungen des prämotorischen Kortex und vermutlich des frontalen Augenfeldes auf. Dagegen liegt das Zentrum der kortikalen Schädigung bei Patienten, die ein allozentrisches Explorationsdefizit zeigen, im ventro-medialen Kortex, nahe dem parahippocampalen Gyrus. Dieses Ergebnis spricht für die vermutete Aufteilung der visuellen Verarbeitung in einen ventralen Verarbeitungspfad, der detaillierte Objekteigenschaften in einem allozentrischen Bezugssystem repräsentiert, und einen dorsalen Verarbeitungspfad, welcher die visuell geführte Handlungsteuerung in einem egozentrischen Bezugssystem übernimmt (siehe 1.3).

Das letzte Kapitel beleuchtet zwei Aspekte des frühen visuellen Wahr-nehmungsdefizits schizophrener Patienten beim so genannten „backward masking“. Im ersten Teil wird mittels psychophysikalischer Verfahren nachgewiesen, dass das Defizit weder auf eine verlängerte

Zusammenfassung / Summary 41

visuelle Persistenz, noch auf eine generelle Verlangsamung der Informationsverarbeitung zurückzuführen ist. Vielmehr scheint die Schwierigkeit der Patienten darin zu liegen, dass kurz aufeinander folgende Reize, die zusätzlich eine räumliche Nähe aufweisen, schlechter verarbeitet werden können. Im zweiten Teil wird gezeigt, dass schizophrene Patienten in gleicher Weise wie gesunde Versuchs-personen auf zusätzlich dargebotene kollineare kontextuelle Elemente in einer „backward masking“ Aufgabe reagieren, was darauf schließen lässt, dass zwar exzitatorische, nicht jedoch inhibitorische neuronale Verbindungen verändert sind.


Summary

The present work concentrates on different aspects of disturbed visual information processing. The patients examined have either a cerebral lesion or a psychiatric disease (schizophrenia). Patients and groups of patients are distinguished based on supposed site of disruption on an early or else a late visual processing stage.

The second chapter considers disturbances of early vision. It is shown 1) that a lesion of extrastriate cortex is sufficient to cause a visual field defect and 2) that processing of specified stimulus features within the remaining visual field of the affected quadrant is reduced in a patient with a circumscribed occipital lesion, as revealed by both functional imaging and psychophysics. These results suggest that essential differences exist between species (e.g. human and macaque) already on early visual processing stages.

Moreover, in a group study it can be shown that unilateral occipital lesions of both hemispheres always cause a visual exploration deficit. This deficit manifests itself as a reduced processing speed of all patients in an attention demanding visual search task. The results furthermore demonstrate that the performance is worse for the contralesional attentional window, if the size of this window is scaled according to task demands.

In the third chapter patients with cerebral lesions causing a late visual processing deficit are described. For the first time a substantial reduction of size constancy is shown in a patient (HE) with a unilateral lesion of right occipito-parietal cortex. HE is not able to adjust the veridical size of two stimuli, if these stimuli are presented at different distances. Especially under monocular viewing conditions, the estimated size of a stimulus is based mainly on retinal image size. This strengthens the hypothesis that the right parietal cortex, which is involved in processing of spatial information, must be involved in the representation of object size, too. Managing precise (grasping) movements requires knowledge of true object size. Impairment of size constancy after occipito-parietal lesion is consistent with the idea that dorsal information processing is responsible for visually guided actions.

Zusammenfassung / Summary 43

The second part of the third chapter concentrates on visual exploration performance within a group of patients with right middle cerebral artery stroke. Due to systematic variation of target position in a parallel and in a serial visual search task, the group can be splitted according to systematic schemes of target detection, which in turn can be linked to damage of specific cortical areas. In patients showing an egocentric serial search deficit, the premotor cortex and probably the frontal eye field are damaged. In contrast, the centre of lesions in patients with an allocentric serial search deficit is located in the ventro-medial cortex near the parahippocampal gyrus. These results confirm the theoretical distinction between ventral and dorsal processing, with the first representing detailed object representations within an allocentric reference frame and the latter mediating visual guided actions within an egocentric reference system.

Two aspects of the well-known backward masking deficit in schizophrenic patients are investigated in the last chapter. By means of psychophysical measurements it is shown in the first part that the deficit is neither due to prolonged visible persistence nor to a general slowing down of information processing. The difficulty for the patient appears to lie rather in the processing of stimuli with high temporal vicinity when they are additionally presented close together. In the second part it is shown that schizophrenic patients can perform as well as healthy controls in a backward masking task with additionally presented collinear contextual elements, when the stimulus configuration is individually adjusted. This suggests that in schizophrenic patients excitatory but not inhibitory neural connections are modified.

45

II Störungen der „frühen“ visuellen Verarbeitung aufgrund zerebraler Schädigungen

47

1 Fallstudie – Modalitäts- und quadranten-spezifische visuelle Wahrnehmungsschwellen

Schütze C & Fahle M (2005) Selektive Defizite visueller Teilfunktionen. Forschung und Diagnostik. Jahrestagung der Gesellschaft für Neuropsychologie,Bremen 06. – 08.10.2005

Abstract

Schädigungen visueller Kortizes führen zur Beeinträchtigung der visuellen Informationsverarbeitung. Die Auswirkungen einer umschriebenen Schädigung in extrastriären frühen visuellen Arealen (V2-V4) sind bisher wenig erforscht. Unklar ist sowohl, ob derartige Läsionen zu einem Gesichtsfelddefekt führen, als auch, welche Wahr-nehmungseinschränkungen mit ihnen verbunden sind. Wir untersuchten einen Patienten (HPK) mit einer kortikalen Läsion von Teilen des ventralen zweiten visuellen Areals (V2). Für die differenzierte Bestimmung seiner Wahrnehmungsleistungen verwendeten wir eine sogenannte 4-alternative forced choice Aufgabe, bei der entschieden werden musste, welcher von vier kurz und simultan präsentierten Reizen sich hinsichtlich eines Merkmals von den anderen unterscheidet. Die verwendeten Reize waren entweder durch einfache oder durch komplexe Merkmale definiert.

Mithilfe funktioneller kernspintomographischer Aufnahmen und psycho-physikalischer Messungen konnte gezeigt werden, dass 1) eine Schädigung extrastriärer Areale hinreichend ist, um einen Gesichtsfeld-ausfall hervorzurufen und 2) dass darüber hinaus die Verarbeitung bestimmter Reizmerkmale auch im Restgesichtsfeld des betroffenen Gesichtsfeldquadranten gestört ist.

Kapitel II – Störungen der frühen visuellen Verarbeitung 48

1.1 Einleitung Ein Gesichtsfeldausfall bzw. ein Skotom ist eine Störung der Leucht-dichteempfindlichkeit in einem definierten Bereich der (bei unbewegtem Blick) wahrnehmbaren Außenwelt. Ein zerebral bedingter Ausfall manifestiert sich oft in einer völligen Lichtunempfindlichkeit, d.h. zerebralen Blindheit, und ist immer auf eine Schädigung des primären visuellen Verarbeitungspfades zurückzuführen. Dabei lässt die Art des Gesichtsfeldausfalles Rückschlüsse auf den Ort der Schädigung zu. Post-chiasmatische Läsionen führen immer zu homonymen Gesichts-feldeinschränkungen, d.h. unabhängig davon, mit welchem Auge die Außenwelt betrachtet wird, erstreckt sich der Ausfall über gleiche Bereiche. Während Gesichtsfeldausfälle aufgrund einer Schädigung des primären visuellen Kortex beim Menschen vielfach beschrieben wurden, ist weitgehend unklar, ob eine Schädigung der angrenzenden sekundären visuellen Areale (Brodmann Areale 18 und 19 bzw. V2 und V3) ebenfalls zu einer Einschränkung des Gesichtsfeldes führt. Weiter unklar ist, ob andere Defizite der visuellen Verarbeitung im (Rest-)Gesichtsfeld nachweisbar sind.

Die Schwierigkeit, einen solchen Nachweis zu erbringen, ist dem Umstand geschuldet, dass erworbene Schädigungen des Gehirns fast immer mehrere kortikale Areale betreffen. Im Besonderen sind bei einem Infarkt der zerebralen posterioren Arterie, welche die Blut-versorgung des okzipitalen Kortex gewährleistet, neben sekundären visuellen Arealen in der Regel auch der primäre visuelle Kortex sowie die Sehstrahlung betroffen. Sind dagegen ausschließlich visuelle Assoziationskortizes verletzt, ist die Läsion oft so ausgedehnt, dass sie bis in die temporalen Anteile des Kortex reicht. Sehr kleine und umschriebene Läsionen, die hypothetisch nur V2 oder V3 betreffen, sind im klinischen Alltag extrem selten. Das ist möglicherweise dadurch zu erklären, dass eine solch kleine Schädigung zu keinerlei subjektiv erlebtem Funktionsausfall führt und sich Betroffene gar nicht in Behandlung begeben.

Horton und Hoyt (1991) haben erstmals postuliert, dass eine Schädigung der sekundären visuellen Areale (V2, V3) hinreichend ist,

Fallstudie – Patient HPK 49

um eine Quadrantenanopsie hervorzurufen. Die von ihnen beschriebenen Patienten hatten jedoch relativ große Schädigungen im parieto-okzipitalen Kortex, so dass zwar die Unversehrtheit der FissuraCalcarina und damit des primären visuellen Kortex sicher festgestellt werden konnte, aber unklar bleiben musste, ob die Sehstrahlung (Radiatio optica) betroffen war. Als Hauptargument gegen eine Schädigung der Radatio optica wurde angeführt, dass der Gesichtsfeld-ausfall beider Patienten sehr präzise durch die Meridiane begrenzt wurde. Dagegen führt eine Schädigung der Sehstrahlung typischerweise zu diffusen Ausfallgrenzen (ebd.).

In einem weiteren Fallbericht zeigten Slotnick und Moo (2003) bei einem Patienten mit einer strukturell nachgewiesenen Schädigung im ventralen okzipitalen Kortex, dass eine Schädigung extrastriärer visueller Areale ursächlich für den korrespondierenden Quadrantenausfall ist, da mittels funktioneller Bildgebung eine Aktivierung des primären visuellen Kortex (V1) und der angrenzenden Areale (V2, V3) hervorgerufen werden konnte.

In der einzigen Studie, die über die funktionellen Folgen einer selektiven Läsion im visuellen Areal V2 des Makaken berichtet, findet sich dagegen weder ein Hinweis auf eine substantielle Verringerung der Kontrast-empfindlichkeit, noch auf eine Herabsetzung der Sehschärfe im korrespondierenden Teil des Gesichtsfeldes (Merigan et al., 1993). Jedoch resultierte eine erhebliche Leistungsminderung bei einer Konturintegrationsaufgabe sowie bei der räumlichen Gruppierung unter-schiedlicher Orientierungen aus der Schädigung (ebd.).

Insgesamt ergibt sich aus den bisherigen strukturellen und funktionellen Analysen extrastriärer visueller Areale, die zu einem Quadrantenausfall führen, kein einheitliches Bild. Doch nicht nur die Frage, ob eine Schädigung kortikaler Areale nach V1 zu zerebraler Blindheit führen kann, sondern auch die Frage, ob es zu sonstigen visuellen Defiziten kommt, ist bisher nicht hinreichend geklärt. Da die visuelle Verarbeitung mindestens bis V3 einer strengen Retinotopie folgt (vgl. Abb. 1-1), muss die theoretische Folge einer auf V2 oder V3 begrenzten Schädigung eine nachweisbare quadrantenspezifische Funktionseinschränkung sein. Einige wenige Arbeiten bestätigen diese Vorhersage. So wird nach einer


kortikalen Schädigung die ohnehin geringere Kontrastsensitivität im betroffenen Gesichtsfeldquadranten wesentlich herabgesetzt, wenn zusätzliches Rauschen den Stimulus maskiert (Hayes & Merigan, 2007). Auch beim Affen führt eine Schädigung von V4 bzw. dem angrenzeden TEO zu einer quadrantenspezifischen Leistungsminderung bei der Diskrimination von Orientierungen, wenn der Kontrast zusätzlich dargebotener Distraktoren erhöht wird (De Weerd et al., 1999).

Abb. 1-1 Schematische Darstellung des visuellen Kortex (Grill-Spector & Malach, 2004) Gezeigt ist das entfaltete Gehirn der rechten Hemisphäre. Der hierarchische Aufbau ist durch die Stufung angedeutet. Die Repräsentation des zentralen Gesichtsfeldes (C) ist im Vergleich zur Peripherie (P) vergrößert. Der linke obere Gesichtsfeldquadrant (P-U) wird im Kortex ventral abgebildet. Erst in V3a bzw. hV4 ist das gesamte linke Gesichtsfeld kodiert. Höhere visuelle Areale wie LO, FFA oder PPA repräsentieren eher ganze Objekte (O), Gesichter (F) oder Plätze (Pl).

Eine weitere sehr eindrucksvolle Einzelfallstudie stammt aus der Arbeitsgruppe von Jack Gallant. In dieser Arbeit konnte mit rein psycho-physikalischen Methoden der Nachweis erbracht werden, dass eine


extrastriäre kortikale Schädigung zu einem visuellen Defizit im korrespondierenden Quadranten führt (Gallant et al., 2000). Das Besondere hierbei war, dass der beschriebene Patient nicht unter einer Einschränkung seines Gesichtsfeldes litt. Da diese Studie die Grundlage für die vorgestellte eigene Arbeit bildet, soll sie im Folgenden kurz näher geschildert werden.

Der untersuchte Patient AR erlitt einen Infarkt der rechten posterioren zerebralen Arterie. Die resultierende persistierende Schädigung war ca. 4mm lang und zog sich vom fusiformen zum lingualen Gyrus (vgl. Abb. 1-2.). Aufgrund dieser Lage sowie einer nachweisbaren Achromatopsie im linken oberen Quadranten vermuteten die Autoren eine Schädigung in V4v.

Abb. 1-2 Schädigung des Patienten AR (Gallant et al., 2000) Links: Coronalansicht. Mitte: Horizontalansicht. Rechts: Saggitalansicht. Die Pfeile kennzeichnen die Schädigung.

Da AR bis auf ein perifoveales Skotom (ca. 0,5° Durchmesser bei 2° Exzentrizität) über ein freies Gesichtsfeld verfügte, wurden für jeden einzelnen Gesichtsfeldquadranten mithilfe eines Straircase-Verfahrens Wahrnehmungsschwellen für spezifische Reize in 12° Exzentrizität bestimmt (Reizgröße 6°).


Abb. 1-3 Verwendete Reize der Einzelfallstudie von Gallant et al. (2000) A) Intensitätsdefinierte Scheibe. B) Orientierte sinusförmige Gitter. C) Sinusförmige bewegte Gitter D) Orientierung zweiter Ordnung. E) Konzentrische Glass-Pattern. F) Spiralförmige Muster. G) Form (Kreis).

Die verwendeten Reize testeten dabei sowohl visuelle Basisfunktionen, wie Lichtempfindlichkeit, Orientierungs- und Bewegungssehen (vgl. Abb. 1-3A-C), als auch Zwischenstufen der Formerkennung (Abb. 1-3D-G). Die Stimuli zur Formdiskrimination waren so gewählt, dass sie spezifische (V2 und/oder V4v zugeschriebene) Eigenschaften der Informationsverarbeitung testen sollten (Gallant et al., 2000).

In den Ergebnissen aller getesteten Basisfunktionen zeigte AR vergleichbare Wahrnehmungsschwellen in den vier Gesichtsfeld-quadranten. Hingegen waren die Schwellen für alle Formunter-scheidungsaufgaben ausschließlich im geschädigten Quadranten signifikant erhöht. Aufgrund dieser Ergebnisse und der genauen Lokalisation der Schädigung schlussfolgerten die Autoren, Patient AR leide unter einer selektiven V4v Schädigung und das menschliche V4 habe daher homologe Eigenschaften zum V4 des nicht-humanen Primaten. Beachtenswert ist, dass diese Ergebnisse für eine Quadranten- und gegen Halbfeldrepräsentation in V4v beim Menschen sprechen, was nach wie vor umstritten ist (Hadjikhani et al., 1998; Wade et al., 2002; Wandell et al., 2007).

In der nun folgenden eigenen Fallstudie soll mittels bildgebender und psychophysikalischer Methoden die vermutete V2v Schädigung eines


39-jährigen Patienten nachgewiesen und ihre Folgen für die visuelle Verarbeitung sollen beleuchtet werden. Dabei gehen die psycho-physikalischen Experimente von der Annahme aus, dass in den frühen visuellen Arealen (V1-V5) jeweils spezifische Stimuluseigenschaften bevorzugt verarbeitet werden. Die Zuordnung von Eigenschaften zu Arealen wird im Methodenteil erläutert.

Angenommen wird weiter, dass 1) nach einer Schädigung in extrastriären Arealen trotzdem eine normale Aktivierung des primären visuellen Kortex zu beobachten ist und dass 2) die Wahrnehmungs-schwelle im korrespondierenden Quadranten des Gesichtsfeldes für spezifische Reize erhöht ist.

1.2 Patient HPK

1.2.1 Demographische Daten Der hier vorgestellte Patient HPK ist männlich, geboren im Mai 1966 und Rechtshänder. Im Februar 2003 erlitt er einen Infarkt der rechten arteria cerebri posterior und wurde in der Neurologischen Abteilung des Krankenhauses Bremen Ost stationär behandelt. Die Untersuchungen begannen zwei Jahre später. Nach diesem Zeitraum kann von einer vollständig abgeschlossenen Reorganisation der zerebralen Strukturen ausgegangen werden (Cramer, 2008). Der Patient berichtet, dass er kein bewusstes Erleben seines Gesichtsfeldausfalls nach links habe. Einzig unter bestimmten Beleuchtungsbedingungen, wie z.B. durch Neonröhren, erlebe er eine Verengung des Gesichtsfeldes.

Die Primärfunktionen des Sehens zeigen keinerlei Auffälligkeiten. So verfügt HPK über einen sehr guten binokularen Fern- und Nahvisus (1,6 bzw. 1,0), intaktes Stereosehen (Titmusringe, 40arcsec) sowie vollständige Farbtüchtigkeit (Ishihara-Tafeln).

1.2.2 SchädigungEin hoch aufgelöstes strukturelles Kernspin zeigt im Mai 2005 eine kleine umschriebene Schädigung im anterioren Teil des rechten lingualen Gyrus (vgl. Abb. 1-4), bei unverletzter Fissura Calcarina.


Abb. 1-4 Schädigung des Patienten HPK Links: Coronalansicht. Mitte: Horizontal-ansicht. Rechts: Saggitalansicht. Die Pfeile kennzeichnen die Schädigung (schwarz umrandet), bzw. die Fissura Calcarina (klein und weiß).

1.2.3 GesichtsfeldDie erste Gesichtsfelduntersuchung des Patienten erfolgte bereits 2003 im Klinkum-Bremen-Ost mittels des klassischen Goldmann-Perimeters und zeigte einen relativen Gesichtsfeldausfall im linken oberen Quadranten (vgl. Abb. 1-5), da lediglich für die kleinste verwendete Marke (I3e) eine deutliche Einschränkung der Gesichtsfeldgrenzen im oberen linken Quadranten zu erkennen ist.

Abb. 1-5 Goldmann-Perimetrie HPK im Februar 2003 Links: Untersuchung des linken Auges. Rechts: Untersuchung des rechten Auges. Blaue Isoptere: V4e. Grüne Isoptere: I4e, Rote Isoptere: I3e.


Im Mai 2005 wurde die kinetische Untersuchung des Gesichtsfeldes – diesmal mit dem Tübinger Automatik-Perimeter – wiederholt (vgl. Abb. 1-6). Auch hier zeigte sich ein freies Gesichtsfeld für die größte verwendete Marke (III4e), sowie eine relative Einschränkung für beide kleinen Marken (I4e, I2e) im linken oberen Quadranten auf beiden Augen.

Abb. 1-6 Kinetische Perimetrie HPK im April 2005 Links: Untersuchung des linken Auges. Rechts: Untersuchung des rechten Auges. Verwendete Marken: III4e, I4e, I2e

Um genaueren Aufschluss über den zentralen Bereich des Gesichts-feldes zu erhalten, wurde zusätzlich eine statische Perimetrie der zentralen 20° durchgeführt (vgl. Abb. 1-7). Hier zeigte sich ein intaktes Restgesichtsfeld von ca. 10° im linken oberen Quadranten, die übrigen Quadranten waren unauffällig.


Abb. 1-7 Statische Perimetrie HPK im April 2005 Links: Untersuchung des linken Auges. Rechts: Untersuchung des rechten Auges.

1.3 Methoden

1.3.1 Strukturelle und funktionelle Magnet-Resonanz-Tomographie

Für die hochauflösenden strukturellen Aufnahmen des Gehirns, zur Segmentierung grauer und weißer Substanz, wurde an einem Siemens Magnetom Avanto (1,5 Tesla) eine zweifach gemittelte tomographische Untersuchung durchgeführt. Das dreidimensionale Datenset wurde mittels einer T1-gewichteten, saggitalen MP-Rage-Sequenz (TR/TE = 1160/4ms, Größe der Voxel 1mm3) aufgenommen und mit kommerzieller Software (BrainVoyagerQX) ausgewertet.

Auch die funktionellen Aufnahmen entstanden im 1,5-Tesla Scanner (EPI-Sequenz, TR/TE = 3270/50ms, 38 Schichten, FoV=192mm, 64x64 Matrix, Größe der Voxel 3,0 x 3,0 x 2,7mm). Das Protokoll sah für jede Stimulationsbedingung sechs Volumina, für jede Ruhebedingung acht Volumina vor.

1.3.1.1 Retinotope Kartierung der Meridiane

Die funktionelle Abgrenzung der frühen visuellen Areale beruht auf hinreichend bekannten Verfahren (Sereno et al., 1995; Engel et al., 1997; Slotnick & Yantis, 2003). Für die effiziente Umsetzung wurde in


einem Blockdesign abwechselnd der horizontale bzw. vertikale Meridian gereizt. Der verwendete Stimulus war kein Schachbrettmuster, sondern ein Ausschnitt aus einem bekannten Trickfilm. Jeder der zwei Durch-gänge wiederholte die Stimulationsblöcke je 12-mal (siehe Abb. Abb. 1-8und Abb. 1-11).

