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Tactile feature processing and attentional modulation in the human somatosensory system
Wacker, Evelin
Unser Berührungssystem ist vielfältig in seiner Funktionsweise. Wir verdanken ihm das Tasten, welches die Wahrnehmung von Objekten ermöglicht. Es liefert Informationen über die Stellung der eigenen Körperteile zueinander und ist an der Planung und Durchführung von Bewegungen beteiligt. Die Organisation der Funktionen des Berührungssystems ist Gegenstand gegenwärtiger Forschung. Darauf aufbauend haben Dijkerman und de Haan ein Modell der somatosensorischen Informationsverarbeitung entworfen (Dijkerman and de Haan 2007). Ziel der vorliegenden Arbeit war es, dieses Modell mit Komponenten für Feature-Verarbeitung und attentionale Modulation bei der taktilen Wahrnehmung zu erweitern. Hierfür wurden mittels funktioneller Magnetresonanztomographie zwei Untersuchungen durchgeführt, in denen gesunden Probanden Braille-ähnliche taktile Reize dargeboten wurden. Die erste Studie untersuchte die Bedeutung feature-spezifischer Verarbeitung für die taktile Wahrnehmung. Es wurden speziell für diese Studie entworfene bewegte oder gemusterte Stimuli verwendet. Das visuelle bewegungssensitive Areal hMT+/V5 und die untere Parietalrinde wurden selektiv durch bewegte bzw. gemusterte Stimuli aktiviert. Die Antworten korrelierten mit der Fähigkeit der Probanden bewegte bzw. gemusterte Stimuli zu erkennen und waren funktionell mit Aktivität im primären somatosensorischen Kortex gekoppelt. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, dass feature-spezifische Verarbeitung in höheren kortikalen Arealen bei der taktilen Wahrnehmung eine Rolle spielt. Die zweite Studie untersuchte die Bedeutung attentionaler Top-Down-Modulation für die Durchführung einer taktilen Detektionsaufgabe. Die Probanden konzentrierten sich entweder auf das Muster oder auf die Frequenz eines taktilen Reizes und sollten Veränderungen in dem jeweiligen Attribut berichten. Die Durchführung dieser Aufgabe aktivierte somatosensorische als auch frontale und parietale Areale. Eine Analyse der effektiven Konnektivität zeigte, dass die funktionelle Integration relevanter Informationen in einem Netzwerk aus somatosensorischen Kortizes und dem unteren Gyrus frontalis erfolgte. Die Modellierung kontextabhängiger, kausaler Einflüsse innerhalb dieses Netzwerks zeigte Top-Down-Modulation bei der selektiven Wahrnehmung taktiler Stimulusattribute. Mittels dieser Ergebnisse konnten dem Modell von Dijkerman und de Haan Funktionen für Feature-Verarbeitung und attentionale Modulation hinzugefügt werden. Das erweiterte Modell hilft dabei, die Informationsverarbeitung im Berührungssystem des Menschen besser zu verstehen und ermöglicht die Formulierung weiterer Fragestellungen. Auf diese Weise könnten diese Ergebnisse in Zukunft auch zur Entwicklung von Therapien für am Berührungssystem erkrankte Menschen beitragen.
The somatosensory system offers us diverse functionality. It is responsible for the sensation of touch, which involves perception of external objects. It provides information about the body’s own components and is critically involved in the planning and execution of motor actions. Considerable effort has been directed towards elucidating how somatosensory processing is organized to subserve these various functions. Based on this, Dijkerman and de Haan proposed a model to describe the cortical processing of somatosensory information (Dijkerman and de Haan 2007). The aim of the present thesis was to extend this model of somatosensory processing for perception and action, focussing on feature processing and attentional modulation during tactile perception. To this end, two functional magnetic resonance imaging experiments were performed, in which Braille-like tactile stimulation was presented to human volunteers. The first experiment sought to determine the role of feature-specific higher-order processing for tactile perception and involved moving or patterned stimulation during passive touch. We found that the visual motion-sensitive area hMT+/V5 and the inferior parietal cortex were selectively activated during motion and pattern processing, respectively. The responses covaried with participants’ perceptual performance in identifying the respective stimulus attribute and were functionally coupled to the responses in primary somatosensory cortex. The results of this study provided evidence for the direct engagement of feature-specific cortical areas in tactile perception. The second experiment aimed at investigating the functional significance of top-down attentional gating during tactile task accomplishment. The task involved selective attention to the spatial pattern or to the temporal frequency of the tactile stimulation and the detection of changes in the respective stimulus attribute. We found that a frontoparietal network was selectively activated during the detection of task-relevant change. Analysis of effective connectivity revealed that the functional integration of task-relevant sensory information occured in a network composed of the somatosensory cortices and the inferior frontal gyrus. Modeling context-dependent causal influences within this functional network identified top-down attentional biasing for gating perception of tactile stimulus attributes. Based on the findings presented here, functions for feature processing and attentional modulation were added to the model by Dijkerman and de Haan. The extended model contributes to the understanding of how the somatosensory system processes tactile input and allows formulating testable hypotheses to motivate future research questions. In this way, the present findings might further be useful for the development of treatments for people suffering from somatosensory system deseases.
