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Modulation of Stimulus Driven Neuronal Oscillations by the Emotional and Motivational Significance of Visual Stimuli

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2005

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Moratti, Stephan

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Modulation stimulus-getriebener neuronaler Oszillationen durch die emotionale und motivationale Bedeutung visueller Reize
Publikationstyp
Dissertation
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Zusammenfassung

The aim of the present thesis was to investigate oscillatory cortical activity evoked by repetitive visual stimulation using stimuli with varying emotional content. It was not subject of the current work to infer feelings, thoughts or moods individuals had during affective stimulus depiction from neuromagnetic responses measured with magnetencephalography. As emotions were understood as phasic reactions of motivational systems to distinct biologically significant stimuli in the environment of an individual preparing it for action, the main question was rather how visual stimuli of high motivational significance for the organism were processed in sensory and association cortex. One of the main hypothesis was that stimuli with high motivational impact for the individual should lead to a facilitated processing in visual sensory brain regions such as extrastriate cortex in order to extract relevant information more effectively from the environment and to promote preparing for proper action.
In order to introduce the main method of steady state stimulation a steady state visual evoked potentials study was presented in chapter 1, demonstrating two important features of the such signals; amplitude peak around the repetition frequency of the stimuli and a stable phase of the elicited waveforms over a longer time period. In chapter 2 basic principles of linear mixed models were described that were intensively used in chapters 4 and 5.
The main finding of chapter 3 was that high arousing visual stimuli generate greater neuromagnetic responses in visual and parietal cortex. Using pictures from the International Affective Picture System (IAPS), it was demonstrated that arousing pleasant and unpleasant pictures engage fronto-parietal cortical networks and extrastriate cortex to a greater extent than neutral low arousing pictures. Concurrent measurement of heart rate change during picture depiction and recorded viewing times of the subjects assessed after the experimental session, indicated that the affective stimuli were actually of high motivational relevance. As fronto-parietal cortex is discussed as part of a general attention network, it is possible that such a network is engaged during affective picture viewing.
In chapters 4 and 5, it was demonstrated that not only complex stimuli like pictures of the IAPS set can mediate high motivational relevance. Using delayed aversive Pavlovian conditioning paradigms, it was shown that simple gratings paired with an aversive noise generated more activity in visual sensory and parietal cortex than gratings never paired with the unconditioned stimulus. Interestingly, only subjects reacting with an heart rate increase in response to the reinforced conditioned stimulus during acquisition trials demonstrated the facilitated cortical neuromagnetic response. Heart rate increase to aversive stimuli have been considered as fear responses in the conditioning literature.
To date, many researchers in the field of affective neuroscience have considered the amygdala as a neuronal core substrate for emotional evaluation of stimuli and autonomic reaction in response to them. Direct projections from the thalamus to the amygdala have been discussed as a fast route for fear relevant information circumventing slow detailed cortical processing. Efferents from the amygdala to various stages of visual and temporal cortex in turn, could be one possible way to facilitate visual processing of motivational relevant stimuli at early stages of visual stimulus processing. However, the present data also suggests that cortical attention mechanism possibly sharing the same neuronal substrate as attention systems discussed in spatial selective attention could enhance feature processing in visual cortex. A network comprising parietal and frontal cortex could be a candidate for a general attention system also engaged in motivated attention in emotion. The studies presented in the current thesis have shown the involvement of parietal cortex in processing of affective pictures as well as of aversively reinforced simple gratings coinciding with enhanced activity in visual cortex. Therefore, attentional processes during processing of affective stimuli should be investigated in future research more intensively in order to further elucidate brain mechanism of affective processing.