Abb. 1-8 Versuchsprotokoll Meridiankartierung. Dargestellt ist der Versuchsverlaufüber die Zeit in Messvolumina. Die Bedingungen sind farbig kodiert (gelb: horizontal, blau: vertikal, grau: Ruhebedingung).

1.3.1.2 Retinotope Kartierung der Gesichtsfeld-Exzentrizität

Für das Exzentrizitätsmapping wurden insgesamt fünf Ringe in unter-schiedlichen Exzentrizitäten dargeboten. Auch hier war kein Schach-brettmuster, sondern der Trickfilm zu sehen. Das balancierte Blockdesign wiederholte jede Bedingung sechsmal, insgesamt wurden zwei Durchgänge durchgeführt (siehe Abb. 1-9 und Abb. 1-11).

Abb. 1-9 Versuchsprotokoll Exzentrizitätskartierung. Dargestellt ist der Versuchs-verlauf über die Zeit in Messvolumina. Die Bedingungen sind farbig kodiert (grün: Ring 1, blau: Ring 2, pink: Ring 3, gelb: Ring 4, braun: Ring 5, grau: Ruhebedingung).


1.3.1.3 Auswertung der funktionellen Kernspintomographie

Die Vorverarbeitung und Auswertung der funktionellen Daten fand mit BrainVoyagerQX statt und folgte der üblichen Vorgehensweise zur Artefaktbereinigung (Bewegungskorrektur, Zeitkorrektur, Entfernung linearer Trends, zeitliche High-Pass-Filterung, keine räumliche Glättung).

Die hochauflösende strukturelle Aufnahme diente zur Segmentierung von grauer und weißer Substanz, um das Gehirn HPK´s dreidimensional rekonstruieren zu können. Aus der dreidimensionalen Abbildung wurde eine sogenannte Flatmap erstellt, auf der die Kontraste (horizontal vs. vertikal, bzw. Ring 1-4 vs. Baseline) dargestellt werden konnten. Es ist zu beachten, dass die kortikale Schädigung nicht in der Rekonstruktion enthalten ist, da die Software nur vorhandene Gewebe darstellen kann.

1.3.2 Psychophysikalische Experimente

1.3.2.1 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung

Alle psychophysikalischen Versuche fanden unter Verwendung einer Kinnstütze in einem Abstand von 30 cm zu einem 21 Zoll Kathoden-strahlröhrenbildschirm der Firma EIZO (FlexScan F784-T) statt. Die Reize wurden mit einer Auflösung von 1280 x 1024 Pixel sowie einer Bildwiederholfrequenz von 75 Hz dargestellt. Die verwendeten kreisförmigen Reize hatten einen Durchmesser von 5 °, ihr Mittelpunkt wurde in einer Exzentrizität von � 8,5 ° auf einem grauen Hintergrund (� 42 cd/m2) dargeboten. Aufgabe der Probanden bestand darin, einen vor Versuchsbeginn definierten Reiz bzw. Reizunterschied zu entdecken und über eine Tastatur dessen Position anzugeben. Bei dieser sogenannten 4-alternative-forced-choice Methode waren die zeitlichen Parameter so gewählt, dass eine Reaktion auf den Reiz erfolgen musste, um die nächste Darbietung zu starten. Eine einzelne Testdarbietung (Trial) bestand aus 500ms Reizpräsentation, der Antwort und zusätzlichen 500ms Pause zwischen den Trials (vgl. Abb. 1-10). Je Modul wurden 240 Trials durchgeführt.

Die Bestimmung der Wahrnehmungsschwelle erfolgte innerhalb eines Versuchsdurchlaufes für jeden Gesichtsfeldquadranten separat (auf jeden Quadranten entfielen randomisiert 60 Trials). Die den Versuchs-


verlauf steuernde Methode war QUEST (Quick Estimation by Sequential Testing, Watson & Pelli, 1983).

Die Probanden wurden darauf hingewiesen, dass die Fixation während der Untersuchung beizubehalten sei. Die Fixationskontrolle erfolgte visuell durch den Versuchsleiter. Alle Versuche wurden binokular durchgeführt.

Abb. 1-10 Schema des Untersuchungsablaufs.

1.3.2.2 Getestete Module

Dreizehn Module, die entsprechend der unterstellten Verarbeitungs-hierarchie des visuellen Kortex ausgearbeitet worden waren, kamen zur Anwendung. In den folgenden Beschreibungen werden die spezifischen Konfigurationen der einzelnen Module geschildert, sowie ihre Einordnung in die visuelle Verarbeitungshierarchie erläutert. Generelle Einstellungen und Instruktionen finden sich in Tab. 1-1.

Kontrastdetektion und -diskrimination

Der zu detektierende Reiz in der einfachen Kontrastaufgabe war Leuchtdichte-definiertes Sinusgittermuster mit einer Ortsfrequenz von einer Periode pro Sehwinkelgrad. Die wichtigsten Parameter sind für alle Module in Tab. 1-1 aufgeführt und werden hier einmal exemplarisch


anhand des Moduls Kontrastdetektion erläutert. Start- und Basiswert geben den jeweilig möglichen Bereich der Messung bezüglich Maximum und Minimum an. Ein Startwert von 100% Kontrast, verbunden mit einem Basiswert von 0% Kontrast, bedeutet also, dass die Intensität des Sinusgitters zwischen 0 und 100% liegt (also ca. zwischen 1 und 84cd/m2). Über QUEST wurde nun während des Versuches die Amplitude (d.h. der maximalen Intensitätsunterschied) des Sinusgitters verändert, um so die Wahrnehmungsschwelle zu bestimmen. Die Aufgabe bestand darin, anzugeben, in welchem Quadranten ein Gitter zu sehen war. Im Modul Kontrastdiskrimination wurden zusätzliche Sinusgitter, deren Intensitätsamplitude um die Hälfte reduziert war (Basiswert 50 %), in den anderen Quadranten dargeboten (siehe Abb.1-12).

Wie die klassische statische Perimetrie testen diese beiden Module letztlich die Leuchtdichteunterschiedsempfindlichkeit am Ort der Präsentation. Auf der kortikalen Ebene wird der Kontrast eines Sinus-gitters bereits in V1 encodiert (Tootell et al., 1998) und gibt auf der Verhaltensebene Aufschluss darüber, ob der primäre Pfad der Informationsverarbeitung intakt ist.

Orientierung und Orientierung zweiter Ordnung

Die verwendeten Sinusgitter wiesen wie in den Kontrastaufgaben eine Ortsfrequenz von einer Periode pro Sehwinkelgrad auf. Die illusionäre Orientierung (zweite Ordnung) entstand durch eine Verschiebung der Phase (siehe Abb. 1-13).


Tab. 1-1 Spezifikationen der verwenden Reize

ModulQuest

Modulation über

Startwert QUEST

Hintergrund bzw.

Distraktoren Basiswert

QUEST

Instruktion: Bitte geben Sie per Tastendruck an, in

welchem Quadranten…

Kontrast- Detektion Kontrast 100% grauer

Hintergrund 0% … etwas zu sehen ist.

Kontrast-Diskrimination Kontrast 100%

Sinusgitter auf grauem

Hintergrund 50% … der stärkste

Kontrast zu sehen ist.

Orientierung Orientierung 72°Sinusgitter auf

grauemHintergrund

0°(horizontal)

… die Orientierung von den anderen

Quadranten abweicht.

Orientierung 2.Ordnung Orientierung 72°

Orientierung zweiter

Ordnung

0°(horizontal)

… die Orientierung von den anderen

Quadranten abweicht. Figur-Grund-

Unterscheidung (Geschwindigkeit)

Bewegungs-geschwindig-

keit10°/s schwarze

bewegte Punkte 2°/s … sich die Punkte schneller bewegen.

Figur-Grund-Unterscheidung

(Bewegungs-richtung)

Bewegungs-richtung 90°

schwarze bewegte Punkte

(3°/s) 0°

… sich die Punkte in eine andere Richtung

bewegen.

Stereoskopische Tiefe Disparität 40arcmin konstante

Disparität 10arcmin… sich die Punkte

dreidimensional vom Hintergrund abheben.

Bewegungs-diskrimination

Bewegungs-geschwindig-

keit3Hz

konstanteBewegung in

Phase1Hz … sich der Reiz

schneller bewegt

Farbe Farbwert 100% Rot

Rot(R/G/B)= 60/0/0%

Grün(R/G/B)= 0/40/0%

0% Rot … mehr rot zu sehen ist.

Glass-Pattern konzentrisch

Signal to Noise Ratio

(SNR)100 SNR

schwarze Punkte auf

grauemHintergrund

0 SNR … eine Struktur zu sehen ist.

Glass-Pattern radial

Signal to Noise Ratio

(SNR)100 SNR

schwarze Punkte auf

grauemHintergrund

0 SNR … eine Struktur zu sehen ist.

Form-diskrimination

radialeAmplitude der

Form50arcmin

Schwarze Kreise auf

grauemHintergrund

0arcmin … kein! Kreis zu sehen ist.

Krümmungs-diskrimination

radialeAmplitude der

Form120arcmin

Schwarze gekrümmte

Formen mit je 3 Struktur-einheiten

10arcmin… die stärkste

Krümmung zu sehen ist.


Einzelne Neurone in V1 reagieren selektiv auf unterschiedliche Orien-tierungen (Hubel & Wiesel, 1962). Neurone mit ähnlicher Orientierungs-präferenz sind konzentrisch nebeneinander angeordnet und bilden die so genannten Pinwheels (ein Pinwheel beinhaltet alle Orientierungen, benachbarte Pinwheels schließen mit ähnlicher Orientierung an; Bonhoeffer & Grinvald, 1991). Von Orientierungen zweiter Ordnung, d.h. solchen, die entweder durch eine illusionäre Kontur wie bei Kanizsa-Dreiecken (Kanizsa, 1976) oder durch eine Phasenverschiebung angrenzender Orientierungen entstehen, nimmt man an, dass sie erst ab V2 codiert werden (von der Heydt & Peterhans, 1989; Ffytche & Zeki, 1996).

Figur-Grund-Unterscheidung

Beide Aufgaben zur Figur-Grund-Unterscheidung waren über eine Bewegung von 8000 Punkten (je 6,6 arcmin groß) realisiert. So wurde entweder die Richtung der Bewegung konstant gehalten und der Zielreiz war durch einen Geschwindigkeitsunterschied zum Hintergrund definiert, oder der Zielreiz hob sich bei konstanter Geschwindigkeit durch einen Richtungsunterschied in der Bewegung vom Hintergrund ab. Die Darbietungsdauer betrug 800ms und der Zielreiz hatte die Form eines Quadrats (siehe Abb. 1-14).

Bewegungssensitive Neurone finden sich in vielen kortikalen Arealen. Fast ausschließlich mit der Verarbeitung von Bewegungsinformationen beschäftigt ist V5 (Zeki, 1974; bzw. MT; Zeki et al., 1991).

Da bei dieser Aufgabe an den Grenzen zwischen Zielreiz und Hinter-grund ebenfalls eine illusionäre Kontur entsteht, kann davon ausgegangen werden, dass sie ab V2 repräsentiert ist. Generell wird V2 eine wesentliche Rolle bei der Figur-Grund Unterscheidung zugeschrieben (Baumann et al., 1997; Likova & Tyler, 2008).

Stereoskopische Tiefe

Der Eindruck stereoskopischer Tiefe wurde durch das Anaglyphen-Verfahren erreicht. Um die Signale für rechtes und linkes Auge zu trennen, trugen die Probanden während des Versuches eine Rot-Grün-Brille. Der Zielreiz hatte erneut die Form eines Quadrats (Abb. 1-13).


Auf allen Stufen (V1 bis V5) der frühen visuellen Informations-verarbeitung finden sich disparitätssensitive Zellen. Beim Menschen wird besonders Areal V3a eine relative Spezialisierung für stereoskopisches Sehen zugeschrieben (Backus et al., 2001).

Bewegungsdiskrimination

Die verwendeten Sinusgitter wiesen eine Ortsfrequenz von einer Periode pro Sehwinkelgrad auf, waren vertikal orientiert und bewegten sich in horizontaler Richtung.

Die Einordnung dieses Reizes in die Verarbeitungshierarchie ist ähnlich der bereits beschriebenen bewegungsdefinierten Figur-Grund-Unterscheidung. Im Unterschied zur Figur-Grund-Unterscheidung ist im Modul Bewegungsdiskrimination keine Form zu detektieren, sondern die Aufgabe bezieht sich direkt auf die Bewegungsgeschwindigkeit, die mit einem für V5 optimierten Reiz (Sinusgitter mit geringer Ortsfrequenz) durchgeführt wurde.

Farbe

In diesem Modul wurden je vier vollflächig farbige Kreise dargeboten.

Den primären visuellen Kortex erreicht die Farbinformation zunächst in den Blobs der Schichten 3 und 4 (Hubel, 1986). Beim Menschen findet man, dass das ventral an V3 grenzende Areal (hV4v) sensitiv für Farb-informationen ist (Zeki, 1974; McKeefry & Zeki, 1997; Bartels & Zeki, 2000).

„Glass-Pattern“

Verwendung fanden sowohl bewegte konzentrisch geordnete, als auch statische radial geordnete Glass-Pattern (Glass, 1969; Glass & Perez, 1973). Die Größe der musterbildenden schwarzen Punkte betrug jeweils 3,3arcmin (vgl. Abb. 1-12).

Zur Beantwortung der Frage, ab welcher Stufe der Informations-verarbeitung Glass-Pattern erkannt werden können, gibt es nur wenig Hinweise. Aufgrund einiger Experimente an nicht-humanen Primaten vermutet man, dass Neurone in V2 zwar die lokale Struktur der Muster detektieren können, jedoch die globale Form erst später in der


Verarbeitung (z.B. in V4) codiert wird (Mandelli & Kiper, 2005; Smith et al., 2007).

Form- und Krümmungsdiskrimination

Die Stärke beider formbildenden Konturen betrug 3,3 arcmin.

Vermutlich werden einfache Krümmungen, genau wie gerade Kanten bereits in V1 codiert (Dobbins et al., 1987). Das neuronale Substrat für zusammengesetzte, komplexere Reize und Formen wird dagegen eher den Verarbeitungsstufen V2 bzw. V4 zugeschrieben (Gallant et al., 1993; Hegde & Van Essen, 2007).

1.3.2.3 Kontrollgruppe

Fünf Männer im Alter von 37 bis 44 Jahren (40,6 ± 3,2) bildeten die Kontrollgruppe. Alle Probanden verfügten über normale Sehschärfe, Farbtüchtigkeit und Stereosehen.

1.3.2.4 Auswertung

Die Ermittlung der Wahrnehmungsschwellen aller psychophysikalischen Experimente aus den Rohdaten erfolgte über die Anwendung eines Fit-Algorithmus (Probit- bzw. Likelihoodanalyse) posthoc. Da die Rate-wahrscheinlichkeit bei einer 4AFC-Aufgabe bei 25% liegt, hat die psychometrische Funktion ihren Wendepunkt (d.h. die Schwelle) bei 62,5% korrekter Antworten.

Die Ergebnisse der Kontrollpersonen wurden für jeden Probanden über die vier Quadranten gemittelt, um daraus den Gruppenmittelwert sowie die Streuung für die einzelnen Module zu errechnen. Die Ergebnisse HPK’s wurden über die zwei Wiederholungen für jeden Quadranten und jedes Modul separat gemittelt.


1.4 Ergebnisse

1.4.1 Funktionelle Kernspintomographie Die Aktivierungen des visuellen Kortex unter den spezifischen Bedingungen der Meridian- und Exzentrizitätsstimulation sind in Abb. 1-11 zusammengestellt.

Obwohl die Aktivierungen in der rechten (geschädigten) Hemisphäre generell etwas niedriger waren als in der linken, ist es möglich die frühen visuellen Areale (V1-V3) beidseits zu kartieren. Zu erreichen ist die Kartierung durch den retinotopen Aufbau des visuellen Kortex. Da die Areale V1-V3 jeweils einen Quadranten repräsentieren, liegen die funktionellen Grenzen zwischen den Arealen jeweils in der Mitte der Repräsentationen des horizontalen bzw. vertikalen Meridians.

In beiden verwendeten Paradigmen ist eine intakte Aktivierung von V1 zu beobachten, was darauf schließen lässt, dass die Netzhautsignale das primäre visuelle Areal erreichen.


Abb. 1-11 Ergebnisse der funktionellen Kernspintomographie Links: räumliche Konfiguration der visuellen Stimulation (oben) und zugehöriges Aktivierungsmuster(unten) der Kartierung der visuellen Meridiane. Rechts: Kartierung der Exzentrizitäten. Mitte unten: zweidimensionale Rekonstruktion beider Hemisphären. Die Umrandung zeigt den der Schädigung am nächsten gelegenen Ort auf der Rekonstruktion.Der graue Bereich in den oberen Abbildungen spiegelt den Gesichtsfeldausfall HPK’s wider. Die weißen Pfeile in den unteren Abbildungen zeigen intakte Aktivierungen in V1 der geschädigten Hemisphäre.

dorsal

L R

ventral

V3v V2v V1v V1v V2v V3v

V3d V2d V1d

V1d V2d V3d


1.4.2 Psychophysikalische Experimente Die Ergebnisse der quadrantenspezifischen Schwellenperimetrie werden im folgenden Abschnitt einzeln dargestellt. Der Normbereich innerhalb der einzelnen Module wurde durch den Mittelwert der Kontrollgruppe plus/minus zwei Standardabweichungen festgelegt.

Kontrast-Detektion Kontrast-Diskrimination

vs. Zielreiz Hintergrund

vs. Zielreiz Distraktor

Abb. 1-12 Intakte Wahrnehmungsschwellen I Die Balken zeigen die gemittelten Schwellen HPK’s (±SE) für die vierQuadranten. Der Mittelwert der Kontrollgruppe ist durch dieschwarze Linie und zwei Standardabweichungen durchden grauen Bereich gekennzeichnet.



Glass-Pattern konzentrisch

Glass-Pattern radial


In zehn von 13 Modulen lagen die Wahrnehmungsschwellen des Patienten HPK im linken oberen Quadranten innerhalb des definierten Normbereichs (vgl. Abb. 1-12 und Abb. 1-13).

Abb. 1-13 Intakte Wahrnehmungsschwellen II Die Abbildungen sind nach dem gleichen Prinzip wie Abb. 1-12 aufgebaut.




Farbe Stereoskopische Bewegung Tiefe




Orientierung Orientierung zweiter Ordnung Krümmungen


In den Aufgaben zur Figur-Grund- sowie zur Formunterscheidung zeigten sich erhöhte Wahrnehmungsschwellen im linken oberen Quadranten (vgl. Abb. 1-14).

Abb. 1-14 Erhöhte Wahrnehmungsschwellen. Die weißen Balken zeigen die gemittelten Schwellen HPK’s (±SE) für die vier Quadranten. Der Mittelwert der Kontroll-gruppe ist durch die schwarze Linie gekennzeichnet. Der graue Bereich stellt zwei Standardabweichungen ober- und unterhalb des Mittelwertes dar.

Formunterscheidung Kreise

Figur-Grund Bewegungsrichtung

Figur-Grund Geschwindigkeit




1.5 Diskussion HPK weist trotz anatomisch und funktionell intakter Sehrinde (V1) einen Gesichtsfeldausfall im linken oberen Quadranten auf. Im Rest-gesichtsfeld dieses Quadranten zeigen sich keine Defizite in der Verarbeitung grundlegender visueller Reizeigenschaften wie Kontrast, Farbe, Orientierung und Bewegung. Jedoch finden sich im Vergleich zur Kontrollgruppe erhöhte Wahrnehmungsschwellen bei der Figur-Grund- und der Formunterscheidung im linken oberen Quadranten.

1.5.1 Die Repräsentation des Gesichtsfeldes im Kortex Durch unsere Untersuchungen und die eingangs beschriebenen Patienten, deren extrastriäre Läsionen mit einem Gesichtsfeldausfall einhergingen (Horton & Hoyt, 1991; Slotnick & Moo LR, 2003),


verdichten sich die Hinweise, dass eine Schädigung des primären visuellen Kortex (V1) beim Menschen keine notwendige Bedingung eines kortikal verursachten Gesichtsfeldausfalls ist.

Ein Gesichtsfeldausfall ist nach einer Läsion im primären visuellen Kortex relativ leicht zu erklären, da nahezu alle Fasern der Sehstrahlung auch V1 passieren. Um den Gesichtsfeldausfall aufgrund einer Schädigung nach V1 begründen zu können, muss man sich die Ver-schaltungen im visuellen Kortex genauer vor Augen führen. Beim Primaten unterhält V1 direkte und reziproke Verbindungen hauptsächlich zu V2, aber auch zu V3, V3a, V4 und MT (Felleman & Van Essen, 1991; Van Essen et al., 1992), d.h. die Signale werden über V1 nicht ausschließlich an das angrenzende V2, sondern auch an hierarchisch höher liegende Areale weitergeleitet. Trotzdem stellt die direkte Verbindung zwischen V1 und V2 die maßgebliche Schnittstelle zwischen striärem und extrastriärem Kortex dar (Kennedy & Bullier, 1985; Sincich & Horton, 2002). Das visuelle Areal V2 ist als eine gespiegelte und gefilterte Repräsentation von V1 zu verstehen. Die rezeptiven Felder der V2-Neurone sind größer, aber reagieren auf ähnliche räumliche und zeitliche Reizeigenschaften wie V1 (Foster et al., 1985). Ist das visuelle Areal V2 beschädigt, können sowohl aufsteigende (bottom-up) als auch absteigende (top-down) Projektionen keine Signale mehr über diesen Weg transportieren. Da sowohl parvo- als auch magnozelluläre Kanäle V2 passieren, bevor sie in höher liegende Areale weiterverschaltet werden, scheint die Repräsentation in V2 notwendig zu sein, um ein vollständiges Abbild der Außenwelt zu gewährleisten. Andere Verarbeitungspfade, wie zum Beispiel die direkte Verbindung von V1 nach V5, sollten jedoch ihre Funktionstüchtigkeit aufrechterhalten. Das könnte u. U. auch erklären, warum HPK in der kinetischen Perimetrie kaum einen Quadrantenausfall für die größte Isoptere aufweist.

Unklar ist, warum Untersuchungen über die Leuchtdichtesensitivität nach Schädigungen extrastriärer Areale beim Menschen (Horton & Hoyt, 1991) zu anderen Ergebnissen kommen als beim Makaken (Merigan et al., 1993). Allgemein wird angenommen, dass die frühe visuelle Verarbeitung beider Primaten homolog organisiert ist. Die wider-sprüchlichen Befunde zwischen den Spezies legen nahe, dass ab der Verarbeitungsstufe von V2 Unterschiede bestehen. Diese These wird


durch den nachweisbar unterschiedlichen zelluläreren Aufbau von V2 beim Menschen und Makken untermauert (Sherwood et al., 2007).

1.5.2 Stimulusverarbeitung in V2v Die Ergebnisse der psychophysikalischen Experimente zeigen, dass im intakten Restgesichtsfeld von HPK spezifische Reize schlechter verarbeitet werden als in den übrigen Quadranten. Auffällige Erhöhungen der Wahrnehmungsschwellen finden sich bei den Aufgaben zur bewegungsdefinierten Figur-Grund-Segmentierung sowie der Form-diskrimination. Zunächst scheint es plausibel, dass genau die Reize schlechter erkannt werden, die nahe der Wahrnehmungsschwelle vermutlich überhaupt nur durch Gruppierungsmechanismen wahr-zunehmen sind.

In der Literatur gibt es eine Reihe von Hinweisen, die nahe legen, dass die Figur-Grund-Segmentierung auf der Ebene von V2 stattfindet (Zhaoping, 2005; Qiu & von der Heydt, 2005; Qiu et al., 2007) und dies ist speziell für durch Bewegung entstehende Formen bereits nachgewiesen worden (Lui et al., 2005). Vermutet wird weiter, dass die Festlegung der Figur-Grund-Zugehörigkeit bereits durch laterale Inter-aktionen innerhalb des Areals V2 stattfindet und nicht auf Rück-projektionen höherer Areale angewiesen ist (Zhou et al., 2000; Ross et al., 2000; Craft et al., 2007).

Beim Menschen ist erst kürzlich gezeigt worden dass die bewegungs-definierte Figur-Grund-Segmentierung in der funktionellen Bildgebung zu einer starken Aktivierung von hMT+ bei gleichzeitiger Hemmung der Aktivität in frühen retinotopen Arealen, nämlich V1 und V2, führt (Likova & Tyler, 2008).

Da die Reize bei den Versuchen direkt an der Grenze zum geschädigten Gesichtsfeld HPK’s präsentiert wurden, ist es durchaus plausibel, dass die kortikale Schädigung auch laterale Verbindungen in der Repräsentation des intakten Bereiches betraf, was zu einer Erhöhung der Wahrnehmungsschwelle aufgrund unzureichender neuronaler Inter-aktionen führen könnte.

Nimmt man eine Schädigung des allgemeinen Gruppierungs- bzw. Integrationsprozesses auf der Stufe von V2 an, sollte auch im Stereo-


modul eine signifikante Erhöhung der Wahrnehmungsschwelle messbar sein, da der Unterschied zwischen beiden Modulen allein in der Definition des Targets (Disparität versus Bewegung) lag. Das war jedoch nicht der Fall. Insofern kann von einem Defizit des Gruppierungs-prozesses bei bewegegungsdefinierten Reizen ausgegangen werden.

Ist die Erhöhung der Wahrnehmungsschwelle doch auf eine Einschränkung in der Analyse von Bewegungssignalen zurückzuführen? Im einfachen Bewegungsmodul zeigte HPK keine Auffälligkeiten, jedoch hatte das verwendete Sinusgitter eine eher niedrige Raumfrequenz. Niedrige Raumfrequenzen bei bewegungsdefinierten Reizen werden bevorzugt durch das magnozelluläre System verarbeitet. Vermutlich benötigt das bewegungssensitive System zusätzlichen Input aus parvo-zellulären Eingängen, wenn die Raumfrequenz eher hoch ist (wie in den Aufgaben zur Figur-Grund-Unterscheidung). Eine alternative Erklärung der erhöhten Wahrnehmungsschwellen wäre dann, dass die Bewegungsinformation aus parvozellulären Kanälen aufgrund der Schädigung V2’s nicht mehr ausreichend ausgewertet werden kann.

1.5.3 Einschränkungen der Studie Das Problem von Einzelfallbeschreibungen ist grundsätzlich, dass die Stichprobengröße gleich eins ist. Trotzdem können die Erkenntnisse aus Einzellfallstudien zum theoretischen Verständnis der grundlegenden Mechanismen visueller Informationsverarbeitung beitragen, wenn die verwendeten Methoden einer genauen Prüfung standhalten. In unserer Fallbeschreibung und den hier verwendeten Methoden sind einige Aspekte kritisch zu bewerten.

Die gewählte Gewichtung der strukturellen Kernspin-Aufnahme des Kortex lässt nur schwer erkennen, ob auch weiße Substanz in den frag-lichen Bereichen des visuellen Kortex geschädigt ist. Um genaueren Aufschluss über die Möglichkeit der Schädigung der radatio optica zu erhalten, sollte eine kernspintomographische Aufnahme mit einer Gewichtung erfolgen, die auch beschädigte weiße Substanz hinreichend gut darstellen kann.

Auch die funktionellen Aufnahmen haben zwei Einschränkungen. Erstens ist der Bereich des Gesichtsfeldes, den wir im Magnetom


stimulieren können, relativ klein. Abhilfe könnte ein leicht veränderter Reizaufbau schaffen, indem z.B. der Fixationspunkt derart verschoben wird, dass die Stimulation im linken oberen Quadranten ausgedehnt werden kann. Zweitens sollte zur Sicherstellung der Fixation eine Blick-bewegungskontrolle erfolgen, die momentan noch nicht realisiert ist. Glücklicherweise ist HPK jedoch ein sehr kooperativer Patient, der die Bedeutung der Fixation versteht und konstant fixiert. Hätte er während der funktionellen Aufnahmen keine konstante Fixation halten können, wäre die Abgrenzung der frühen visuellen Areale nicht möglich gewesen.

Auch für die psychophysikalischen Experimente ist die fehlende auto-matisierte Fixationskontrolle ein Problem, das zumindest diskutiert werden muß. Die Präsentationsdauer der Reize war lang genug, dass die Möglichkeit bestand, Augenbewegungen zu initiieren und auszu-führen. Auch bei gewissenhafter Instruktion des Patienten und wiederholten Hinweisen darauf, dass die konstante Fixation während der Schwellenmessung äußerst wichtig ist, können wir Suchbewegungen der Augen nicht sicher ausschließen. Sollten derartige Kompensations-mechanismen während der Messungen stattgefunden haben, würden sie sich in den Ergebnissen eher zugunsten der Wahrnehmungs-schwellen ausgewirkt haben. In diesem Fall wären die gemessenen Schwellen eher zu niedrig als zu hoch und der wirkliche Defekt wäre ausgeprägter als in unseren Daten dargestellt.

1.5.4 Zusammenfassung und Ausblick Für einen Patienten mit einer vermuteten Schädigung im ventralen Areal V2 des visuellen Kortex zeigen wir, dass die Schädigung zu einem Gesichtsfeldausfall führt und dass im Restgesichtsfeld Funktions-einschränkungen in der Verarbeitung bestimmter visueller Reize zu finden sind. Die im letzten Abschnitt diskutieren Limitationen der Unter-suchungen hinterlassen sicher einigen Zweifel bezüglich der Interpretierbarkeit der Daten, daher sollten die Untersuchungen mit den vorgeschlagenen Verbesserungen wiederholt werden.

Außerdem wäre es zur Klärung der Frage, ob der Gruppierungs-mechanismus oder das Bewegungssystem funktionell eingeschränkt ist,


interessant die Wahrnehmungsschwellen auch für andere Eigenschaften des visuellen Systems (wie z.B. Orientierung) in einer Figur-Grund-Unterscheidungsaufgabe die auf Gruppierung beruht zu bestimmen. Zusätzlich könnte man auch für die bewegungsdefinierte Figur-Grund-Unterscheidung neben der reinen Detektion eine Formdiskrimination durchführen, um zu überprüfen, ob die Wahrnehmungsschwellen weiter ansteigen.

75

2 Deficits of attentional allocation in parallel and serial visual search after occipital brain damage

Grimsen C, Hildebrandt H, Fahle M (submitted to) Deficits of attentional allocation in parallel and serial visual search after occipital brain damage.

Abstract

Patients with unilateral strokes of the posterior brain artery often suffer from a visual field deficit and from additional disturbances in exploring the visual environment. Functional brain imaging studies have shown that cortical areas in the occipital and temporal lobes are involved in the allocation of global and local attention. Lesions in these areas therefore may lead to corresponding hemisphere-specific impairments of attentional allocation. We tested the visual search behaviour of 30 patients with either left or right posterior brain damage in both a parallel and a serial visual search paradigm, systematically varying the item- and array-centred positions of the critical target feature. Both patient groups showed specific contralesional array-centred omissions in parallel search – indicating deficits in global attentional allocation - and item-centred omissions in serial-search – indicating deficits in local attention. These deficits were not correlated with the extent of visual field loss or with typical attributes of neglect. Furthermore these deficits were not explained by additional damage to thalamus, parieto-occiptial or para-hippocampal regions. We conclude that occipital brain damage led to specific impairments in visual search depending on the required attentional allocation and that both hemispheres contribute equally to visual search behaviour at an early processing level.


2.1 Introduction Patients with occipital brain lesions always suffer from deficits in visual processing. Most common are contralesional visual field defects, with the extent depending on the exact size and site of the lesion. Other deficits, like memory disorders or spatial disorientation, that accompany occipital brain lesions are highly variable (Brandt et al., 2000). In particular, neglect has been rarely reported after isolated posterior artery stoke (Mort et al., 2003; Bird et al., 2006; Park et al., 2006).

Visual field defects may lead to inadequate behaviour in natural environments (like collision with obstacles) and/or reading impairments depending on the precise lesion site (Zihl, 1995a; Zihl, 1995b). Patients miss even relevant parts of the contralesional hemifield if they do not use appropriate compensatory strategies, e.g. exploratory head- and/or eye-movements towards the blind hemifield (Kerkhoff, 2000). It was proposed that conspicuous exploratory behaviour after occipital brain damage is due to additional damage of thalamus and/or parieto-occipital cortex (Zihl, 1995b), involvement of the parahippocampal region (Mort et al., 2003; Grimsen et al., 2008) or its connections to the angular gyrus (Bird et al., 2006).

Visual exploration deficits in patients with posterior brain lesions have been investigated using eye-movement recordings usually during inspection of dot patterns or visual scenes. These studies convincingly demonstrate that patients with visual field defects perform more fixations, saccades and repetitive scan paths into the affected hemifield (Ishiai et al., 1987; Zihl, 1995b; Pambakian et al., 2000). Only few studies tested the performance in visual search of patients with occipital damage by using visual search tasks. Behrmann and colleagues (2004) analyzed response slopes for increasing display sizes for visual feature and conjunction search after unilateral brain damage. The authors did not explicitly investigate the influence of hemianopia, but their large sample contained seven patients with left hemisphere damage and six with right hemisphere damage without neglect, but with a visual field defect. The presence of the visual field defect increased visual search times and response slopes in both feature and conjunction search and

Visual search after occipital brain damage 77

for both contralesional and ipsilesional targets. Similarly, patients performed slower and less precise in serial visual search after left hemisphere posterior damage, whereas right hemisphere posterior damage lead to specific omissions in the outmost contralesional column of the search display (Hildebrandt et al., 1999). The authors concluded that search performance after unilateral brain damage differs between hemispheres.

The experimental paradigm of visual search is widely used in healthy subjects and gave rise to theories of attention and feature binding (Treisman & Gelade, 1980; Desimone & Duncan, 1995; Verghese, 2001; Treisman, 2002). Through the feasibility of imaging studies, the neuronal correlates of visual search and accompanying attentional mechanisms were discovered during the past decade. Most of these imaging studies concentrated on activity modulation within the fronto-parietal network for attention (Corbetta & Shulman, 1998; Donner et al., 2002). Notably, some authors reported, that extrastriate areas in occipital cortex are unilaterally activated when observers are paying attention to the contra-lateral space (Heinze et al., 1994; Vandenberghe et al., 2001). In general, visual search leads to bilateral activation in occipital areas, which is enhanced during inefficient compared to efficient visual search (Leonards et al., 2000; Nobre et al., 2003), reflecting attentional processes. These results are supported by electrophysiological studies (Leonards et al., 2003) leading to the conclusion that extrastriate occipital areas are involved in focusing attention, which are again modulated by attentional top-down processes (Hopf et al., 2000; Hopf & Mangun, 2000).

So far it is under debate whether hemispheric differences exist in early visual processing regarding attentional mechanisms. Evidence for different occipital activation of the two hemispheres comes from studies comparing global and local aspects of attention. Although there are inconsistencies between both studies, Fink et al. (1997) as well as Lux et al. (2004) found that the right hemisphere is associated rather with global aspects while the left hemisphere is more involved in local aspects of attention.


The present study tests if visual search performance is impaired in patients with occipital brain lesions and/or if impairment depends on additional damage to other (sub-)cortical regions. In our study, we compare parallel and serial search performance combined with both global (i.e. array-centred) and local (i.e. item-centred) target position. We hypothesized that the performance decline of patients would be more pronounced in serial search, since the latter demands more attention. Due to the fact that we investigated two comparable patient groups with either left or else right hemispheric lesions, we were able to relate the different visual search behaviours to the corresponding damaged hemi-sphere. We expected that target position would influence search performance, which in turn would be affected differently by left versus right hemispheric damage. The approach in our study enables us to qualify the visual search behaviour, complementing the above cited reports on altered search strategies in patients with occipital lesions. In addition, the classification of the target feature regarding local versus global position should reveal differences between the patient groups, if both hemispheres contribute differently to local and global aspects of the scene analysis.

2.2 Methods

2.2.1 Patients and control subjects Fifteen patients with left hemisphere (LH) and fifteen patients with right hemisphere (RH) circumscribed occipital brain damage were recruited (see Table 2-1 for demographical and clinical data). Patients with bilateral lesions, second stroke or additional psychiatric diagnosis were excluded. Ten age-matched subjects without neurological or psychiatric disorders served as control group. Mean age of the LH group was 62.3 years (±14.0; range 32-87), of RH group 64.0 years (±11.2; range 36-80) and of controls 55.6 years (±8.6; range 47-73). There was no significant difference in age between the groups as confirmed by an ANOVA for age with factor group [F(2,39)=1.6, p= .21]. There were two women in the RH group, three women in control group and four in LH group. All participants gave informed consent for participation in the study, which was approved by the local ethics committee of the hospital.


2.2.2 Clinical InvestigationAll patients underwent a series of neuropsychological tests, including line bisection and star cancellation from the Behavioural Inattention Test (BIT) for neglect examination (Wilson et al., 1987), the visual field and neglect test from the Test battery of Attentional Performance (Zimmermann & Fimm, 1992) for assessment of visual field deficits and visual extinction (Hildebrandt, 2006) and the block-design from the WAIS-R to evaluate visuo-constructive functions. All patients were tested for tracking eye movements and saccades as well as for visual, tactile and auditory extinction, through clinical confrontation.

For line bisection, patients marked subjective midpoints of three lines (21 cm long). Deviations from the objective middle to the right were counted as positive values, deviations to the left as negatives. During star cancellation patients had to cross out a number of small stars among a variety of distractors, namely big stars, letters and words. Each side of the sheet contained 27 targets. In the visual field test of the TAP patients have to detect one flickering target, while fixating the midpoint of the screen. Fixation was controlled by the examinator. In the neglect test of the TAP additionally steady distractors, scattered over the whole screen, are presented. The stimulus display in both tasks extended over approximately 32° horizontally and 24° vertically. Omissions (maximum 22 in each hemifield) and response times for both hemifields were measured. ‘Block design’ is a subtest of the WAIS-R, where subjects have to combine nine cubes to match a visual pattern, reference time requirements are available.

2.2.3 Search paradigmsFollowing classical search paradigms (Treisman & Gelade, 1980) we used target features that induce either parallel or serial visual search. In the first condition, parallel search, the target differed from the distractors in one critical feature consisting of a thick vertical bar on the left or right side of one item (see Fig. 2-1 B and C). In the second condition, serial search, the standard stimulus was slightly changed by closing the left or right stimulus side (see Fig. 2-1 D and E) to create the target.


In both conditions the search array consisted of ten items arranged in two rows and five columns. Each target was defined by two positional attributes. Presenting the critical feature either on the left or right item side defines the item-centred (or local) position. Position of the target within the five columns defines the array-centred (or global) attribute.

Targets were presented four times at each possible location, balanced for the item-centred feature. In both conditions (parallel and serial) 80 pseudo-randomised trials were presented half of which included the target.

2.2.4 ProcedureSubjects were sitting 60 cm in front of a 17inch monitor, on which the search array (18.2° wide and 2.3° high) appeared bright on a dark back-ground. Individual items were approximately 2.3° wide and 0.9° high. During the whole experiment one example of a right- and one example of a left-sided target feature were shown at the top of the screen. Subjects had to indicate whether or not the search array contained a target and entered their responses by pressing the appropriate button on a standard keyboard.

Fig. 2-1 Examples of search arrays (A) Target absent trial, identical for both searchconditions (B and C) examples for parallel search (D and E) examples for serial search.

Each condition was free-viewing and started with eight practice trials to ensure that subjects understood the task and knew which kind of stimuli were presented. Experimental trials were not time limited, but subjects


were instructed to react as accurate and fast as possible. The first condition was always parallel search. Correct responses and response times were recorded separately for item-centred (left vs. right) and array-centred (column 1 to 5) target position. Additionally, response times for target absent trials were measured.

2.2.5 Lesion reconstruction In most of the patients we used MRI scans to trace the lesion. For five of the patients only CT scans were available. Lesions were mapped by inspecting digitized images of axial brain scans and delineating the lesions in a standard template from the Montreal Neurological Institute (normalized to Tailairach space) using MRIcro (Version 1.37; Rorden & Brett, 2000). We used slices with a gap of 7mm in an anterior/posterior commissural orientation.

For each patient it was defined whether there was additional damage to a) thalamus and/or b) parahippocampal gyrus and/or c) parieto-occipital fissure (see Table 2-1).

2.2.6 Statistical evaluationIn a first step overall mean percent correct responses and mean response times of each subject were computed for both search conditions. Thereafter the results were separated for left versus right item-centred position as well as for left (column 1+2) versus right (column 4+5) array-centred position. Group comparisons were based on a one-way ANOVA with between subject factor group and followed by post-hoc t-tests.

The influence of item- and array-centred target position on visual search behaviour was tested using an analyses of variance (ANOVA) for repeated measurements with two factors [item (left vs. right) and position within the array (columns 1 to 5)] for both hits and reaction times in each task and for each group.

Kapitel II – Störungen der frühen visuellen Verarbeitung 82Ta

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2.3 ResultsTo evaluate the strategies in visual search types (parallel vs. serial) we calculated the response time ratios (target absent divided by target present trials) for both conditions, separately. Models for visual search predict a higher ratio for serial than for parallel search strategies (Treisman & Gelade, 1980; Treisman & Sato, 1990). This was true for healthy controls, for whom the mean quotient for serial search (1.98±0.6) was significantly higher than for parallel search (1.39±0.2; t(9) = -3.4, p < .01). This indicates that in serial search, reaction times for target absent trials were almost doubled compared to target present trials, which complies with the requirements for different visual search types. The same was true for the RH group (ratio parallel search: 1.37±0.3, ratio serial search: 1.63±0.4; t(14) = -2.2, p < .05), but not for LH group (ratio parallel search: 1.73±0.5, ratio serial search: 1.61±0.2; t(14) = 0.8, p > .05).

Fig. 2-2 Results for groups in the different search tasks. White bars indicate parallel search, grey bars serial search. Mean percent hits and mean reaction median for hits are given independent of target position. Only significant results are labelled with *** (p < .001), ** (p < .01) or * (p < .05).

Concerning general search performance, all groups made more omissions in serial search than in parallel search and were in general faster in the latter task (see Fig. 2-2). Both patient groups made


significant more omissions in serial search and were significantly slower compared to controls. In parallel search only LH-group performed significantly worse than controls regarding both parameters. There was no difference between the LH and RH group regarding the overall hits and response times in both search types.

2.3.1 Parallel Search Detailed behavioural and statistical results for patients and controls in parallel search are depicted in Fig. 2-3 and Table 2-2. Both clinical groups showed a significant influence of array-centred position for hits and reaction times in parallel search. Additionally, the search behaviour of LH patients was affected by item-centred position. Controls were significantly influenced by item- and array-centred position regarding their reaction times, but not hit rates for targets.

Post-hoc paired t-tests for array-centred hits showed that patient groups missed contralesionally displayed targets (LH group: t(14)=4.6, p < .001, RH group: t(14)=-2.8, p < .05). Additionally, LH-group showed the same effect in item-centred position (t(14)=2.5, p < .05).

For the reaction times, post-hoc paired t-tests revealed that the LH group responded slower to right item-centred (t(14)=-3.5, p < .01) and to right array-centred (t(14)=-4.5, p < .001) target positions. The same was true for controls (item-centred: t(9)=-2.9, p < .05, array-centred: t(9)=-4.9, p < .001). The RH group showed no significant difference between left and right for array-centred target position (t(14)=1.5, p > .05).


Fig. 2-3 Results for Parallel Search. Abscissa shows array-centred target position. White bars indicate left item-centred targets and grey bars right item-centred targets, error bars indicate standard errors.


Table 2-2 Statistics of Parallel Search tasks for all groups F-values, degrees offreedom (Greenhouse-Geisser correction was applied when necessary) and level ofsignificance are indicated

2.3.2 Serial SearchBehavioural and statistical results for serial search are depicted in Fig. 2-3 and Table 2-3. All groups showed a significant influence of item-centred position for hits. Reaction times of the control group were significantly influenced by both, item- and array-centred position. While the RH group showed no significant main effect, the reaction time of the LH group was affected by the array-centred position.

Post-hoc paired t-tests for item-centred hits (left vs. right) showed that the LH and control groups missed more targets when they were defined by a right sided critical feature (LH: t(14)=2.4, p < .05; Controls: t(9)=2.4,p < .05). The RH group missed more targets when they were defined by left sided critical feature (t(14)=-2.3, p < .05).