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung oszillatorischer, neuronaler Aktivität, die durch repetetive Darbietung von Reizen mit unterschiedlichen affektiven Gehalts evoziert wurde. Es sei betont, dass aus den neuromagnetischen Daten nicht auf die Gefühle, Gedanken oder Gemütslagen der Versuchsteilnehmer während der Betrachtung affektiven Bildmaterials geschlossen werden kann. Die vorliegende Arbeit versteht Emotionen als phasische Reaktionen des motivaitonalen Systems eines Organismus, welches die Handlungen eines Individuums bezüglich distinkter, biologisch signifikanter Reize in der Umgebung disponiert. Somit ergab sich die Frage, wie motivational relevante, visuelle Reize im sensorischen- und Assoziationskortex verarbeitet werden. Eine der Haupthypothesen bestand aus der Annahme, dass Stimuli, welche für das Individuum eine hohe motivationale Relevanz besitzen, effektiver in sensorischen Hirnregionen wie dem extrastriatalen Kortex verarbeitet werden, damit wichtige Informationen aus der Umwelt extrahiert werden können und diese als Grundlage für eine angemessene Handlungsvorbereitung dienen.
Um den Leser mit der Hauptmethode der Steady State Stimulation vertraut zu machen, eröffnete das erste Kapitel mit einer Studie zu Steady State evozierten Potentialen, um zwei Hauptmerkmale solcher Signale zu demonstrieren: Amplitudenmaxima an der Stimulationsfrequenz und eine stabile Phase der Wellenformen über einen längeren Zeitraum hinweg. Im zweiten Kapitel wurden Basiskonzepte von linear mixed models (LME) dargestellt, welche intensiv in den Kapiteln 4 und 5 Anwendung fanden.
Das Hauptergebnis aus Kapitel 3 bestand darin, dass hoch erregende Bilder eine größere neuromagnetische Antwort im visuellen und parietalen Kortex generierten. Durch die Verwendung von Bildern aus dem Internationalen affektiven Bilder System (IAPS) konnte gezeigt werden, dass erregende, angenehme und unangenehme Bilder fronto-parietale kortikale Netzwerke sowie den extrastriären Kortex stärker involvieren als niedrig erregendes Bildmaterial. Die gleichzeitige Messung der Herzratenveränderung während der Bildpräsentation und die Aufzeichnung der Bildbetrachtungszeiten nach dem Experiment, konnte zeigen, dass die hocherregenden Bilder tatsächlich von hoher motivationaler Relevanz waren. Da der fronto-parietale Kortex auch als Grundlage eines generellen Aufmerksamkeitsnetzwerkes gesehen wird, könnte es möglich sein, dass ein solches Netzwerk bei der Betrachtung affektiver Bilder eingeschaltet wird.
In den Kapiteln 4 und 5 wurde demonstriert, dass nicht nur komplexe Reize wie IAPS Bilder hohe motivationale Relevanz vermitteln können. Indem ein aversives Pavlovsches Konditionierungsparadigma verwendet wurde, konnte gezeigt werden, dass einfache Strichmuster, welche mit einem aversiven, lauten, akustischen Rauschen gepaart wurden, mehr Aktivität in visuellen und parietalen Hirnregionen als der unkonditionierte Stimulus generierten. Interessanterweise wurde nur bei Versuchsteilnehmern, welche mit einer Herzratenbeschleunigung auf den konditionierten Stimulus reagierten, die fazilitierte kortikale neuromagnetische Reaktion beobachtet. Eine Hertzratenbeschleunigung auf aversive Reize hin wird in der Konditionierungsliteratur als Furchtreaktion bewertet.
Zur Zeit betrachten viele Forscher im Feld der affektiven Neurowissenschaften die Amygdala als eine Zentralstruktur für die emotionale Bewertung von Reizen und für die Expression autonomer Reaktionen. Direkte Projektionen vom Thalamus zur Amygdala werden als schnelle Bahn für furchtrelevante Informationen gesehen, welche die Umgehung einer langsamen, detaillierten, kortikalen Analyse ermöglicht. Efferenzen von der Amygdala zu verschiedenen Verarbeitungsstationen im visuellen und temporalen Kortex hingegen könnten die Basis für die Amplifizierung der Verarbeitung von motivational relevanten Stimuli auf frühen, visuellen Verarbeitungsstufen darstellen. Dennoch weisen die vorliegenden Daten darauf hin, dass kortikale Aufmerksamkeitsmechanismen, welche möglicherweise auf den selben neuronalen Substrat wie Mechanismen der räumlichen Aufmerksamkeit beruhen, die Merkmalsverarbeitung im visuellen Kortex verstärken. Ein generelles fronto-parietales Aufmerksamkeitsnetzwerk könnte ebenfalls in den Prozess der motivierten Aufmerksamkeit gegenüber emotionalen Reizen involviert sein. Die Studien der vorliegenden Arbeit haben zumindest die Beteiligung des Parietalkortex bei der Verarbeitung von affektiven Bildern und aversiv verstärkten Mustern gezeigt. Dies ging mit einer erhöhten Aktivierung im visuellen Kortex einher. Deshalb sollten zukünftige Studien die Rolle von Aufmerksamkeitsprozessen während affektiver Reizverarbeitung stärker berücksichtigen.

Fachgebiet (DDC)
150 Psychologie

Schlagwörter

Emotion, Motivation, oszillatorische neuronale Aktivität, EEG, MEG, Pavlovsche Konditionierung, emotion, motivation, oscillatory neuronal activity, MEG, EEG, Pavlovian Conditioning

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ISO 690MORATTI, Stephan, 2005. Modulation of Stimulus Driven Neuronal Oscillations by the Emotional and Motivational Significance of Visual Stimuli [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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June 16, 2005
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