Post hoc reaction times analysis for array-centred position (left vs. right) showed that LH patients as well as controls responded slower to targets on the right side of the search array (LH: t(14)=-5.1, p < .001; Controls: t(9)=-3.5, p < .01). In addition, controls were significantly slower for item-centred right target position (t(9)=-4.3, p < .01).


Fig. 2-4 Results for Serial Search. Abscissa shows array-centred target position. White bars indicate left item-centred targets and grey bars right item-centred targets, error bars indicate standard errors


Table 2-3 Statistics of Serial Search task for all groups. F-values, degrees offreedom (Greenhouse-Geisser correction was applied when necessary) and level ofsignificance are indicated

2.3.3 Group comparisons In the clinical investigation the patient groups did not differ significantly (p > .05) for either time since lesion onset (t(28)=-0.6), ipsilesional deviation in line bisection (t(20)=-0.8), contralesional omissions in star cancellation (t(27)=-0.7) or block design test (t(25)=-0.8). Furthermore, there was no significant difference between patient groups concerning contralesional omissions in the TAP visual field test with (t(27)=0.9) and without (t(24)=1.3) distractors. Notably, no differences of hit ratios (ipsilesional vs. contralesional) could be detected between clinical groups for array-centred position in parallel search (t(15)=-0.8) and item-centred position in serial search (t(28)=0.9).

Statistical results of group comparisons for visual search behaviour are presented in table 2-4. In parallel search, the RH-group performed significantly worse than controls for the left item- and array-centred hits. The LH-group was significantly inferior to controls regarding right array-centred hits. The reaction times of the LH-group were slower than those of controls for both item-centred positions and right array-centred position.


Reaction times for target absent trials did not differ between groups in parallel search (F(2,39)=1.2; LH mean: 2.2±1.0s, RH mean: 2.1±2.7s, Control mean:1.1±1.8s), whereas in serial search there was a significant effect between groups (F(2,39)=8.1, p < .01; LH mean: 8.1±4.5s, RH mean: 8.2±4.8s, Control mean: 2.2±0.9s). Both patient groups were significantly slower for target absent trials in serial search than controls. Note that all patients were slower than the worst control subject in target present trial responses during serial search.

Table 2-4 Group comparisons

In serial search the RH-group performed significantly worse than the controls regarding the left item- and left array-centred hits. The LH-group obtained significantly fewer hits for right item-centred and left array-centred targets than the controls. Furthermore, both patient groups were generally significantly slower than controls in target detection.

2.3.4 CorrelationsDue to the fact that many patients suffered from visual field loss (see Table 2-1) we investigated the relationship between visual field loss and visual search performance. To that aim we correlated the magnitude of contralesional omissions in TAP visual field tests with the ratio of correct responses for ipsi- vs. contralesional array-centred position in parallel search and the ratio of ipsi- vs. contralesional item-centred position in serial search. We used the different position ratios because in parallel


search there was an array-centred effect for both groups whereas in serial search there was an item-centred main effect for both groups. To increase the correlation power, we pooled the patient data through calculating the hit ratio by ipsi- vs. contralesional responses and not by left vs. right.

Contralesional omissions in the TAP visual field test without distractors correlated neither with the array-centred hit ratio in parallel search (N=26, r=-.32) nor with the item-centred hit ratio in serial search (N=26, r=.33). For the TAP visual field test with distractors contralesional omissions were also not significantly correlated with the parallel search array-centred hit ratio (N=29, r=-.31) nor with the serial search item-centred hit ratio (N=29, r=.29).

Another possibility to explain the main effects may be a neglect-like behaviour in our patient sample. Therefore, we correlated the hit ratios once more, but this time with the ipsilesional amount of deviation in line bisection (coded as positive values, contralesional coded as negative values). No significant correlation was found for the parallel search array-centred ratio (N=30, r=.12) and neither for the serial search item-centred ratio (N=30, r=.26). Moreover contralesional omissions in star cancellation did not correlate significantly with hit ratios (array N=29, r=-.10; item N=29, r=.18). In contrast there was a highly significant correlation between ipsilesional deviation in line bisection and contralesional omissions in star cancellation (N=29, r=.50, p < .01).

2.3.5 Lesion analysis The lesioned areas of each patient were superimposed on the standard template using the Region of Interest (ROI) function of MRIcro. The resulting images are colour coded, with each colour representing the absolute number of patients with a lesion in this area. The overlap of both patient groups can be found in figure Fig. 2-5. The LH-group had a clear common overlap within the occipital gyrus near the calcarine cortex. The centre of overlap was nearly the same in the RH-group, but did not show such a high overlap as the other patient group.


Fig. 2-5 Overlap of lesion reconstruction for patient groups. A) LH-group. B) RH-group.

Zihl (1995b) proposed that additional damage to the thalamus or parieto-occipital cortex is crucial for impaired visual scanning. In our whole sample six patients had additional damage to the thalamus and seven other to the parieto-occipital region. Zihl classified impairment due to visual scanning time in an easy dot counting task, which is better comparable with our parallel search condition than with serial search. Thirteen patients were either slower and/or made less hits than the worst control subject in parallel search (see Table 2-1) but only seven of them had the predicted damage to thalamus or parieto-occipital cortex. Furthermore, in serial search all patients were slower than the worst control subject, so additional damage to the above mentioned structures cannot explain this effect.

The second region of interest we analysed was the parahippocampal gyrus, because several studies report involvement of this structure in visuo-spatial behaviour (Mort et al., 2003; Grimsen et al., 2008). The 9 patients in the LH-group and 6 in the RH-group with involvement of parahippocampal gyrus did also fail to show a distinguishable specific search pattern.

2.4 Discussion Visual search is impaired in patients with occipital brain damage. During parallel search this impairment is reflected by more misses and longer reaction times on the contralesional side of the search array. During serial search patients missed more targets on the contralesional side of the stimulus irrespective of the position within the array and were


remarkably slowed down compared to controls. A difference between search performance after left and right occipital brain damage could not be detected.

2.4.1 Size of attentional focus The main difference between the parallel and serial search designs used is that in the former task a highly salient target is presented whereas in the latter task it is less salient. This makes parallel search faster because the most efficient way to solve the task is to expand the size of the attentional focus to match the size of the search display. This strategy is not very useful in a serial task because each item has to be inspected individually to find the critical attribute. In this case a smaller attentional focus is more useful to shift attention between the single items during search.

Bearing this in mind it seems that detection in both patient groups decreased in the contralesional attentional focus, because both groups missed targets depending on the array-centred attribute in parallel search and on the item-centred attribute in serial search.

This idea is supported by imaging studies in healthy subjects. Varying the size of the attentional focus activates early visual areas bilaterally (Chen et al., 2008). It is also in line with work suggesting that ventro-occipital areas control the focus of attention (Hopf et al., 2000) and are modulated by top-town processes during voluntary orienting in space (Hopf & Mangun, 2000). In monkeys a similar structure, namely the inferior temporal cortex, is hypothesised to be involved in selecting objects to attend and to foveate (Chelazzi et al., 1993).

2.4.2 Is the search behaviour of patients explained by hemianopia or neglect?

One may argue that the performance deficits of patients in our visual search tasks are due to hemianopia or neglect. In this section we will discuss these possibilities. At first sight it is intuitive that patients miss contralesionally targets due to their visual field defect, but several facts argue against this explanation. First, only few patients in our groups suffered from complete hemianopia (three patients in LH and four


patients in RH group, see Table 2-1) and in most of the patients the visual field defect did not reach the vertical meridian. Moreover after post-geniculate lesions up to three-quarters of patients have so-called macular sparing, i.e. an intact central visual field (Leff, 2004). Hence, their visual field defect should not influence the item-centred search. Second, the spatial scale of omissions is completely different in both search conditions. During parallel search the whole display extends over about 18° of visual angle. This is to say that our patients miss targets between three to nine degree eccentricity (see Fig. 2-3) while this is not the case for serial search, where patients miss the critical target feature though it is approximately just one degree eccentric when fixating in the middle of an individual item. Third, we did not find any correlation between the magnitude of the visual field defect (as defined by TAP visual field test with and without distractors) and the ratio of ipsi- vs. contralesional hits.

In other studies, too, visual field defects could not explain the behavioural data of patients. In the study of Zihl (1995b), for example, 40% of patients with hemianopia had normal scanning eye-movements, so it was concluded that hemianopia alone cannot explain the visual exploration deficit in the remaining patients. Interestingly damage of patients with normal scanning patterns was always restricted to the optic radiation and/or primary visual cortex. In contrast, patients with impaired scanning strategies had additional damage to thalamus or parieto-occipital regions. Unfortunately we could not replicate this finding (see below, 4.4).

The asymmetry between results of the parallel versus serial search task is challenging in respect to neglect, too. One could argue that patients omit targets because of sub-clinical neglect, but there was no correlation between performance ratios of our patients in the search tasks with typical indices of neglect, like ipsilesional deviation in line bisection or contralesional omissions in a cancellation task, while both neglect indices were highly correlated (see results).


2.4.3 Hemispheric asymmetries It is generally accepted that the left and right hemisphere contribute in different ways to specific functions, at least regarding higher order processing (Stephan et al., 2007). To what extend this is also true for early visual processing is still under debate. Heinze et al. (1998) using PET and ERPs did not find a hemispheric difference in early visual areas, but only at a relatively late processing stage, reflected in a difference of N200 in their ERP results. They interpret this finding as indicating that both hemispheres do not differ in local and global processing in the early visual areas, but only at a late processing stage. If this interpretation would be valid, one would predict no differences between our patient groups at all, because their lesions did not involve higher order cortical areas.

Park et al. (2006) evaluated the occurrence and severity of neglect after posterior cerebral artery stroke. They found no difference between the hemispheres for neglect frequency but right hemisphere lesions showed more severe neglect in the acute stage. However, our results, too, do not support any hemispheric differences in visual information processing at an early stage, because both patient groups were similarly impaired in detecting contralesional targets in both search types.

2.4.4 Anatomical correlatesPrevious reports described specific anatomical correlates for specific behaviour after posterior brain damage. Based on these reports we tried to figure out if the specific behaviour of our patients is associated with damage to a specific anatomical structure within occipital cortex. Therefore we compared the lesions from the most impaired patients with those who were not impaired using the subtraction method of MRIcro. No systematic differing region could be detected (results not shown).

Also a detailed inspection of behavioural results and damaged structures revealed no systematic pattern. The fact that more than two-thirds of the patients had additional cortical damage to defined regions of interest suggests that they are involved in visuo-spatial processing, but in a more complex interaction than could be evaluated in this study.


2.4.5 What about reaction time? An inspection of the reaction times in the parallel search task (see Fig. 2-3) shows that at least the RH group searched as fast as the controls, whereas the LH group showed a gradient from left to right. In contrast, both patient groups responded extremely slowly in the serial search task compared to controls. This extraordinary slowing down can be seen as an attempt to compensate for the lack in processing power, showing that damage to occipital region always alters exploratory visual behaviour, at least if the task is difficult.

The pattern of reaction times in serial search for the LH-group is similar to the one of controls, showing a strong increase from left to right, that probably reflects a search strategy starting left and continuing in reading direction to the right. In the RH group no such gradient from left to right was present (Fig. 2-4). This fact may either be due to a poor search strategy or may reflect an array-centred impairment in shifting attention via eye movements to the left part of the display.

2.4.6 Conclusions In this investigation we replicated and extended earlier results on visual search performance of patients with occipito-temporal lesions (Zihl, 1995b; Hildebrandt et al., 1999). Occipital lesions lead to a severe slowing down of scanning speed in attention demanding serial search and to a significant increase of omissions. Performance of patients is influenced by both local and global positions depending on the search condition, a fact which is easily overlooked in clinical practice. Finally we did not find a hemispheric specialisation for visual attention in occipito-temporal areas. Our results are best interpreted in terms of an impaired bottom-up and stimulus-driven attentional focus after occipital brain damage, which holds true for both left and right hemisphere processing in the same degree.

Acknowledgements

We would like to thank the staff in the hospital for their help in recruiting the patients, especially Dr. Brunner and Prof. Dr. Schwendemann. The first author was supported by DFG.

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III Störungen der „späten“ visuellen Verarbeitung aufgrund zerebraler Schädigungen

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1 Case study – When the molehill becomes a mountain – Impaired size constancy after unilateral brain damage

Grimsen C, Fahle M (2007) When the molehill becomes a mountain – Impaired size constancy after unilateral brain damage. Perception, 36, 141.

Abstract

The size of retinal images varies strongly with the viewing distance of the corresponding objects, but humans can accurately judge veridical size, achieving so-called size constancy. Patient HE (female, aged 54 years), had a haemangioma excised from her right parieto-occipital cortex. Thereafter, she suffered from incomplete hemianopia to the left side and complained about perceiving objects as enlarged. To test her size perception, two circles were displayed on two monitors. She had to adjust the diameter of the target circle on one monitor, located at variable distances, to the size of the reference circle on the other monitor at 2 m distance. When the monitor with the adjustable circle was closer than the reference, HE always scaled down its physical size, when it was farther away, she consistently enlarged its size. The results show that HE tends to judge object size by the retinal image size. Hence she exhibits a strong reduction of size constancy, while size comparisions and depth perception are in a normal range.

Kapitel III – Störungen der „späten“ visuellen Verarbeitung 100

1.1 Introduction Size constancy is the ability to perceive the veridical size of objects even though objects produce different retinal image sizes, depending on their viewing distance (Epstein et al., 1961). Size constancy is a vital mechanism in everyday life because it is fundamental to know that a matchbox car directly in front of your face (producing a large retinal image) cannot knock you down while a van far away may become dangerous (despite having only a small retinal image size). Moreover, grasping objects requires the correct size adjustment of hand grip. Adjustments based on visual angle would lead to over- or underestimation of veridical size and therefore to difficulties in dealing with objects.

To estimate veridical size the brain needs information about viewing distance in order to scale the retinal images. Holway and Boring (1941) showed that perceived size indeed deviates from veridical size towards retinal size when depth cues that allow distance estimation are systematically reduced. Perceived distance in turn is influenced by a series of cues, both oculomotor and visual in nature. Oculomotor cues - like vergence and accommodation - provide reliable information about egocentric distance in visually sparse environments. In complex visual environments visual depth cues are instrumental. These visual cues comprise both monocular and binocular ones. Binocular depth information refers mainly to disparity, whereas monocular depth information can be extracted for example from linear perspective, motion parallax, occlusion or known size.

In the literature reports on patients with disturbed size constancy in the tight sense are extremely rare. Nearly a century ago Holmes described six patients with pronounced deficits in judgment of relative sizes and distances (Holmes, 1918b; Holmes, 1919). All patients had bilateral lesions, centred in the angular and supramarginal gyri and extending to the occipital, temporal and parietal regions. Besides marked deficits of attention their accommodation, convergence and fixation were impaired. Today they would presumably be diagnosed as patients suffering from Balint’s syndrome (Balint, 1909; Kerkhoff & Heldmann, 1999). Holmes’

Impaired size constancy after unilateral brain damage 101

patients could not estimate relative and absolute distances, recognize spatial relations between objects nor indicate relative size or length when the objects to compare adjoined in depth (Holmes, 1918c). These case descriptions suggest that as to be expected loss of distance information impairs size constancy. A complete loss of size constancy predicts that judgements of object size at varying distances would be based on retinal image size and not on veridical size - a test not performed in this early work.

Later studies, dealing with size perception in brain damaged patients, reported cases in which the perceived size of objects was apparently modified. Objects in the contralesional hemifield may appear either larger (macropsia) or smaller (micropsia) than their correct size (Cohen et al., 1994; Ceriani et al., 1998; Frassinetti et al., 1999; Kassubek et al., 1999; Park et al., 2007). The patients reported have in common that their cerebral lesions were located in the occipito-temporal and not the parietal cortex, leading to the suggestion that the ventral system may compute size in order to achieve constant object representations, while the dorsal system may compute size to control visuo-motor activity (Frassinetti et al., 1999). Note that the mentioned reports did not test perceived size at varying distances but the misperception of size was only verified by a constant viewing distance for the objects to compare.

To our knowledge only two studies in monkeys and one study in humans directly tested size constancy after brain damage at varying distances. In monkeys a bilateral lesion of prestriate cortex leads to size judgment based on retinal image size when objects were presented at different distances (Ungerleider et al., 1977). Although bilateral lesions of inferotemporal cortex lead to errors in size perception as well, it is not clear whether or not the monkeys use consistent strategies or a combination of strategies in their size judgements (Humphrey & Weiskrantz, 1969; Ungerleider et al., 1977).

In humans, size constancy was tested in a clinical group containing patients with unilateral, frontal, temporal, parietal or occipital lesions under monocular and binocular conditions (Wyke, 1960). Only patients with parietal lesions differed significantly from controls regarding their size judgments when comparing triangles at different distances.


Interestingly, eleven out of the 18 parietal patients made size judgments which suggested over-constancy instead of impaired size constancy, because they set the size of the more distant object to be smaller. In contrast, in three patients size judgements deviated towards the retinal image size and these patients set the size of the more distant triangle to be larger. Unfortunately, the amount of this deviation was not reported, nore were data supplied regarding differences between monocular and binocular viewing conditions and about the exact lesion site or other anamnestic data.

Up to date it is an open question how the brain combines viewing distance and retinal image information to achieve size constancy. Here, we report on a patient (HE) with unilateral parieto-occipital brain damage whose ability to achieve size constancy is serverely impaired even in complex visual scenes.

1.2 Subject HE

1.2.1 Case description Patient HE is a right-handed woman, born in 1954. In September of 1999 a haemangioma was excised from her right parieto-occipital cerebral cortex. Subsequently the whole area degenerated, leaving a large lesion involving the parietal and occipital lobe as well as the optic radiation, as was shown by structural MRI in 2005 (see Fig. 1-1). Note that some occipito-temporal structures are preserved. When she was evaluated for the first time in our laboratory in 2005, she complained about a number of visual disturbances. Besides a hemianopia to the left she described seeing objects as magnified, a distorted perception of perspective and diplopic images. Furthermore, she reported difficulties in directed reaching and in estimating distances. Subjectively all symptoms increased during head movements.


Fig. 1-1 Lesion of HE Top: saggital view of right hemisphere. Middle: coronal view. Bottom: axial slices in radiological convention (right hemisphere is on left side). Images show the extent of persisting lesion of right parieto-occipital cortex five years post-operation. Note that there cortical structures in the ventral pathway are preserved.

1.2.2 Ophthalmology HE has normal visual acuity at near and far distances, normal stereo vision, as tested with the Lang Stereo Test and Titmus rings, as well as normal colour vision (Ishihara plates). Her visual field is restricted by a hemianopia to the left, leaving some residual field in the upper quadrant, as defined by kinetic and static standard perimetry (see Fig. 1-2).


Fig. 1-2 Visual field measurement of HE Top: kinetic perimetry. Bottom: static perimetry within central 20° for left and right eye, respectively. Note that there is some residual vision in the upper left quadrant.

1.2.3 Neuropsychology In the Visual Object and Space Perception battery (VOSP; Warrington & James, 1991) HE performed in the normal range at all tasks except position discrimination, where she made 16 correct responses (out of 20, cut-off score is 18). During star cancellation she made one omission on the right side of the sheet. Line bisection showed on average a displacement of 1.2 cm to the ipsilesional side (line length was 21 cm). HE copied the complex Rey-Osterrieth-Figure without difficulty, but


performance was borderline in immediate and delayed recall (Fig. 1-3).HE has normal intelligence as tested with the ‘Leistungsprüfsystem’(LPS; Horn, 1983).

Fig. 1-3 Performance with Rey-Osterrieth-Complex figure. Top: Copy (79th percentile). Middle: Immediate recall (16th percentile).Bottom: Delayed recall (16th percentile).

1.3 Experiments

1.3.1 Experiment 1: Size constancy To objectify the misperception of size HE subjectively complained about we used a paradigm to test the constancy of size perception. We hypothezised that HE may estimate object size rather on the basis of


retinal size (visual angle) than on veridical size in different viewing distances in the case of impaired size constancy.

1.3.1.1 Methods

To test size constancy mechanisms in HE we used an experimental design similar to the one introduced by Subramanian and Dickinson (2004, see Fig. 1-3). Three control subjects and HE were asked to adjust the diameter of a target circle to the veridical size of a reference circle. The dark-grey circles were displayed on black background on two separate monitors in a dimly light tubelike room. Walls to both sides and some furniture on the left side were visible to the observers under this illumination. Both monitors were surrounded by dark matt cards, to avoid glare and reference to the monitor border. The monitor with the reference circle had a fixed distance of 2 m, whereas the viewing distance of the monitor with the adjustable circle could be varied. Five different viewing distances (0.5, 1, 2, 3 and 5 m) and ten references diameters (range between 1.0 to 17.5 cm) were used. At each distance each reference size was displayed five times in randomized order. To adjust veridical size subjects used two buttons. Pushing one button decreased while the other button increased the diameter of the target circle by 0.5 mm. Pushing both buttons simultaneously saved the estimated target size and initiated the next trial. Reference and target circles were randomly positioned on the monitor from trial to trial, to exclude additional cues like spatial relations. No time constrains were given.


Fig. 1-4 Sketch of experimental setup. On the left monitor the reference circle was displayed. On the right monitor the adjustable circle (see methods for details).

1.3.1.2 Results

HE estimates the size of visual stimuli depending on viewing distance, as would be predicted by an impairment of size constancy (see Fig. 1-5).When target circles are displayed closer than the reference circle, she always underestimates their veridical size while she overestimates veridical size if the target circle is displayed farther away. Loosely speaking, she tends to judge object size based on retinal image size, i.e. visual angle. This effect exists under both viewing conditions, but is much stronger for monocular viewing. Control subjects had no difficulties to estimate veridical size, neither under binocular nor under monocular conditions as already shown by Holway and Boring (1941). Healthy subjects start to judge object size based on retinal image size only if many more monocular visual cues are removed.


Fig. 1-5 Results of size adjustment. Mean (±SE) for HE and controls as a function of estimated target size for the five different viewing distances. The retinal size (visual angle) ofcircles is depicted for 5 m distance (upper dotted line) and 0.5 m (lower dotted line).

1.3.1.3 Summary

The results clearly demonstrate that size constancy in HE is reduced by about half under monocular conditions while somewhat less under binocular conditions. These findings could be replicated three years later (using only five diameters for reference circles, see Fig. 1-6) indicating a persistent deficit in HE


Fig. 1-6 Repetition of size adjustment. Results of size adjustment three years after first examination. The illustration is the same as in figure 1-5, except regarding the number ofreference sizes used (only five were tested) and only one female control subject of same age.

Binocluar viewing provides disparity information as well as information about the vergence angle of the eyes. These cues may be used to calculate absolute distance and subsequently the veridical size of objects. Clearly binocular viewing helps HE to estimate size, although there is still a considerable tendency to judge size based on retinal image size. The deficit becomes more pronounced when only monocular cues are available suggesting that HE cannot use perspective information sufficiently to calculate viewing distance. Other monocular distance cues were only sparely available in the experiments because there were no occluded objects and veridical size was not known. So linear perspective may be the strongest cue to monocular distance estimation.


1.3.2 Experiment 2: Bisection/Extrapolation in depth and judging distances

Because size constancy requires use of distance information we tested whether or not HE suffered from a deficit in judging relative and/or absolute distances.

1.3.2.1 Methods

To estimate HE’s ability to judge distances we developed three simple tasks. The first task was to bisect distances, the second to extrapolate distances and the third to match a given length in egocentric distance. In all following experiments data were collected by quantifying the distances with a measuring tape.

In the bisection task a distance (A-C, Fig. 1-7) was defined by two balls and the task was to place a third ball (B) precisely in the middle. In the extrapolation task A-B was defined by two balls and HE had to place C by the same distance A-B beyond B, i.e. at C. Dependent measure in both conditions was the distance between B and C. Four viewing distances (space between HE and the nearest ball; 0, 1, 2 and 3 m) as well as four test distances were used for both conditions (bisection: 100, 200, 300, 400 cm; extrapolation: 50, 100, 150, 300 cm) and repeated once. HE verbally instructed the examinator where to place the ball. This was done with a kind of gripper with a long holder for the third ball, which the examinator started to move randomly from either near or far.


Bisection / Extrapolation Matching distances

Fig. 1-7 Experimental setup.

In the matching task a length was defined by two balls (A-B) at variable viewing distances (ranging from 1.5 to 6.5m). The task of HE was to place a ball B’ in a way that the distance A - B = A’ - B’, when A’ was placed directly in front of HE (see Fig. 1-7). As before, the examinator placed the third ball by being verbally instructed through HE Altogether four lengths were used (100, 200, 300 and 400 cm) but not for all viewing distances because of space limitations. This task was repeated three times both under monocular and binocular viewing conditions.

1.3.2.2 Results

To compare the bisection and extrapolation task data were plotted within one graph. Expected distances (B-C) were the same for corresponding initial values in this task. As can be seen from Fig. 1-8 HE has no difficulty with bisecting length, but extrapolating is slightly increased for small initial values.


Fig. 1-8 Bisection and extrapolation task. Mean estimates (±SE) of HE for bisection (black) and extrapolation (grey). The viewing distance [m] is denoted below symbols. Correct distance is indicated by black lines for each initial value.

In the matching task estimations were calculated as percent deviation from the correct distance. No difference between monocular and binocular viewing conditions could be observed (see Fig. 1-9). There was a clear decrease of estimated absolute distance with increase of viewing distance for all lengths used.

Fig. 1-9 Matching distances as a function of percent deviaton. Results of HE in distance estimation of four different lengths (±SE) under monocular and binocularviewing.


1.3.2.3 Summary

The results on distance estimation show that HE is able to correctly bisect and extrapolate lengths in depth, despite she slightly tends to overestimate the correct distance during the latter task. However one should note that the stimulus arrangement in both tasks was identical, the only difference being the ball (B or C) under the subject’s control. Taken into account that there is a considerable amount of measuring inaccuracy of about ±3-5cm, because of the analogous setup and the most prominent deviation was for small extrapolation distances, we assume that HE is generally able to estimate at least relative distances in depth as tested with bisection and extrapolation. It is important to note that this task was not influenced by viewing distance.

The results of the matching task appear to reflect the results of the first experiment, the absolute distance judgments decrease with increasing viewing distance. If we assume that the distances between the two balls are coded in visual angle than one would predict exactly such a decrement for impaired distance constancy. In humans there is a tendency to underestimate distances the farther they are seen up to 25% per meter (Loomis et al., 1992; Norman et al., 1996). To asses the amount of error during the matching task we calculated the visual angle of seen distances by equation (1), in which h is the height of eyes during the experiment (1.3 m) and d is either the exact viewing distance of balls (A, B) or the estimated distance B’ respectively (in the latter case A’ = 0).

hd

hd AB arctanarctan �� (1)

Results of this analyis are depicted in Fig. 1-10, pooled for both monocular and binocular viewing conditions. In this context it is worth while to realize the difference between the first experiment and this matching task: while size varies linearly with viewing distance, distances in depth lead to visual angles that decrease with the tangens of distance. It is evident from Fig. 1-10 that HE does not match the test distance on the basis of visual angle. Her failure is rather in a normal range.


Fig. 1-10 Matchhing distances as a function of visual angle. Observerd results of HE are indicated by white symbols (±SE) for the test distances used. Visual angle of test distances at varying viewing distance are indicated by black symbols.

1.3.3 Experiment 3: Judging the size of objects and grasping

The most relevant appliance of size constancy in every day life is control of motor activity when interacting with the physical environment. Therefore we tested HE’s ability to 1) indicate veridical size of balls at different viewing distances by her finger grip and 2) to grasp the balls at a constant distance. The dependent variable was grip size of thumb and index finger during testing. We hypothesized that HE would underestimate veridical size of balls at far compared to near distance.

1.3.3.1 Methods

HE and one control subject (female, age-matched) indicated by means of the size between thumb and index finger the veridical size of three different wooden balls (30, 50 and 80mm in diameter) presented either at 50cm or at 150cm distance. The experiments were accomplished


under monocular and binocular viewing and additionally both with and without visual feedback. All conditions were pseudo-randomized and once repeated at another day. In every condition each ball size at each viewing distance was estimated five times in randomized order with the right hand. Additionally at the end of each session subjects grasped the ball at 50cm distance again under monocular and binocular viewing conditions but always with visual feedback.

Subjects were sitting in front of a table with the forearm placed comfortable on it. During conditions without visual feedback, the forearm was covered by a cardboard to avoid subjects seeing their own fingers. Microphones were attached via two thimbles on thumb and index finger. Ultrasound signals were sent out by a PC-driven ultrasound measuring system (Zebris Medical, Isny/Germany), recorded by the microphones, and sent back to the measuring devise, which allows a high spatial resolution of finger position in space (±1mm), based on the travelling time and phase of ultrasound pulses with high temporal resolution (100Hz). Computer software calculated the position of both fingers in all three dimensions and the distance between fingers could be quantified. In the grasping condition the maximal distance between thumb and index finger during the movement was used for analysis.

1.3.3.2 Results

There was neither a difference between monocular and binocular viewing nor between visual feedback conditions. Therefore data were pooled and are summarized in Fig. 1-11. Neither HE nor the control subject displayed any difference between the size judgments for the two presentation distances for all ball sizes used.

But compared to the control HE always overestimated the veridical ball size. This was true for both conditions requiring either a judgment of object features (size) or an object interaction (grasping).


Fig. 1-11 Estimating sizes with thumb and index finger. Results for HE and the control subject (±SE) for all conditions. The black lines within the bars indicate expected values (veridical ball size).

1.3.3.3 Summary

Contrary to our prediction HE does not underestimate the size of objects at far distances, when using this test of grasping to indicate object size. But her size judgements were in increased in all conditions compared to the control, suggesting a general uncertainty of size perception. During grasping the smallest ball (30mm), HE more than doubled the required grip size. This effect became smaller with increasing ball size, but this may be due to the limited finger span.

1.4 General Discussion To our knowledge this is the first report on a patient who even in complex visual environments cannot achieve full size constancy due to a unilateral lesion of the right occipito-parietal cortex. This deficit is persistent, because it could be replicated over a long time span and probably involves also visuo-motor processing, since HE continuously overestimates all ball sizes during the grasping experiment.


This deficit is not caused by a general misperception of size, because HE performed perfectly when judging object sizes presented at the same egocentric distance. Furthermore she could estimate relative distances in space as shown by normal distance estimation and her ability to tell which of two objects is nearer or farther, respectively (data not shown). Hence, HE has preserved the two basic functions required for size constancy, namely size perception and distance estimation.

In complex visual environments healthy subjects use monocular figurative cues, like linear perspective, occlusion and spatial layout, to estimate absolute distance and therefore veridical size. Evidently HE can use such cues to evaluate distance but cannot use such monocular figurative cues effectively for size estimation. But if binocular information like vergence and disparity is available, her performance improves (see Fig. 1-5 and Fig. 1-6). Despite the size judgement in varying distances can be compensated trough cognitive control, the calculation of veridical size from retinal image and distance information is not successful completed.

Therefore we must conclude that HE is somewhat impaired in her ability to extract absolute distance information from spatial configurations in the visual environment. This is in line with other studies of patients reporting distortions of space perception after unilateral parietal brain damage and concluding that right parietal cortex plays a major role in space representation (Karnath, 1997; Bremmer et al., 2001; Freund, 2001).

Size constancy is impaired in monkeys after bilateral prestriate lesions in a similar manner (Ungerleider et al., 1977). This is consistent with the lesioned area in HE, which is located in the posterior-parietal cortex. Comparable data from other brain damaged patients are missing and it is an open question if impairment in size constancy is more frequent than was assumed so far. So in a next step other patients with similar lesions should be examined, to find out if this deficit in size constancy is more general after occipito-parietal lesions.

Understanding the mechanism of size constancy may play a key role to light up the interplay between dorsal and ventral processing streams, since size is an attribute required by both streams for accurate motor response as well as for detailed object processing.


Aknowledgements

We like to thank Sven Wischhusen and Lena Hochstein for technical assistance in data acquisition. CG was supported by Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).

119

2 Dissociation of egocentric and allocentric coding of space in visual search after right middle cerebral artery stroke

Grimsen C, Hildebrandt H, Fahle M (2008) Dissociation of egocentric and allocentric coding of space in visual search after right middle cerebral artery stroke. Neuropsychologia, 46 (3), 902 – 914.

Abstract

Spatial representations rely on different frames of reference. Patients with unilateral neglect may behave as suffering from either egocentric or allocentric deficiency. The neural substrates representing these reference frames are still under discussion. Here we used a visual search paradigm to distinguish between egocentric and allocentric deficits in patients with right hemisphere cortical lesions. An attention demanding search task served to divide patients according to egocentric versus allocentric deficits. The results indicate that egocentric impairment was associated with damage in premotor cortex involving the frontal eye fields. Allocentric impairment on the other hand was linked to lesions in more ventral regions near the parahippocampal gyrus (PHG).


2.1 Introduction Patient studies have contributed many important insight on visual information processing and mechanisms underlying consciousness and awareness as impressively shown by Weiskrantz’s research on blindsight (for an overview see Weiskrantz, 2004). Another common syndrome affecting conscious perception is neglect, since neglect patients behave as if (usually the left) part of the environment were nonexistent. These patients may accomplish personal hygiene only on one body-side, eat only from half of their plate or do not turn to their left side. More specifically unilateral neglect is defined as “the failure (or slowness) to report, respond, or orient to novel or meaningful stimuli presented to the side opposite a brain lesion, when this failure cannot be attributed to either sensory or motor defect” (p. 296, Heilman et al., 2003). Neglect may be caused by cerebral lesions involving temporal (Karnath et al., 2001), parietal (Vallar & Perani, 1986; Mort et al., 2003), frontal (Heilman & Valenstein, 1972; Husain et al., 2000) or subcortical areas (Karnath et al., 2002), particularly of the right hemisphere.

The astonishing changes of behaviour in neglect brought forth a large number of investigations on the underlying mechanisms and on the nature of visuospatial attention in healthy subjects. One fertile proposal of visuospatial information processing is that it may rely on at least two different frames of reference: egocentric and allocentric (for a review see Landis, 2000). Egocentric spatial representations of an object depend on the object’s position relative to the viewer’s body, such as trunk, head or eyes. In this frame of reference the terms left and right refer to the observer, therefore it is viewer-centred. Allocentric spatial representation on the other hand is a concept that includes representations of space both in object-centred and in stimulus-centred coordinates. Strictly speaking an object-centred representation requires an intrinsic object orientation (Marr, 1982). In this case the terms left, right, top and bottom refer to the object itself and are independent of the observer. Typical examples for objects with well-defined intrinsic directions are words. The easiest way to investigate the distinction between viewer-centred and object-centred forms of neglect is reading. Patients may miss whole words on the contralesional side of space (viewer-centred) or they may

Egocentric and allocentric coding of space after right MCA stroke 121

miss the contralesional letters of a single word independent of where the word is presented and even if it is presented reversed or mirror-inverted (object-centred, Caramazza & Hillis, 1990; Hildebrandt & Ebke, 2003; Hillis, 2006). However, it is difficult to define strictly object-centred coordinates since most objects are not intrinsically orientated such as words are. Therefore a second concept of allocentric representation is the so-called stimulus-centred frame of reference, which is defined with respect to the observer’s viewing position. Stimulus-centred neglect presupposes that patients omit features appearing on the contralesional side of objects even though they are presented on the ipsilesional side of the body (Walker, 1995; Hillis, 2006). It is often difficult to distinguish stimulus-centred from egocentric neglect because in many tasks egocentric and stimulus-centred coordinates are overlapping, for example when the egocentric reference frame is retinotopic and the fixation of stimuli is central. Therefore there is still a controversy about the stimulus-centred frame of reference. Some authors suggest, that purely egocentric representation of space might account for phenomena that seem to be stimulus-centred in origin (Buxbaum et al., 1996; Driver & Pouget, 2000; Niemeier & Karnath, 2002).

Most clinical investigations focused on egocentric (that is viewer-centred) neglect, providing abundant evidence that information is neglected depending on its position relative to body coordinates, e.g. to the retina (Hillis et al., 1998) or trunk (Farah et al., 1990; Mennemeier et al., 1994; Beschin et al., 1997; Karnath, 1997; Farne et al., 1998; Chokron, 2003). In the assessment of egocentric visuospatial behaviour after brain damage, visual search paradigms are widely used – particularly since visual search may involve processes with low (parallel feature search) or else high demands on visual attention (serial conjunction search; for review see Chelazzi, 1999; Wolfe & Horowitz, 2004). A recent study of a large patient group focussed on response slopes in parallel and serial search displays with increasing numbers of distractors (Behrmann et al., 2004). The authors found generally impaired search in brain damaged patients for contralesional targets in both parallel feature and serial conjunction search compared to healthy controls. This impairment was stronger in patients with additional neglect and/or hemianopia.


In the majority of cases associations between egocentric and allocentric frames of reference have been reported. Patients may show viewer-centred or else stimulus-centred neglect depending on task instruction (Baylis et al., 2004), and both forms of neglect can occur in the same patient (Laeng et al., 2002). Neglect patients moreover show an egocentric gradient for target detection probability during visual feature search and defective stimulus-centred mechanisms during visual conjunction search (Pavlovskaya et al., 2002).

Egocentric as well as allocentric mechanisms obviously influence neglect, but little is known about the neuronal structures underlying the different frames of reference. Most lesion studies did not discriminate between viewer-centred and stimulus-centred neglect. One case study compared performance of two neglect patients during a cancellation task that allowed to distinguish between viewer- and stimulus-centred neglect (Ota et al., 2001). Patient 1, who missed targets presented on the left, thus showing viewer-centred neglect, suffered from a right hemisphere intracerebral haemorrhage which involved putamen, insula, anterior superior temporal gyrus and the posterior inferior frontal gyrus. Patient 2 cancelled out stimuli irrespective of their position, but omitted targets (circles) defined by left sided openings, thus demonstrating stimulus-centred neglect. This patient suffered from a right hemisphere stroke involving the inferior parietal lobule as well as the posterior superior and middle temporal lobes. In a larger group of patients with acute stroke Hillis et al. (2005) used the same paradigm to distinguish between cortical areas responsible for egocentric versus allocentric neglect using diffusion and perfusion imaging. They found that stimulus-centred neglect occurred in 4 out of 50 patients and was most strongly associated with hypo-perfusion of the right superior temporal gyrus, while viewer-centred neglect (10 patients) was associated with hypo-perfusion of the right angular gyrus.

In an earlier study of visual search behaviour of patients with middle cerebral artery stroke in the left hemisphere, lesions of three patients with an egocentric impairment overlapped in the precentral frontal area, involving the frontal eye fields (Hildebrandt et al., 2005). For patients, impaired in terms of stimulus-centred disturbance, no neuronal substrate could be defined. Hildebrandt and colleagues concluded that frontal eye


fields and premotor cortex are involved in visual search and left hemisphere lesions of these areas may lead to severe impairments in shifting visuospatial attention.

The question which neuroanatomical regions are responsible for egocentric and allocentric coding of space is still controversial and comparable data from brain-damaged patients are lacking. On this background the aim of the present study was to analyse cortical regions involved in egocentric and allocentric neglect respectively. We investigated a group of patients with right hemisphere (RH) stroke using visual search paradigms and correlated their behavioural data with the site of lesion. To evaluate different frames of reference we systematically varied both the allocentric features (centred on target-item) and the egocentric positions (centred on search-array) of targets in both a parallel and a serial visual search task (see methods, Fig. 1).

If the array-centred position of targets is crucial, one would expect a spatial gradient for target detection independent of item-centred features to indicate egocentric neglect. For allocentric neglect on the other hand, the item-centred feature position is crucial, and we should find a pronounced decrease of detection independent of absolute position within the search array. If different brain lesions produce array-centred or else item-centred neglect, we should be able to dissociate these types of patients with our search paradigms. Comparison of the topology of patient’s brain lesions should inform us about the neuronal structures responsible for these different kinds of representations.

2.2 Materials and Methods

2.2.1 SubjectsTwenty-one right-handed patients with right hemisphere unilateral first ever stroke of the middle cerebral artery were studied (RBD = right brain damage, see Table 2-1 for demographical and clinical data). Patients with bilateral lesions, second stroke or additional psychiatric diagnosis were excluded. Twelve right-handed, age-matched subjects without neurological or psychiatric disorders served as control group. All participants gave informed consent for inclusion in the study, which was approved by the local ethics committee of the hospital.


2.2.2 Clinical InvestigationAll patients underwent a series of neuropsychological tests, including line bisection and star cancellation from the Behavioural Inattention Test (BIT) for neglect examination (Wilson et al., 1987), the neglect test from the Testbattery of Attentional Performance (Zimmermann & Fimm, 1992) for assessment of visual field deficits and visual extinction (Hildebrandt, 2006) and the block-design from the WAIS-R to evaluate visuo-constructive functions. All patients were tested for eye movements (tracking and saccades) and extinction (visual, tactile and auditory) through clinical confrontation.

For line bisection, patients marked subjective midpoints of three lines (21 cm long). Deviations from the objective middle to the right were counted as positive values, deviations to the left as negatives. Deviations from the midpoint of more than 0.5 cm are considered as impaired performance. During star cancellation patients had to cross out a number of small stars among a variety of distractors, like big stars, letters and words. Each side of the sheet contained 27 targets; a difference of more than four omissions between left and right side was defined as cut-off score to determine impairment. In the neglect test of the TAP distractors are presented scattered over the whole screen and patients have to detect one flickering target, while fixating the midpoint of the screen (fixation was controlled by the examinator). The stimulus display extended over approximately 32° horizontally and 24° vertically. Omissions (maximum 22 in each hemifield) and response times for both hemifields were measured. ‘Block design’ is a subtest of the WAIS-R, where subjects have to put together nine cubes to match a visual pattern, for which reference values are available. Age-corrected scores below seven are defined as visuo-constructive impairment.

2.2.3 Search paradigms Following classical search paradigms (Treisman & Gelade, 1980) we used target features that induce either parallel or serial visual search. In the first condition (parallel search) the target differed from the standard stimulus in one critical feature consisting of a thick vertical bar on the left or right side of one item (see Fig. 2-1B and C). In the second condition (serial search) the standard stimulus was slightly changed by closing the


left or right stimulus side (see Fig. 2-1D and E) to create the target. Presenting the critical feature either on the left or right target side allows an item-centred distinction of correct responses. Varying target position within the search array allowed evaluating the effects of egocentric space on target detection. The search array consisted of ten items arranged in two rows and five columns. Location of the target within the five columns defines the array-centred position. Targets were presented four times at each possible location, balanced for the item-centred feature. In both conditions (parallel and serial) 80 pseudo-randomised trials were presented half of which included the target.

2.2.4 ProcedureSubjects were seated 60 cm in front of a 17 in. monitor, where the search array (18.2° wide and 2.3° high) appeared bright on a dark background. Individual items were approximately 2.3° wide and 0.9° high. During the whole experiment one example with a right- and one example with a left-sided target feature were shown at the top of the screen. Subjects had to indicate whether or not the search array contained a target and entered their responses by pressing the appropriate button on a standard keyboard. Each condition was free-viewing and started with eight practice trials to ensure that subjects understood the task and knew which kind of stimuli were presented. Experimental trials were not time limited, but subjects were instructed to answer as accurate and fast as possible. The first condition was always parallel search. Correct responses and response times were recorded separately for item-centred (left vs. right) and array-centred (column 1 to 5) target position. Additionally, response times for target absent trials were measured.


Fig. 2-1 Examples of search arrays (A) Target absent trial, identical for both search conditions (B and C) examples for parallel search (D and E) examples for serial search.

2.2.5 Lesion reconstruction We used T1 weighted MRI and additionally diffusion weighted MRI scans (Roberts & Rowley, 2003) to trace the lesions. For one patient only CT scans were available. Mapping of lesion was carried out by inspecting digitized images of axial brain scans and delineating the lesions onto a standard template from the Montreal Neurological Institute (normalized to Tailairach space) using MRIcro (Version 1.37; Rorden & Brett, 2000). We used twelve slices with a thickness of 8mm each, in an anterior/posterior commissural orientation. The first slice showed anteriorly the gyri recti and the superior temporal gyri at the temporal pole and posteriorly most of the inferior parts of the occipital lobe posterior to the cerebellum. The last slice was located at the most rostral part of the brain. The lesioned areas of each patient can be superimposed on the standard template using the Region of Interest (ROI) function of MRIcro. The resulting images are colour coded, where each colour represents the absolute number of patients with a lesion in this area. Subsequent analysis of lesions (ROI subtraction method) allows comparing lesioned areas associated with specific and non-specific performance in visual search. We used absolute numbers for comparisons, because sample sizes differed between patient groups. The subtraction procedure used follows the description by Karnath et al. (2002). This method creates an image where the superimposed lesions of a defined group are reduced by the superimposed lesions of another


group. Basically, for each particular area (voxel) each patient of the first (minuend) group who has a lesion in this particular area is coded as +1. Each patient of the second (subtrahend) group with a lesion in this area is coded as �1. The resulting colours reflect the difference of scores in this area. The hot colours in Fig. 4E are therefore to be interpreted as follows: Yellow indicates that these areas (voxels) are damaged in all of the five patients with egocentric impairment (including H.R.), but not in any of the other 16 patients. Orange colour may result either from only four of the five patients and none of the other 16 patients or from all five patients but also one from the other 16. Data are best interpreted in comparison with the traditional overlap method.

2.2.6 Group classification of patients Impairment of array- or item-centred visuo-spatial processing in patients was identified on the basis of their results in target present trials during serial search, because this type of search is more sensitive, being more attention demanding. First, we determined the difference between correct responses to the leftmost versus the rightmost column. Patients within the worst quartile of this difference were treated as impaired in egocentric coding of space (RBD-EGO). To estimate item-centred impairment, we calculated the mean difference between correct responses to target features on the right versus on the left side. Patients within the worst quartile were considered as impaired in allocentric coding of space (RBD-ALLO). Because item- and array-centred positions are within subject factors in our paradigm, it was possible that a patient could be assigned to both groups. In this case this patient was excluded from statistical analysis. Patients that did not fall in any of these groups were treated as right brain damage control group (RBD-controls).

Demographical and clinical data for all patient groups are summarized in Table 2-1. In the RBD-EGO group two of the patients suffered from neglect, in the RBD-ALLO group three patients, and in the RBD-control group four patients, as defined through classical neglect tests.


Table 2-1 Demographical and clinical data for patient groups

Patients with neglect are labeled with N+ and those without neglect with N�. Patients were considered to have neglect if they omitted four or more elements during starcancellation on the left compared to the right side; or if they deviated by more than five mm to the right in line bisection, or if they omitted five or more elements in the neglect-test of the TAP on the left side compared to the right side.

2.2.7 Statistical Analysis Analyses of variance for repeated measurements were carried out for all groups with two factors [item (left vs. right) and position within the array (columns 1 to 5)] for both hits and reaction times in each task.


2.3 ResultsStatistics and results for all groups are summarized in Table 2-2 and Fig. 2-2 for parallel search and in Table 2-3 and Fig. 2-3 for serial search. Because we classified patients depending on either item- or array-centred behaviour there must be a significant effect for the accordant factor in the statistical analysis. However the question we statistically analysed was whether one or both groups show an interaction between item- and array-centred search performances. Furthermore, we wanted to explore if the specific impairment of the groups is reflected by similar results in reaction time analyses and in parallel search. If the impairment would be present in parallel search the cognitive processes involved should be more basal than visuo-spatial selective attention.

Table 2-2 Statistics of parallel search tasks for all groups

F-values, degrees of freedom (Greenhouse–Geisser correction was applied when necessary) and level of significance are indicated.


Table 2-3 Statistics of serial search task for all groups

F-values, degrees of freedom (Greenhouse-Geisser correction was applied when necessary) and level of significance are indicated. 1 These effects are explained by procedure of group classification.

2.3.1 Parallel and serial search tasks in healthy subjects To make sure that the two tasks induce parallel and serial visual search respectively, we calculated response time quotients of correct responses to target present versus target absent trials in healthy subjects. In parallel search the mean quotient was 0.73 (±0.1; range 0.59 – 0.84) and in serial search it was 0.57 (±0.2; range 0.32 – 0.80). This is to say that reaction times for target absent trials were almost doubled compared to target present trials in serial search, while the difference was much smaller in parallel search. This difference between search types was significant in controls (T = 3.3, p < 0.01). We concluded that our paradigm complied with requirements for visual search types, because models predict a higher ratio for parallel than for serial search strategies (Treisman & Gelade, 1980; Treisman & Sato, 1990). Analysis of variance for repeated measurement with factors item (left vs. right) and array (columns 1 to 5) for hits showed no significant main or interaction effects neither in the parallel nor in the serial task, but ceiling effects may have impeded any influence of feature and target positions


due to task simplicity for healthy subjects. Reaction time analysis showed significant main effects for both search types (see Table 2-2 and Table 2-3 and Fig. 2-2E and Fig. 2-3E).

2.3.2 Egocentric impairment of visuo-spatial processingFour out of 21 patients omitted primarily targets in the first column of the array while rarely in the last column (independent of item-centred feature). For these patients detection probability increased from the leftmost (3%) to the rightmost (81%) column indicating impaired egocentric visuo-spatial processing (RBD-EGO group). In this group array-centred position revealed a significant main effect for hits and reaction times in serial search while item-centred position did not (Table2-3, Fig. 2-3B). In parallel visual search no significant differences were observed, except for a significant main effect for array on reaction times (Table 2-2, Fig. 2-2B). The amount of overlap of lesions in these patients is shown in Fig. 2-4B.


Fig. 2-2 Results for parallel search. Abscissa shows array-centred target position. White bars indicate left item-centred targets and grey bars right item-centred targets, error bars indicate standard errors (A) Patient H.R., (B) RBD-EGO, (C) RBD-ALLO, (D) RBD-controls, and (E) healthy controls.


2.3.3 Allocentric impairment of visuo-spatial processingAnother group of 4 out of 21 patients missed primarily those targets which were defined by item-centred target features on the left side of the stimulus (independent of array-centred position). These patients show clear signs of impaired allocentric visuo-spatial processing. On average they made 35% correct responses to left-defined targets and to 91% of right-defined targets. We will refer to this group as RBD-ALLO group. Analysis of variance for repeated measurements confirmed a significant main effect of item and no significant main effect of array in serial search. Reaction time analysis showed a significant effect of array-centred target position (Table 2-3, Fig. 2-3C). Corresponding results of this group in parallel search revealed no significant differences (Table 2-2, Fig. 2-2C). Lesion overlap of these four patients is shown in Fig.2-4C.

2.3.4 Association of egocentric and allocentric impairment One patient (H.R.) falls within the worst quartile of both item and array-centred hits in serial search. Performance results for patient H.R. are shown in Fig. 2-2A for parallel search and in Fig. 2-3A for serial search. The lesion of H.R. is shown in Fig. 2-4A.

2.3.5 Visual search after right hemisphere brain damage The 12 remaining patients did not show a specific spatial performance pattern during serial visual search (Table 2-3) and served as RBD-control group. Performance in this group was generally inferior to that of healthy controls as shown by an analysis of variance for repeated measurements with the additional between-subject factor group (RBD-control vs. healthy-controls). This was true for hits [F(1,22) = 6.6; p < 0.05] and reaction times [F(1,22) = 13.7; p < 0.01] in serial search as well as for reaction times in parallel search [F(1,22) = 6.7; p < 0.05]. On the other hand regarding hits these patients performed as well as healthy controls in parallel visual search [F(1,22) = 0.05; p > 0.05; see Fig. 2-2D and Fig. 2-3D].


Fig. 2-3 Results for serial search. Abscissa shows array-centred target position. White bars indicate left item-centred targets and grey bars right item-centredtargets, error bars indicate standard errors (A) Patient H.R., (B) RBD-EGO, (C) RBD-ALLO, (D) RBD-controls and (E) healthy controls.


2.4 Lesion analysis

2.4.1 Lesion location for different impairment in visuo-spatial processing

Subtracting the lesions of the RBD-controls and the patients with allocentric neglect from the overlap of both four patients with egocentric neglect and H.R. yields critical areas in the precentral gyrus (Brodmann area 4) and in the superior frontal gyrus (BA 6, see Fig. 2-4E). Subtracting lesions of RBD-controls and patients with egocentric neglect from the overlap of four patients with allocentric neglect and H.R. revealed a region in the ventromedial temporal lobe (parahippocampal cortex, see Fig. 2-4F).

2.4.2 Lesion reconstruction for patients with and without neglect in standard procedures

For a better comparison of our results with the classical areas found in neglect patients, we post hoc subtracted the lesions of patients without neglect from patients with neglect. Although there was no exclusively damaged area in neglect patients the highest overlap was found in regions described in previous studies, such as white matter and putamen (Karnath et al., 2002), temporal structures (Karnath et al., 2001) and both right angular and supramarginal gyri (Mort et al., 2003, Fig. 2-5C).


Fig. 2-4 Lesion overlap after summation and subtraction.�


� (A) Lesion of patient H.R., who showed both item- and array-centred impairment. (B) Lesion overlap of 4 patients with egocentric impairment (RBD-EGO). (C) Lesion overlap of 4 patients with allocentric impairment (RBD-ALLO). (D) Lesion overlap of the remaining 12 right-brain-damaged patients (RBD-control). (E) Subtraction of all lesioned areas of RBD-controls and RBD-ALLO from RBD-EGO group and H.R. in search for brain areas involved specifically in egocentric processing. In several areas exclusively patients with egocentric impairment had an overlap (e.g. in Talairach-Tournoux coordinates (32, �31, 56); (35, �5, 56); (37, �4, 48); (31, �13, 48) and (33, �24, 48)). (F) Subtraction of all lesioned areas of RBD-controls and RBD-EGO from the RBD-ALLO group and H.R. to indicate brain areas involved in allocentric impairment. The highest overlap was found in ventromedial temporal lobe (Talairach-Tournoux coordinates (34, �9, �8)). Colour bars: For A–D colours indicate the overlap of lesioned areas from 1 to 4 patients (B and C) or from 1 to 12 patients (D). In E and F colours indicate the number of overlapping lesions after subtraction. Yellow regions indicate that all patients who show special impairment and none of RBD-control patients had lesions in this area. Talairach z-coordinates for transversal slices are given.

Fig. 2-5 Lesion reconstructions for all patients. (A) Summation of lesions of neglect patients (n = 10) in absolute numbers. (B) Summation for non-neglect patients (n = 11) in absolute numbers. (C) Subtraction of lesions of neglect vs. non-neglect patients expressed in percentages, where 100% means lesion in only one group.


2.5 Discussion The aim of the present study was to analyse cortical regions involved in egocentric versus allocentric visuo-spatial processing after right hemisphere brain damage. We developed a search paradigm, allowing to distinguish between impairment related to two different reference frames. In the following the behavioural data are discussed first referring to the subgroups of patients and thereafter regarding the neuroanatomical results.

The behavioural results indicate that our paradigm differentiates between ego- and allocentric impairment, since in a subgroup of patients variation of position parameters led to the expected behaviour during serial search. Four patients showed an egocentric deficit while four others suffered from an allocentric deficit. This dissociation suggests that at least two distinct frames of reference are involved in visuo-spatial processing during visual search. Egocentric impairment may be attributed to a deficit of shifting attention to the contralesional side of space with respect to the observer, whereas allocentric impairment mirrors deficient representations of individual objects.

2.5.1 Shifting attention to the contralesional side of egocentric space

Patients with egocentric impairment increased their number of correct responses and decreased their reaction times from left to right in serial search irrespective of the item-centred feature. This result is consistent with previous studies in neglect patients which have shown detection to improve in a graded way from left to right in cancellation tasks (Chatterjee et al., 1999), visual scanning tasks (Karnath et al., 1998; Butler et al., 2004), and in visual search when studied through eye movements (Behrmann et al., 1997).

None of these patients suffered from hemianopia, only one deviated slightly ipsilesionally in line bisection, and another one made four more omissions on the left side in the cancellation task (Table 1). On the basis of standard clinical tests only two of these patients would have been classified as suffering from neglect. Obviously, these patients should not


miss targets due to a visual field loss or due to incomplete sensory perception of the environment.

Overt shifts of attention within egocentric space are coupled with (saccadic) eye movements. Not surprisingly two of the patients experienced problems with executing saccades during clinical confrontation, while the other two had no such problems. This result impedes an explanation of the egocentric impairment based purely on defective execution of eye movements. Rather these patients must have difficulties to shift attention to their egocentric left side prior to the eye movement. Actually, the impairment in shifting attention to the left was also found for parallel search – these patients were slower in target detection on the left and missed more items at the outmost left positions.

2.5.2 Detailed representations of individual objects Patients with allocentric impairment missed more left-sided features in serial search independently of absolute target position. These patients were more impaired in clinical tests than the other patient groups (Table 2-1). Two patients suffered from left-sided visual field loss, three showed a strong ipsilesional deviation of the subjective midline during line bisection, and all needed more than 1 s to respond to targets on the left side during the neglect test (TAP). Execution of saccades was restricted in three of the patients. One possibility to account for the specific behaviour of this group is visual field loss, but only one patient had nearly complete hemianopia, and each target stimulus extended only 1.2° in both directions from the centre and thus should be entirely analysed due to macula sparing after brain damage (Kölmel, 1988b). More importantly, these patients explored the egocentric space in terms of array-centred target position without difficulty. Hence this allocentric impairment is probably caused by incomplete stimulus representation or else a deficit in attentional allocation on an object-based level. But these patients had no problems with item-centred features in parallel search. Two possible explanations come to mind. First, their deficit in serial search involves attentional mechanisms, so that as a result of the (pre-attentive) pop-out character of parallel search no deficit can be observed (since focusing and attentional inspection of stimuli is not necessary). Secondly, the pop-out character of the parallel search task used in this


study brought forth that the whole array is perceived as a single object. This interpretation would cause a specific low hit rate in the left columns during parallel search. Such a tendency might be present in Fig. 2-2C, but not in the statistical analysis (Table 2-2).

Reaction time analysis of serial search shows that RBD-ALLO patients perform significantly slower for targets presented on left side of the array despite patients being able to find targets on these positions of the search array. This finding might suggests that there is also an egocentric component in these patients, because visual shifts to the egocentric left are obviously time-demanding in this group. Hits and response times seem to account for different processes. In healthy controls there is also an array-centred effect with increasing response times from left to right array reflecting the scanning direction. The array-centred effect for response time of the RBD-ALLO group may therefore reflect a modified scanning direction in these patients from right to left.

2.5.3 Neuroanatomical correlates of reference frames Locations of lesions in patients with egocentric impairment differ clearly from those in patients with allocentric impairment (Fig. 4E and F). Egocentric deficits are associated with damage to frontal regions especially premotor cortex (BA 6), whereas allocentric deficits seem to be linked to ventromedial temporal cortical structures.

Our result is similar to the study of Hillis et al. (2005), who have shown that egocentric neglect is associated with hypoperfusion of the right angular and inferior frontal gyrus while allocentric neglect correlates with hypo-perfusion of the superior temporal gyrus. Here we show that also after persistent structural damage to cerebral cortex different forms of neglect are associated with different lesion sites. In our sample the premotor cortex was involved in all patients with egocentric deficit. This corresponds to the study of Hillis and colleagues, which also found hypo-perfusion in frontal areas. Nevertheless, there are some differences regarding the classification of egocentric neglect. The task used by Hillis and colleagues requires a motor response to the contralesional space. So they could not distinguish between decreased limb movements and reduced attention to the contralesional side. Our


task did not require contralesional movements – therefore egocentric neglect in our study depends rather on attentional mechanisms. This supports the findings of Husain et al. (2000) whose patients with frontal damage and neglect showed no directional motor biases whereas patients with parietal brain damage did.

The areas of overlap between patients do not unambiguously allow a definitive allocation of function but they show a clear dissociation between both types of visuo-spatial mechanisms. The assumption of a (coarse) division into a dorsal and a ventral path fits well with this dissociation (Mishkin et al., 1983; Goodale & Milner, 1992) and the associated behaviour. Disturbances of ventral (temporal) information processing – concerning detailed object representations – lead to allocentric impairment. Disorders of the fronto-(parietal) processing stream – dealing with spatial information – cause egocentric deficits. This finding is confirmed by earlier studies, which shed light on the dissociation between dorsal and ventral processing by emphasising the functional part of the ventral stream in allocentric processing (Murphy et al., 1998; Schenk, 2006; Carey et al., 2006).

2.5.4 A fronto-parietal network for shifting attention in egocentric space

The frontal lesions of the RBD-EGO group correspond to areas activated in imaging studies by spatial shifts of attention in healthy subjects. In these functional imaging studies both covert and overt shifts of attention to peripheral stimuli activate an overlapping network of frontal, parietal and temporal regions (Corbetta & Shulman, 1998). Lesions of the frontal cortex may therefore disrupt this fronto-parietal network, which is involved in attentional mechanisms. In frontal regions the right precentral sulcus and the superior frontal sulcus are involved in spatial shifts of attention. Frontal eye fields are activated both during saccades and in covert shifts of attention without eye movements (Donner et al., 2000; Muller et al., 2003; O'Shea et al., 2006).

It is certainly plausible that the frontal areas influence spatial behaviour, but so far only few patients were described who prove this assumption (Husain & Kennard, 1996). Analysis of eye movement patterns in neglect patients shows that these patients make more and longer


fixations on the ipsilesional side of space and explore the contralesional side to a lesser extend (Walker, 1995; Behrmann et al., 1997). These findings support the assumption that spatial attention in these patients is distributed following a gradient from left to right and cannot be explained by an oculomotor deficit alone. But not all authors follow this hypothesis. Karnath et al. (1998), finding similar results in exploratory behaviour of patients, assume that the egocentric frame of reference is shifted toward the ipsilesional side of space. Zihl and Hebel (1997) concluded, based on oculomotor scanning patterns of brain damaged patients, that frontal regions are involved in scan path planning and parietal regions in visuo-spatial guidance of the scan path, both being parts of a distributed neural network for visually-guided scanning behaviour. Since close co-operation between these cortical areas is necessary, brain damage must lead to impaired spatial exploration.

Lesion overlap of four patients (and H.R.) with difficulty to execute spatial shifts of attention support the notion of frontal involvement in egocentric attentional shifts. This is consistent with our results for patients with left hemispheric damage, where the overlap of lesions for patients with egocentric deficit lies in the anterior precentral gyrus (Hildebrandt et al., 2005).

2.5.5 Processing of detailed stimulus features in the temporal lobe

Lesions of the RBD-ALLO group correspond to areas which are described in patients with neglect after posterior cerebral artery stroke (Mort et al., 2003). These authors could not ascertain a characteristic relation between parahippocampal damage and neglect and concluded that neglect after parahippocampal damage may be explained by remote effects on parietal cortex (diaschisis) or alternatively through disruption of white matter tracts.

The question after the involvement of ventromedial temporal lobe in visual perception became more prominent with the discovery of the parahippocampal place area (PPA), which is thought to encode the geometry of the local environment (Epstein & Kanwisher, 1998). Lepsien and Nobre (2006) showed increasing parahippocampal activity when attention was shifted to a mental scene representation, indicating a close


relationship with working memory processes. Moreover, in healthy subjects recognizing objects bilaterally activates the parahippocampal gyrus (PHG), occipito-temporal sulcus, fusiform gyrus and V4v (Bar et al., 2001). The authors conclude that posterior areas are involved more in pre-recognition analysis while PHG and prefrontal cortex are more concerned with post-recognition. Other imaging studies found activation in anterior collateral sulcus, when subjects looked at objects (buildings) irrespective of attentional allocation (Avidan et al., 2003). Most of the areas reported to be involved in object-based attention and object recognition are located posteriorly to the most pronounced lesion overlap in our allocentric impaired patients (Serences et al., 2004).

In patients with damage to the left middle cerebral artery no specific area was found for item-centred omissions (Hildebrandt et al., 2005). This may be due to the fact that after left hemisphere damage patients had no absolute item-centred impairment, but there was an interaction between item and array-centred omissions in visual search. Patients omitted increasingly more item-centred right targets when these were located more and more on the right side of the search array.

The cortical representation of an allocentric reference frame then seems to be more diffuse than that of the egocentric reference frame, maybe due to elaborated and less localized object-representations on higher processing stages. Hence despite a more blurred location of lesion overlap in the RBD-ALLO group, ventromedial temporal structures seem to be crucial for processing of detailed stimulus features.

2.5.6 Neuroanatomy of neglect Which neuroanatomical regions are responsible for the manifestation of clinical neglect is still controversial. In our opinion this fact reflects that ‘neglect’ subsumes different kinds of defective spatial behaviour becoming evident under different task requirements. For instance our paradigm does not require limb movements to the contralesional egocentric space, as is the case in cancellation tasks. The serial search task used requires primarily attentional shifts over space (in other words, voluntary visual exploratory behaviour) and a mental representation of the stimulus to search for. In classical procedures neglect is diagnosed


based on disturbed behaviour in different tasks. Interestingly, if we compare the lesions of neglect patients with those of non-neglect patients as revealed by classical procedures, the highest overlap tends to result in the areas typically described as associated with neglect.

2.6 Conclusions Visuo-spatial impairments, like neglect, are multi-faceted syndromes that require differentiation between disturbed versus preserved functions. In this study we show that egocentric and allocentric omissions in serial visual search are associated with lesions in frontoparietal versus ventromedial regions, respectively. The critical regions we found for specific visuospatial impairment confirm the hypothesis that the dorsal path is linked with egocentric information processing (required for spatial behaviour) and the ventral path is linked with allocentric processing (required for object perception and recognition).

Acknowledgements

We would like to thank the staff in the hospital for their help in recruiting the patients, especially Dr. Brunner and Prof. Schwendemann. Birgit Mathes, David Carey and the anonymous referee we thank for helpful comments on an earlier version of this manuscript. The first author was supported by DFG.

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IV Störungen der visuellen Verarbeitung aufgrund einer psychiatrischen Erkrankung

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1 Prolonged temporal information processing in schizophrenic patients?

Grimsen C, Brand A, Herzog MH, Fahle M (submitted to Schizophrenia research)Prolonged temporal information processing in schizophrenic patients?

Abstract

Visual information processing in schizophrenic patients is strongly deteriorated as demonstrated, for example, in visual backward masking and temporal fusion studies. Here, we investigated whether these performance deficits are caused by a longer visible persistence or slowed information processing as was often proposed. Eighteen schizophrenic patients and 15 healthy controls participated in three experiments: a backward masking, a temporal integration and an asynchrony perception experiment. Patients and controls yielded identical results regarding asynchrony detection. As to be expected, patients needed much longer Inter Stimulus Intervals (ISIs) in the backward masking experiment to reach a performance level comparable to controls. However, ISIs of patients were shorter than those of controls in the temporal integration task, while longer visible persistence would have yielded longer ISIs in this task and possibly also in asynchrony perception. Our results do not support the notion of a prolonged visual persistence in schizophrenic patients, but indicate a good temporal resolution combined with an increased susceptibility to interference by nearby stimuli.

Kapitel IV – Störungen aufgrund einer psychiatrischen Erkrankung 148

1.1 Introduction Schizophrenic patients show deficits in many domains including cognitive, executive, and sensory processing. These domains may be closely related, for example, early visual defects may cause higher cognitive deficits (Schwartz & Winstead, 1982; Saccuzzo & Braff, 1986). Deficiencies of schizophrenic patients in early visual information processing concern mainly the temporal domain, as in the resolution of briefly and sequentially presented stimuli. There, the task is either to temporally separate stimuli, temporally integrate them or to judge their simultaneity.

Most often used are visual backward masking techniques where a briefly presented target is followed by a (spatially overlapping) masking stimulus, and observers have to detect or identify the target. Target and mask are separated through an interstimulus interval (ISI). A number of studies show that schizophrenic patients need longer ISIs in this paradigm to reach the same performance level in target detection or discrimination as healthy controls, indicating a prolonged integration time (Green et al., 1999; Rassovsky et al., 2004; Koelkebeck et al., 2005).

In contrast, in two-flash fusion (TFF) paradigms the task of the observer is not to detect or to identify the first of two successive flashes, but to indicate whether or not the two (spatially overlapping) flashes are perceived as separate entities. Here observers have to detect the blank between two stimuli and results indicate the length of visual persistence28. Most studies found increased ISIs for schizophrenic patients in this task indicating a decreased temporal resolution – that may be a consequence of a prolonged integration time (Hieatt & Tong, 1969; Schwartz et al., 1988; Schwartz et al., 1994). However, others failed to find a difference between patients and controls in these tasks (Weiss et al., 1992).

28 The term visual persistence refers to the period of time in which the response to a brief

visual stimulus is continued although its physical duration has ended (Coltheart, 1980).

Temporal visual processing in schizophrenic patients 149

A third type of paradigms tests simultaneity detection. It was recently studied in schizophrenic patients by Giersch et al. (2008) and Foucher et al. (2007). Both found extended windows of simultaneity in schizophrenics, meaning that patients need longer inter stimulus intervals to perceive two discrete events as “one-after-the-other”, or asynchronous. It is important to note that this deficit in principle is partly independent of temporal resolution.

To explain the visual deficits described in schizophrenic patients, it is often proposed that integration processes or visual persistence are prolonged or processing slowed down in the patients, especially those with negative symptoms (Yates, 1966; Saccuzzo & Braff, 1986; Slaghuis, 2004), leading to stronger backward masking and that this increased integration is based on an early-stage processing deficit (Butler & Javitt, 2005). Early visual processing is subserved by magnocellular and parvocellular pathways (Van Essen et al., 1992). Many authors attribute the backward masking deficit in schizophrenic patients to an aberrant magnocellular (or transient channel) function resulting in decreased temporal resolution (Merritt & Balogh, 1989; Green et al., 1999; Butler et al., 2001; Slaghuis & Bishop, 2001; Keri et al., 2002; Schechter et al., 2003) which can also alter parvocellular (or sustained channel) processing (Delord et al., 2006).

Here, we tested the relationship between backward masking, visible persistence and temporal asynchrony detection by using three corresponding experimental tests of temporal visual processing in schizophrenic patients and healthy controls. For backward masking we used a stimulus introduced by Herzog et al. (2001), for which a strong masking effect in schizophrenic patients has repeatedly been demonstrated (Brand et al., 2004; Herzog et al., 2004; Schutze et al., 2007). To test temporal integration we used the method of integrating form parts (Coltheart, 1980) by modifying a task from Hogben and Di Lollo (1974). This test allows directly measuring visual persistence in a forced choice task, because solving the task requires the superimposition of two visual images separated in time to obtain a unified percept (see methods). If visual persistence is prolonged in schizophrenic patients, they should be able to tolerate a longer ISI than healthy controls. Finally, to test temporal asynchrony perception we


used a figure-ground segmentation task, relying on purely temporal cues (Kandil & Fahle, 2001). To solve this task observers have to detect differences in temporal synchrony between target and background elements. If there is an extended window of simultaneity in schizophrenic patients they should have elevated perceptual thresholds in this task. The results show no evidence for a prolonged visible persistence.

1.2 Methods Four experiments were conducted. For the masking experiment, we used the shine-through masking paradigm for which schizophrenic patients show strongly deteriorated performance (Herzog et al., 2004). In the second experiment, the same observers underwent a temporal integration task pioneered by Hogben and Di Lollo (1974). In the last two experiments, we tested figure-ground-segmentation by purely temporal cues (Kandil & Fahle, 2001).

1.2.1 ObserversThe study was performed in accordance with the principles laid down in the Declaration of Helsinki (2002). All observers were informed about the general purpose of the experiment and gave written consent. Subjects were told that they could quit the experiment at any time they wished. A total of 22 schizophrenic patients, according to DSM-IV, initially participated in the study. The demographical and clinical data of 18 patients and 15 controls, that completed the main experiments, are listed in Table 1-1.

1.2.2 Diagnosis and psychopathology Schizophrenic observers were in-patients from the Centre for Psychiatry and Psychotherapy at the “Klinikum Bremen-Ost”. Diagnosis was according to DSM-IV based on a clinical interview, the medical record, and interviews with the hospital staff. Exclusion criteria were age older than 50 years, diagnosis of a neurological disease, and recent substance abuse. For the assessment of the psychopathological condition, the SANS and the SAPS were used (Andreasen, 1983; Andreasen, 1984). Diagnosis and psychopathological ratings were


carried out by an experienced senior psychiatrist (A.B.) within the week following the day of testing. Psychopathological rating was based on the symptoms existing in the week preceding the rating. With this method we determined symptoms with a close temporal relation to the testing.

All patients were receiving neuroleptic medication: olanzapine, clozapine, risperidone, quetiapine, amisulpride, fluphenazine or promethazine. Two patients received two of these neuroleptics, one patient three of them. Two patients received lorazepam and one patient additionally zopiclone. Chlorpromazine equivalents were calculated according to the Agency for Healthcare Research and Quality (Agency for Healthcare Quality and Research, 1998). Ziprasidone and Aripiprazol were calculated with equivalence factors of 10 and 25, respectively.

1.2.3 General set-upStimuli were displayed on an EIZO monitor F563-T controlled by a PC. Subjects observed the stimuli from a distance of 2.5 m in a room illuminated dimly by a background light (around 0.5 lx). A pixel comprised about 23” (arcsec) at this distance. Stimuli were white on a dark background. Luminance of stimuli was approximately 80cd/m2.Background luminance was below 1 cd/m2 and, hence, contrast was close to 1.0. Refresh rate was 100 Hz with a spatial resolution of 1024x768 pixels in the backward masking experiment and of 150Hz with 640x480 pixels in the temporal integration and figure-ground segmentation tasks.

1.2.4 ProcedureThe experiments were carried out in five steps.

1.2.4.1 Visual acuity

First, we determined binocular visual acuity of patients and healthy controls by means of the Freiburg visual acuity test (Bach, 1996). To participate in the following experiments, observers had to reach at least acuity of 0.8 (equivalent to 20/25 Snellen).


1.2.4.2 Critical vernier duration

A vertical vernier stimulus is composed of two vertical bars that are slightly displaced in the horizontal direction. In each trial, the vernier offset was chosen randomly to be either to the right or left. In a binary forced choice task, observers were asked to indicate the direction of this offset. Errors and omissions were followed by an auditory signal. To introduce observers to the experimental paradigm and to determine individual vernier durations - that were used in all following experiments - we presented a single vernier with a constant spatial offset of 46’’ (3600” = 60arcmin = 1arcdeg). For each observer, we tried to find the vernier duration for which the threshold of vernier offset discrimination was about 75% correct. Presentation of verniers started with 150ms and was subsequently adjusted by the adaptive procedure PEST (Taylor & Creelman, 1967). To join the following experiments, a vernier duration shorter than 100 ms was required. Because of the refresh rate of the monitor minimal duration was 10ms. Four patients did not meet this predefined criterion and were excluded from the study.

1.2.4.3 Critical ISI in visual backward masking (ISIBM)

We then adjusted the target-mask inter stimulus interval (ISIBM) to yield a performance level of 75% correct responses for a vernier with a constant offset of about 70”. The ISIBM is defined as the time difference of vernier disappearance and mask onset (Fig. 1-1) and was determined by the adaptive procedure PEST (Taylor & Creelman, 1967).

The mask was a grating comprising 25 elements (see Fig. 1-1A). The grating elements were aligned verniers, i.e., verniers without horizontal offset. Vernier and grating elements were about 21’, long separated by a small vertical gap of 50”. The horizontal distance between elements of the grating was about 3.3’. The vernier and the central element of the grating appeared always in the middle of the screen. The (virtual) middle of vernier was in the centre of the screen. Gratings appeared for 300 ms.

The task for the observer was to indicate the offset direction of the vernier. Error feedback was provided throughout the experiment. Two thresholds were determined in blocks of 80 presentations each. The mean of both ISIBM thresholds served for statistical analysis.


Fig. 1-1 Schematic illustration of experimental setups A) The shine-through masking paradigm. A vernier, i.e. two vertical bars that are slightly offset in the horizontal direction, is followed by a grating after a variable ISI, i.e. a blank screen. The task of the observers is to indicate the offset direction of the vernier which is either offset to the left or right. The following grating makes this task difficult, particularly for short ISIs. B) The temporal integration paradigm. Two frames with 12 dots each are presented with a variable ISI (the grid is only shown for illustrative purpose and was not present in the experiment). The task of the observer was to indicate the side of the missing dot. The task becomes more difficult with longer ISIs.

1.2.4.4 Critical ISI in temporal integration (ISITFF)

In the temporal integration paradigm two frames containing 12 dots each (with diameter 1.9’; ‘ = arcmin) were displayed for 13.3 ms, separated by a variable inter stimulus interval (ISITI). Together the 2x12 dots produce a square with one dot missing, either on the left or else on the right side of the stimulus (none of the five dots at the vertical midline was ever omitted, see Fig. 1-1). All dots were located on a virtual matrix, with horizontal and vertical separations of 20’. The task of the observers was to indicate by button press on which side (left or right) a dot was missing.

We estimated the threshold (performance level corresponding to 75% correct) by means of an adaptive staircase procedure, QUEST (Watson


& Pelli, 1983) presenting 80 trials and starting with an ISITI of 0ms. The measurement was repeated once and the mean served for statistical analysis.

1.2.4.5 Critical �t in temporal figure-ground-segmentation

For temporal figure-ground-segmentation, we used a paradigm introduced by Kandil and Fahle (2001) presenting 14 (width) x 10 (height) colons in random orientation, which rotated around their imaginary midpoint by 90° at defined points in time. Individual dots had a diameter 1.2’ and the distance between the two dots of a colon was about 6.2’. Colons were separated by 25’ both in horizontal and vertical direction. The target was a rectangle either to the left or right of the fixation point generated by 4x5 colons that fliped at a point in time differing from that of the background colons (Fig. 1-2). Background and target elements flipped at different times, and these time differences were varied in two different ways. In the phase reduction condition, target and background elements flipped with a constant frequency of 5Hz during the whole presentation. We determined the threshold delay (�t) between background and target flip for which observers could identify the side of appearance of the rectangle. Due to the basic frequency of 5Hz the adaptive staircase started with �t = 100ms.

In the frequency modulation condition, the delay between target and background flips was gradually reduced, starting at a frequency of 3.8Hz. This corresponds to �t = 133ms as a start value for the adaptive staircase procedure.

Fig. 1-2 Schematic illustration of temporal figure-ground-segmentation. The task ofthe observer was to indicate the side of the rectangle. By reducing �t between target and background flips (A) either while keeping the basis frequency constant (B, phase reduction) or by reducing it (C, frequency modulation), the task becomes gradually more difficult.


1.2.5 Neuropsychological tests We assessed sustained attention by means of the d2 test (Brickenkamp, 1994), global cognitive performance using the subtests 3 of the Horn “Leistungspruefsystem” LPS (Horn, 1983), and premorbid intelligence by a word recognition test “Mehrfachwahl-Wortschatz-Intelligenztest” MWT (Lehrl et al., 1991). The tests were usually performed after the experimental session but at the latest 3 days afterwards.

1.2.6 Statistical analysis The data were analysed by means of repeated measures analyses with the within-subject factor (ISI, backward masking vs. temporal integration) and a between-subjects factor (patients vs. controls). The same analysis was carried out for the figure-ground-segmentation experiment, but with the within-subject factor threshold �t (phase reduction vs. frequency modulation). All repeated measures analyses were corrected by the Greenhouse-Geisser formula, if necessary. In this case, degrees of freedom were truncated to integers.

1.3 Results

1.3.1 Psychopathology and neuropsychological tests Demographical data, psychopathological data (SANS and SAPS), chlorpromazine equivalents and results of the neuropsychological tests are depicted in table 1-1. The schizophrenic patients revealed only weak psychotic symptoms (SAPS) and stronger negative symptoms (SANS). Patients performed substantially worse than healthy controls in all neurocognitive tests.


Table 1-1 Demographical and clinical data of patients and controls

1.3.2 ISI in backward masking vs. temporal integration Results for patients and controls are depicted in Fig. 1-3.

To accommodate significant differences in age between groups we analyzed the data using a repeated measurement ANOVA with factors threshold (ISIBM vs. ISITI) ,group (patient vs. controls) and age as covariates. The main effect for threshold showed a trend [F(1,30)=4.07, p=.05], no significant difference for group [F(1,30)=0.46] and a significant interaction [F(1,30)=6.08, p=.02].

Post hoc unpaired t-test showed significant differences between groups both in ISIBM (T=3.0, p<.01) and in ISITI (T=-2.1, p<.05). Paired t-tests for patients showed no significant difference between ISIBM and ISITI (T=-1.2), but there was a high significant one for controls (T=5.6, p<.001).


Fig. 1-3 Results for backward masking and temporal integration. Mean thresholds ISIs (±SE) for patients and controls are shown.

1.3.3 Temporal figure-ground segmentation Results for patients and controls are depicted in Fig. 1-4.

Analysis for repeated measurement with factors threshold (phase vs. frequency) and group (patient vs. controls) as well as age as covariate showed a significant main effect for threshold [F(1,28)=13.7, p<.001], but not for group [F(1,28)= .37] and also no interaction [F(1,28)=1.69].


Fig. 1-4 Results for temporal figure-ground-segmentation. Mean thresholds (±SE) for phase reduction and frequency modulation areindicated.

1.4 Discussion We tested whether longer ISIs required by schizophrenic patients in a backward masking task are accompanied by longer visible persistence and deteriorated asynchrony perception as determined through a temporal integration and a temporal figure-ground-segmentation task. The results are negative. Whereas schizophrenic patients need clearly longer ISIs in the masking paradigm, ISIs were significantly shorter in the temporal integration paradigm (Fig. 1-3) and not the other way around as expected from a prolonged visible persistence. There were no differences in detecting asynchrony between schizophrenic patients and healthy controls as tested through a temporal figure-ground segmentation task (Fig. 1-4). Hence, our results neither support the notion of a prolonged visible persistence in schizophrenic patients nor of a prolonged window of simultaneity, but indicate instead a stronger susceptibility to interference between stimuli presented in close spatial and temporal proximity.

If, indeed, schizophrenic patients would show a decreased temporal resolution caused either by a slowed down processing (Yates, 1966) or by longer visible persistence, performance of patients should be better


(at least not worse) than performance of controls when tested with temporal integration paradigms. Analogously, if temporal organization would be deteriorated in schizophrenic patients, performance in the figure-ground-segmentation experiments should have been deteriorated because the figure could only be distinguished from the background by purely temporal cues, i.e. small phase differences in presentation.

Figure-ground-segmentation, relying on purely temporal cues, is thought to be mediated by synchronous neural activity (Leonards et al., 1996; Singer, 2001). Deteriorated temporal organization in schizophrenic patients is attributed to aberrant neural synchronous activity (Green et al., 1999; Braus, 2002). But our results do not yield positive evidence for an aberrant synchronization in schizophrenic patients because patient’s performance was not affected in these tasks. But if the difference in performance does not rely on aberrant synchronization, what may be the cause for the differences between schizophrenic patients and healthy controls in temporal aspects of visual perception?

Schizophrenic patients require longer ISIs in a backward masking task to detect or identify a target. Moreover, two flash fusion (TFF) experiments provided evidence for prolonged visible persistence in schizophrenic patients. In these experiments, two identical stimuli (gratings) were presented at the same position, separated by an ISI. Schizophrenic patients needed significantly longer ISIs in this paradigm to separate the flashes perceptually, hence it was assumed that the first grating has a longer visible persistence (Schwartz & Winstead, 1982; Schwartz et al., 1988; Schwartz et al., 1994). A prolonged visible persistence may be related to a broader window of simultaneity - which was actually found for schizophrenic patients (Foucher et al., 2007). In general, it seems that temporal processing is slowed down in schizophrenic patients. Accordingly, Slaghuis (Slaghuis, 2004) showed that patients with negative symptoms had longer target duration thresholds and stronger masking effects. They explained their findings by longer temporal integration times that patients need to accumulate target evidence in a contrast detection task to reach a threshold comparable to controls.

Our results show that visual processing in schizophrenic patients is not just slowed down generally but changed in more complex ways and are


in line with those of Keri et al. (2000) who did not find a correlation between contrast detection threshold and backward masking. Also Weiss et al. (1992), using letters instead of gratings, failed to find prolonged visible persistence in a TFF task in schizophrenic patients. The different results reported in the literature may be explained by different experimental settings. The setup used in our study to determine visible persistence differs from those reported in most of the literature concerning the retinal position of the two flashes because our visual stimuli were not spatially overlapping. This procedure prevents the second frame from acting as a backward mask and therefore does not interrupt the processing of the first frame. Hence, our results can be explained by postulating normal visual persistence and increased interference between stimuli presented in nearby locations.

A second possible explanation would postulate that decreased visible persistence may cause our results in the temporal integration experiment. But a shorter visible persistence of the target is generally considered to mean that the target representation is vulnerable for a shorter time. Hence, masking performance in the patients should be better than in the controls. However, this is not the case. Masking performance is clearly deteriorated in accordance with almost all studies on backward masking in schizophrenic patients. Hence we must reject the second possible explanation. In summary, neither a simple prolongation nor a shortening of temporal integration can explain all of the results, so more complex changes must occur such as an extremely strong increase of rather local stimulus interference.

Acknowledgments

The authors report no biomedical financial interests or potential conflicts of interest with respect to this study. CG was supported by Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). We thank Jennifer Meschke for assistance in recruiting and testing some of the patients.

161

2 Collinear contextual suppression in schizophrenic patients

Schütze C, Bongard I, Marbach S, Brand A, Herzog MH (2007) Collinear contextual suppression in schizophrenic patients. Psychiatry Research, 150 (3), 237-243.

Abstract

Schizophrenic patients show aberrancies of contextual processing over a broad range. Of particular importance are low level contextual deficiencies since they might cause higher level processing deficits. It was previously found that schizophrenic patients reveal diminished contextual facilitation in visual detection tasks taken as an indication of a modified neural circuitry. Here, we show that contextual suppression is not affected. Sixteen schizophrenic patients and sixteen healthy controls participated in a backward masking task in which a vernier target was followed by a masking grating. In accordance with a previous publication, schizophrenic patients needed longer SOAs between the vernier and the grating onset to obtain a performance level comparable to healthy controls. To study contextual processing we added single collinear lines to the grating. These lines yielded a strong impairment of performance in patients and controls. This impairment is comparable between the two groups if SOAs were individually adjusted. Hence, whereas contextual facilitation is deficient, contextual suppression seems to be intact in schizophrenic patients.


2.1 Introduction Schizophrenic patients show strong contextual deficits in sensory, semantic, cognitive, and emotional processing. Because of this broad range of deficiencies, it was proposed that contextual processing is a core deficit in schizophrenia (for a recent review see Uhlhaas & Silverstein, 2005). Since basic contextual processing deficits may yield contextual aberrancies on higher stages, it is important to determine early contextual processing deficiencies.

Several studies have shown that visual contextual processing and perceptual organization are diminished in schizophrenic patients (Place & Gilmore, 1980; Silverstein et al., 1996; e.g. Goodarzi et al., 2000; Parnas et al., 2001; Phillips & Silverstein, 2003; Must et al., 2004; Keri et al., 2005). For example, a Gabor target was presented in the center of the screen either in a first or second presentation interval which observers had to indicate. The other interval was a blank screen. To study contextual effects, two additional Gabors were presented in both intervals. The spatial position of these Gabors was the same in both intervals. One Gabor was displayed above the other below the center, hence, flanking the target Gabor if presented. These flanking Gabors can improve contrast detection in the healthy observer whereas only weakly, if at all, in the schizophrenic patient (Must et al., 2004; Keri et al., 2005). These and related effects might be explained by altered neural excitatory connections in the patients (Silverstein et al., 2000; Keri et al., 2005).

Contextual elements can facilitate performance in the healthy observer but can also deteriorate it (e.g. Ejima & Takahashi, 1985). One particular interesting example of contextual suppression was introduced by Herzog et al. (2003a). The authors showed that even collinear contextual lines can deteriorate performance if the target is backward masked. This result surprises since collinear elements usually do not deteriorate performance (Polat & Sagi, 1993; e.g. Dresp, 1993; Kapadia et al., 1995). Because of the masking nature, the finding of collinear suppression points to interferences during the first steps of visual processing. Using this paradigm, we asked the question whether

Collinear contextual suppression 163

contextual suppression is affected in schizophrenic patients, too, possibly indicating a general contextual visual processing deficit or whether deficits are restricted to contextual facilitation.

Fig. 2-1 Masking paradigms. A vernier was followed by a grating with 25 elements (A), this grating and two collinear elements (B), or this grating plus 2×25 collinear elements (C). Performance and shine-through in (A) and (C) are comparable whereas performance and vernier visibility are strongly deteriorated with two collinear contextual lines (B).

We presented a vernier target followed by a masking grating (Fig. 2-1A).A vertical vernier consists of two vertical bars that are slightly offset in the horizontal direction. This offset direction is randomly varied from trial to trial. Observers have to indicate the perceived offset direction. If a grating, comprising 25 aligned verniers, follows the target vernier, this vernier shines through the grating. Masking is rather weak, i.e. performance is good, in the healthy observer. Surprisingly, any manipulation making the grating inhomogeneous deteriorates the shine-through effect (Herzog et al., 2001). For example, shine-through disappears when the 25 element grating is accompanied by two single contextual lines (Fig. 2-1B, Herzog et al., 2003a). Hence, contextual suppression has occurred. Surprisingly, shine-through is restored if contextual gratings, instead of single contextual lines, accompany the 25 element grating — even though these contextual gratings contain the single contextual lines of the previous condition (Fig. 2-1C). Hence, the existence of the lines itself is not sufficient to explain contextual


suppression, therefore, indicating sophisticated spatial processing (Herzog & Fahle, 2002; Herzog et al., 2003a). In the following experiments, we will investigate the effects of contextual collinear lines on performance in schizophrenic patients.

2.2 Methods

2.2.1 General set-up Stimuli were displayed on an EIZO monitor F563-T controlled by a PC. Subjects observed the stimuli from a distance of 2.5 m in a room illuminated dimly by a background light (around 0.5 lx). A pixel comprised about 23� (seconds of arc) at this distance. Stimuli were white on a black background. Luminance of stimuli was approximately 80 cd/m2. Background luminance was below 1 cd/m2 and, hence, contrast was about 1.0. Refresh rate was 100 Hz.

In the standard condition, a vertical vernier preceded a grating comprising 25 elements (see Fig. 2-1A). A vertical vernier is composed of two bars that are slightly displaced in the horizontal direction. In each trial, the vernier offset was chosen randomly offset either to the right or left. In a binary task, observers were asked to indicate this offset direction. Errors and omissions were indicated by an auditory signal.

The grating elements were aligned verniers, i.e., verniers without horizontal offset. Vernier and grating elements were about 1230” (arcsec) long separated by a small gap of 30” (3600” = 60 arcmin = 1 arcdeg). The horizontal distance between elements of the grating was about 200”. The vernier and the central element of the grating appeared always in the middle of the screen. The (virtual) middle of vernier offset was in the center of the screen. Gratings lasted for 300 ms.

In the contextual conditions, two additional vertical lines (about 400” each) were presented for 30ms above and below the centre element of the 25 element grating (see Fig. 2-1B). The vertical gap between the collinear line and the grating was 200”. We varied the onset of these lines relative to the grating onset between 0 and 500ms (SOAcol; Fig.2).


2.2.2 ObserversAll patients and healthy controls were informed about the general purpose of the experiment and signed informed consent. Subjects were told that they could quit the experiment at any time they wish. A total of 21 schizophrenic patients, according to DSM-IV, participated in the study. Four patients had to be excluded (see below for details). One patient did not want to finish the experiment. The demographical and clinical data from the remaining 16 patients and from 16 controls are listed in table 2-1.

2.2.3 Diagnosis and psychopathology Schizophrenic observers were in-patients from the Centre for Psychiatry and Psychotherapy at the “Klinikum Bremen-Ost”. Diagnosis was made according to DSM-IV based on a clinical interview, the medical record, and interviews with the hospital staff. Exclusion criteria were age older than 50 years, diagnosis of a neurological disease, and recent substance abuse. For the assessment of the psychopathological condition, the SANS and the SAPS were used (1983; Andreasen, 1984). Diagnosis and psychopathological ratings were carried out by an experienced senior psychiatrist (A.B.) within the week following the day of testing. Psychopathological rating was based on the symptoms existing in the week preceding the rating. With this method we determined symptoms with a close temporal relation to the testing.

All patients were receiving neuroleptic medication: olanzapine, clozapine, risperidone, ziprasidone, amisulpride, aripiprazol or flupentixol. Two patients received two of these neuroleptics. One patient took biperiden, three patients took an additional antidepressant, one patient valproinic acid, and 5 patients received lorazepam. Chlorpromazine equivalents were calculated according to the Agency for Healthcare Research and Quality (Agency for Healthcare Quality and Research, 1998). Ziprasidone and Aripiprazol were calculated with equivalence factors of 10 and 25, respectively.


2.2.4 Neuropsychological tests We assessed sustained attention by the d2 test (Brickenkamp, 1994), global cognitive performance by the subtests 3 and 4 of the Horn Leistungspruefsystem LPS (Horn, 1983), and premorbid intelligence by a word recognition test (Mehrfachwahl-Wortschatz-Intelligenztest, MWT; Lehrl et al., 1991). Tests were usually performed after the experimental session but latest 3 days after.

2.2.5 ProcedureThe experiments were carried out in subsequent steps.

2.2.5.1 Visual acuity

First, we determined visual acuity of patients and healthy controls by standard tests using number digits as target elements. To participate in the following experiments, observers had to reach acuity of 0.8 (equivalent to 20/25 snellen) at least. One patient and one control subject had to be excluded from the study because of reduced visual acuity.

2.2.5.2 Vernier duration

To introduce observers to the experimental paradigm and to assess individual vernier durations, we presented verniers for various durations without a grating following. For each observer, we tried to find the vernier duration for which the threshold of vernier offset discrimination was about 46” (arcsec). Verniers were presented for 150 ms in the first block for all observers. In the following, we reduced the vernier duration when thresholds for offset discrimination were below the predefined value of 46”, while increasing it otherwise. To join the following experiments, a vernier duration shorter than 100 ms had to be reached. One patient did not meet this predefined criterion and was excluded. These vernier durations were used in the following experiments for each observer individually.

2.2.5.3 Standard condition (SOA)

After having determined each observer’s individual vernier duration, we adaptively assessed target-mask SOA to yield a performance level of


75% correct responses for a vernier with a constant offset of about 70”. The SOA is defined as the time difference of grating and vernier onset (Fig. 2-2). The SOA was determined by the adaptive procedure PEST (Taylor & Creelman, 1967). Hence, we did not determine performance by an examination of a set of SOAs but directly determined the masking effect. Two thresholds were determined in blocks of 80 presentations each. Subjects who were not able to attain threshold performance of 75% correct responses with SOAs below 400 ms were excluded. Two patients failed in this test while all healthy subjects passed. The mean of both SOA thresholds was used in the following experiments.

2.2.5.4 Control condition (25 element mask)

To verify individual SOAs, all subjects performed a control condition. In this condition, we determined adaptively the spatial offset (arcsec) of the preceding vernier to yield a score of 75% correct responses while we used the individual vernier duration and SOA as determined in the conditions before (in the standard and control condition the dependent and independent measures are exchanged respectively). In this case, the adaptive method PEST started with a vernier offset size of 140”. Threshold would be expected to be about 70” because this was the constant offset in the standard condition. For one patient, the threshold was much lower than expected. For this patient, we therefore reduced the SOA in the next part of the experiment to obtain a comparable baseline performance of all observers.

2.2.5.5 Contextual conditions (collinear elements)

In the next step, we presented collinear elements together with the standard 25 element grating. We varied the onset of two collinear elements relative to the grating onset (Fig. 2-2). As vernier duration and vernier-grating SOA, we used the values determined before individually for each observer.


Fig. 2-2 Temporal configuration. We determined the vernier duration for each observerindividually without a masking grating (step 1). In the second step, we determined the SOA between vernier and grating onset individually. These two values were used in the third step, in which collinear lines were presented in addition to the grating. Stimulus onset asynchrony between grating and collinear lines onset was varied (SOAcol). For a SOAcol=0 ms, the collinear elements and the grating were presented simultaneously. In the above condition, SOAcol is larger than 0 ms and hence the grating is not accompanied by contextual lines at its onset.

The collinear lines were displayed for 30ms. Five blocks of onset times (SOAcol) were tested in pseudorandom order (0, 50, 100, 250 and 500ms). A SOAcol of 0ms means that the collinear lines started at the same time as the grating (being presented for 30ms whereas the grating lasted for 300 ms). In the 500ms condition, the 25 element grating had disappeared already. The dependent variable was the vernier offset threshold ascertained by the PEST strategy, starting at 140”. If no threshold could be calculated since the vernier was invisible due to the collinear elements, a value of 350” was recorded.

2.2.6 Statistical analysis The data were analysed by means of repeated measures analyses. The comparison of the control condition and the contextual condition (SOAcol = 0) was calculated with a within-subject factor of 2 levels [control condition and the collinear condition (SOAcol = 0)] and a between-subjects factor of two levels (patients vs. controls). The


comparison of the various SOAcol was performed via a within-subject condition factor with 5 levels (SOAs = 0, 50, 100, 250 and 500ms) and the between-subject factor as described above. All repeated measures analyses were corrected by the Greenhouse-Geisser formula, if necessary. In this case, degrees of freedom were truncated to integers (Bortz, 1999).

2.3 Results

2.3.1 Psychopathology and neuropsychological tests Demographical data, psychopathological data (SANS and SAPS), chlorpromazine equivalents and results of the neuropsychological tests are depicted in table 2-1. The schizophrenic patients revealed only weak psychotic symptoms (SAPS) and stronger negative symptoms (SANS). Patients performed substantially worse than healthy controls in all neurocognitive tests apart from LPS 3 and the Mehrfachwahl-Wortschatz-Intelligenztest indicating similar premorbid intelligence.


Table 2-1 Demographical and Clinical Data of patients and controls

Schizophrenic patients

(n = 16)a

Healthy controls

(n = 16)b

t P

Mean SD Mean SD

Age (years) 25.8 7.8 28.3 7.3 -.93 .36

Education (years) 12.2 3.0 13.6 2.5 -1.44 .16

Visual acuity 1.2 0.3 1.2 0.2 .66 .51

Duration of illness(years) 5.0 3.2

CPZ (mg) 646.6 334.2

SANS 11.9 2.6

SAPS 4.6 3.7

d2c 48.1 7.9 60.9 11.9 -3.54 <.01

MWT c 54.8 12.0 60.2 7.6 -1.51 .14

LPS 3 c 57.0 8.1 61.7 7.5 -1.69 .10

LPS 4 c 51.9 9.2 61.8 7.4 -3.27 <.01

SD=standard deviation, CPZ=chlorpromazin equivalents, SANS=Scale for the Assessment of Negative Symptoms, SAPS=Scale for the Assessment of Positive Symptoms, d2=‘Aufmerksamkeits-Belastungstest’, MWT=‘Mehrfachwahl-Wortschatz-Test’, LPS=‘Leistungspruefsystem’. a Including one female. b Including three females. c Results are given in T-values.

2.3.2 Individual vernier duration and individual SOA An ANOVA showed that the critical vernier duration was longer for the patients than for the controls (Fig. 2-3A; 38.1±26.9 and 23.1±7.9, respectively; F [1,30]=4.6, p=0.04). The threshold SOAs of the schizophrenic patients were substantially longer than those of healthy controls (Fig. 2-3A; 74.3±56.2 and 28.5±23.2, respectively; F [1,30]=9.1, p=0.005).


Fig. 2-3 (A) Mean vernier duration and SOA (±SD) for patients and controls.Patients need longer vernier durations and longer SOAs than controls. (B) Control condition. Mean threshold for vernier offset discrimination (±SD). Controls performed, unexpectedly, better than 70�, which was the constant offset in the standard condition. Performance should be comparable since control and standard condition differ only by exchanging the dependent with the independent variable.

2.3.3 Collinear elements (SOAcol = 0ms) vs. control condition

In the control condition with the 25 element grating, patients showed worse performance than control subjects with a tendency for statistical significance (Fig. 2-3B; 61.7±23.3 and 47.2±17.9, respectively; F [1,30]=3.9, p=0.06).

When the collinear elements were presented simultaneously with the grating (SOAcol = 0), both groups showed a significant decrease in performance (Fig. 2-4). A repeated measures analysis with a condition factor (two levels: control condition and collinear condition with SOAcol = 0) and a group factor revealed a significant condition effect


(F [1,30]=50.2; p<0.0001) but no significant interaction (F [1,30]=0.07; p=0.79) and no significant group effect (F [1,30]=0.22; p=0.65).

Fig. 2-4 Results of patients and controls for differentSOAcol (±SD). With increasing SOAcol, performance improves in both groups comparably.

2.3.4 SOA of collinear lines (SOAcol)Vernier offset thresholds for the five different SOAcol are shown in figure 2-4. A repeated measure analysis with a within-subject condition factor (5 levels: SOAcol) showed a significant effect of the SOAcol

(F [3,97]=10.3; p<0.0001) but no significant group effect (F [1,30]=0.96; p=0.33). Both groups started with high values in the condition with a SOAcol of 0ms with decreasing thresholds for increasing SOAcol. The decrease of the values was similar for controls and patients, because there was no interaction (F [3,97]=0.29; p=0.84).


2.4 Discussion If a grating follows the vernier target, schizophrenic patients show stronger masking effects compared to healthy controls (Fig. 2-3A; SOAs are shorter in this present study compared to those of a previous investigation (Herzog et al., 2004). This increased sensitivity to masking cannot be explained with a general temporal or spatial deficit such as a slow motion processing or a spatial low pass filtering respectively as shown previously (Herzog et al., 2004).

It seems that also contextual processing with the shine-through effect is intact in schizophrenic patients. Adding collinear lines to the grating yields a tremendous deterioration of performance for controls as well as for patients (Fig. 2-4, SOAcol=0ms). If there would be no influence of the contextual lines on the target, performance for patients would be comparable to the control condition without the collinear lines. Hence, a deteriorated performance indicates intact processing. To the contrary, Dakin et al. (2005) showed that schizophrenic patients are less affected by a contextual surround than controls (see also Place & Gilmore, 1980).

Since, in our paradigm, the contextual lines are not related to the task, performance does not deteriorate because of unspecific factors such as, for example, task understanding or general attention deficits.

We determined the time course of contextual suppression by varying the onset of the collinear elements in relation to the grating onset. Increasing the SOAcol of collinear elements yields a comparable improvement of performance in both groups (Fig. 2-4). Hence, for individual vernier durations and SOAs, patients and controls show comparable contextual suppression. However, patients need longer SOAs in the standard condition. For patients, we used in the mean SOAs of about 75ms but still strong collinear suppression occurred whereas controls needed SOAs of 35ms only. Hence, patients are sensitive to the collinear lines for rather long periods. Since we used individual vernier durations and SOAs for patients, the collinear suppression, we show in this contribution, is not caused by the masking of the grating itself or a too short target duration. Deteriorated performance is caused by adding the collinear, contextual lines. From this result, we infer intact contextual


suppression rather from a direct comparison with results of healthy controls.

Must et al. (2004) and Keri et al. (2005) showed that schizophrenic patients show a reduced collinear facilitation. For example, if a target Gabor patch is flanked by collinear Gabor patches, performance is better than without the flanking Gabors in healthy controls. This facilitation is much weaker in schizophrenic patients. The authors relate these effects to modified excitatory neural connections. If contextual effects would be comparable in these paradigms and ours, suppression should be weaker in patients compared to controls in our paradigm - and hence performance should improve paradoxically compared to healthy controls. However, this is not the case.

Collinear suppression, as found in the shine through paradigm, is in contrast to the Gestalt law of good continuation and to most, if not all, findings with healthy controls in contextual modulation: collinear elements usually enhance but do not deteriorate performance (Fig. 2-1; Herzog et al., 2003a; Herzog et al., 2003b). The major difference between these studies and ours is that we used a backward masking procedure. We do not doubt the facilitating effects of collinear elements but claim that these effects are not present if targets are efficiently backward masked. For example, collinear facilitation may be mediated by long and short range excitatory interactions not in operation during the beginning of cortical target processing since inhibition and excitation may have different temporal characteristics (Vidnyanszky et al., 2001; Polat & Sagi, 2006). Inhibition may be present right from the beginning. Hence, the mask may erase the target before collinear excitation comes into play (Herzog et al., 2003a). It should be noted that without the masking grating, performance is comparable whether or not collinear lines accompany the vernier in healthy observers (Herzog et al., 2003a).

It seems that excitatory but not inhibitory neural connections are changed in schizophrenic patients. In this line of argumentation, Keri et al. (2005) showed that contextual Gabors, close to the target Gabor, exert the “normal” suppression comparable in patients and controls whereas Gabors further apart show a strongly diminished contextual facilitation for schizophrenic patients.

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205

Anhang

207

DanksagungMein herzlicher Dank gilt allen Patienten, die sich trotz ihrer teils schweren Erkrankungen bereit erklärten, an den grundlagenwissen-schaftlichen Untersuchungen teilzunehmen — ganz besonderer Dank an HPK und HE.

Größten Dank auch schulde ich meinem Doktorvater Prof. Dr. Manfred Fahle, der mir die Dissertation an seinem Institut ermöglichte. Neben seinem Ideenreichtum, der sich auf alle Phasen wissenschaftlichen Arbeitens erstreckt, konnte ich mir stets auch seiner konstruktiven Kritik, seiner Geduld und vor allem seines persönlichen Rückhalts sicher sein.

Prof. Dr. Stephan Brandt möchte ich dafür danken, dass er seinen Sachverstand für die Begutachtung dieser Arbeit zur Verfügung stellt.

Prof. Dr. Helmut Hildebrandt verdanke ich nicht allein den Anstoß, mich mit der Neurowissenschaft zu befassen, sondern auch den Kontakt zum Institut für Human-Neurobiologie und die Möglichkeit, in direktem Kontakt mit Patienten im Klinikum Bremen Ost sehr viel über die strukturelle und funktionelle Anatomie des Gehirns lernen zu können.

Für die fruchtbare und nachhaltige Kooperation mit den Bremer Kliniken danke ich Prof. Dr. Günther Schwendemann und allen Mitarbeitern, ganz besonders Dr. Freimuth Brunner und Dr. Markus Ebke, die im aufreibenden Klinikalltag immer noch Zeit gefunden haben, die Patientenrekrutierung zu ermöglichen.

Bei der „Schizophrenia research group“, d.h. Prof. Dr. Michael Herzog, Dr. Andreas Brand, Sonia Marbach, Ines Bongard, Jennifer Meschke, Liza Reichard und Wenke Wurch, bedanke ich mich für die gute Organisation, die Diskussionen und die Unterstützung bei der Durchführung und Dokumentation der Experimente.

Den Mitarbeitern des Instituts für Human-Neurobiologie: Dr. Karoline Spang, Dennis Trenner, Margret Harms, Margie Limberg, Manuela Jagemann, Dr. Sven Wischhusen, Tina Friederich, Daniela Högl, Mona Bornschlegl und Marc Schipper danke ich für die zahlreichen kleinen und großen Hilfen, ihre Mitwirkung als Versuchspersonen und ihre Unterstützung bei der (Organisation der) wissenschaftlichen Arbeit in


den vergangenen Jahren. Vor allem Dennis Trenner möchte ich für die Programmierung der in Kapitel II-1 und IV-1 verwendeten Reize danken!

Dr. Birgit Mathes – mir immer einen Schritt voraus (DHK!) – danke ich für unsere gemeinsame Zeit am Institut, für die Bäckergänge („Nein, ich zahle!“), für die Spaziergänge („Noch eine Runde?“) und ihren Tiefgang bei der Beantwortung grundlegender Fragen („Ist das so?“). Für die Fortführung dieser Diskussion („Kann das wirklich so sein“?) danke ich Sirko Straube. Ohne unsere vielen Streitgespräche hätte ich längst nicht so viel über das visuelle System gelernt („Aber wer hatte nun recht“?).

Ein herzlicher Dank auch an Alle, die mir in den letzten Wochen der Arbeit zu Seite standen, sei es durch die Diskussion einiger Details unter Hinzuziehung von wahlweise Espresso (Dr. Udo Ernst) oder Becks (Dr. Detlef Wegener), durch die Aufstellung von Zeitplänen, die einzuhalten mir nur für wenige Stunden gelang (Sina Trautmann), durch die tolle Umsetzung der Titelblattidee (Nadine Glasow), durch die Anfertigung einiger Abbildungen und eine relativierende Geisteshaltung (Julia Jaschkowitz), durch blitzartiges Korrekturlesen (Sirko Straube, Mona Bornschlegel und Manfred Fahle) oder durch geteiltes Leid bei den vielen Balkonpausen zu unsäglichen Zeiten (Lena Hochstein).

Der Deutschen Forschungsgemeinschaft danke ich für ihre finanzielle Unterstützung.

Meinen Eltern Reiner und Karina Schütze, sowie Heidrun Stojanoff, Reinhard Glasow, Arnulf und Urda Grimsen möchte ich für all ihre Unterstützung ganz herzlich danken.

Herr Grimsen und nun Sie!

209

Eigenständigkeitserklärung

Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig und nur mit den angegebenen Hilfsmitteln angefertigt habe, und dass ich alle Stellen, die dem Wortlaut oder dem Sinn nach anderen Werken, auch elektronischen Medien, entnommen sind, durch Angabe der Quellen als Entlehnung kenntlich gemacht habe.

____________________ ____________________

Ort, Datum Unterschrift

211

LebenslaufName, Vorname Grimsen, Cathleen (geb. Schütze)

Geburtsdatum 15.05.1977

Geburtsort Bautzen

Staatsangehörigkeit deutsch

Anschrift Universität Bremen Institut für Human-Neurobiologie Hochschulring 18 28359 Bremen

Telefon 0421 21863003

e-mail [email protected]

Schulischer Werdegang

1983 - 1991 Maxim-Gorki Schule Kamenz (POS)

1991 - 1995 Lessingschule Kamenz (Gymnasium)

06/1995 Abitur

Beruflicher Werdegang

09/1995 – 08/1996 Freiwilliges Soziales Jahr in der Neurologischen Rehabilitationsklinik für Kinder und Jugendliche in Bremen

10/1996 Beginn des Psychologiestudiums

08/1999 Vordiplom

10/1998 – 07/2002 Tutorin der experimentalpsychologischen Praktika am Institut für Psychologie und Kognitionsforschung Bremen

04/2001 – 10/2001 Praktikum im Zentralkrankenhaus Bremen Ost (Neurologische Frührehabilitation)

09/2002 Diplom

Seit 10/2002 Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Human-Neurobiologie

Zerebral bedingte Sehstörungen

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