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Cognitive control of coherent motion perception [Elektronische Ressource] : functional MRI studies of response selection / von Matthias Wittfoth

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AusderAbteilungfürNeuropsychologieundVerhaltensneurobiologieZentrumfürKognitionswissenschaften(ZKW)Cognitive Control of coherent motion perception:functional MRI studies of response selectionvorgelegtdemFachbereich2(Biologie/Chemie)UniversitätBremenalsDissertationzurErlangungdesakademischenGradeseinesDoktorsderNaturwissenschaften(Dr.rer.nat.)vonMatthiasWittfothApril2008AbstractExecutive control is a human ability that allows to overcome automatic stimulus-responsemappingsandtoactappropriateinthecontextofataskwheretheselectionofrelevantstimuliandthesuppressionofinterferinginformationarecrucial.Thefirststudy(Chapter2)aimedatcharacterizing the neural correlates of conflict resolution in two variations of the Simoneffect.TwodifferentSimontaskswereintroducedwheresubjectshadtoidentifyshapesonthebasisofform-from-motionperception(FFM)withinarandomlymovingdotfield,while(1) motion direction (motion-based Simon task) or (2) stimulus location (location-basedSimon task) had to be ignored. Behavioral data revealed that both types of Simon tasksinduced highly significant interference effects. Using event-related fMRI we coulddemonstratethatbothtasksshareacommonclusterofactivatedbrainregionsduringconflictresolution (pre-supplementary motor area (pre-SMA), superior parietal lobule (SPL), andcuneus)butalsoshowtask-specificactivationpatterns(leftsuperiortemporalcortex inthemotion-based, and the left fusiform gyrus in the location-based Simon task).

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Published 01 January 2008
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Ausder
AbteilungfürNeuropsychologieundVerhaltensneurobiologie
ZentrumfürKognitionswissenschaften(ZKW)
Cognitive Control of coherent motion perception:
functional MRI studies of response selection
vorgelegtdemFachbereich2(Biologie/Chemie)
UniversitätBremen
als
Dissertation
zurErlangungdesakademischenGrades
einesDoktorsderNaturwissenschaften(Dr.rer.nat.)
von
MatthiasWittfoth
April2008Abstract
Executive control is a human ability that allows to overcome automatic stimulus-response
mappingsandtoactappropriateinthecontextofataskwheretheselectionofrelevantstimuli
andthesuppressionofinterferinginformationarecrucial.Thefirststudy(Chapter2)aimedat
characterizing the neural correlates of conflict resolution in two variations of the Simon
effect.TwodifferentSimontaskswereintroducedwheresubjectshadtoidentifyshapeson
thebasisofform-from-motionperception(FFM)withinarandomlymovingdotfield,while
(1) motion direction (motion-based Simon task) or (2) stimulus location (location-based
Simon task) had to be ignored. Behavioral data revealed that both types of Simon tasks
induced highly significant interference effects. Using event-related fMRI we could
demonstratethatbothtasksshareacommonclusterofactivatedbrainregionsduringconflict
resolution (pre-supplementary motor area (pre-SMA), superior parietal lobule (SPL), and
cuneus)butalsoshowtask-specificactivationpatterns(leftsuperiortemporalcortex inthe
motion-based, and the left fusiform gyrus in the location-based Simon task). Although
motion-basedandlocation-basedSimontasksareconceptuallyverysimilar(Type-3stimulus-
response ensembles according to the taxonomy of Kornblum & Stevens (2002)) conflict
resolution in both tasks results in the activation of different task-specific regions probably
related to the different sources of task-irrelevant information. The second experiment
(Chapter3)aimedatinvestigatingtheinfluenceofthedegreeofinterferinginformationon
error processing. The ability to detect errors is a crucial prerequisite for the appropriate
adjustmentofbehaviortofuturesituations.BymeansoffMRI,weprovideevidenceforthe
existenceofdifferenterror-relatednetworkswithinthehumanbrain.Whileerrorsrelatedto
incompatible trials were mainly associated with activation of the rostral anterior cingulate
cortex (rACC) and the precuneus / posterior cingulate, errors related to trials without pre-
response conflict showed specific activation in right inferior parietal cortex. Despite this
functionaldissociationofbrainnetworks,conjunctionanalysisrevealedcommonclustersof
activation in themedial wall (dorsal anterior cingulate cortex (dACC)and medial superior
frontal cortex (msFC)), and bilateral inferior frontal gyrus / insula, consistent with earlier
reportsoferror-relatedBOLD-signalincreases.Theresultssupporttheviewthatdespiteofan
overlappingcoresystemoferrorprocessing,additionalbrainareascomeintoplaydepending
ontheexistenceorabsenceofcognitiveconflict.Inordertoaddressthequestionwhichbrain
areasareinvolvedinthedetectionandprocessingoftwosimultaneouslyoperatingsourcesof
iiinterference derived from a spatial incompatibilitytask, we used fMRI to directlycontrast
neural activity related to a double conflict situation to single incompatibility conditions
(Chapter 6). Results show signal increase of left dorsolateral prefrontal cortex when
monitoringsimultaneouslypresentedconflict.Therewasnoadditionalactivityinthemedial
prefrontalcortexoranteriorcingulatecortexalthoughtheseregionsareexpectedtoplayan
importantroleinalltypesofconflictmonitoring.Furtheranalysesalsosuggestamajorrole
forthebasalgangliaduringerrordetectionandresolution.
iiiZusammenfassung
ExekutiveKontrolleisteineFähigkeitdesMenschen,dieesermöglichtautomatisierteReiz-
Reaktionsverbindungen zu überwinden und sich dem Aufgabenkontext entsprechend
angemessen zu handeln. Von besonderer Wichtigkeit sind hierbei die Auswahl relevanter
Reize und die Unterdrückung interferierender Informationen. Das Ziel der ersten Studie
(Kapitel 2) bestand in der Charakterisierung neuronaler Korrelate der kognitiven
Konfliktlösungin Rahmen zweierSimon-Aufgaben. Dabei wurden zwei verschieden Arten
benutzt, bei denen die Versuchsteilnehmer Formen innerhalb eines Zufallspunktefeldes zu
erkennen hatten. Entweder sollte die (1) Bewegungsrichtung (bewegungsbasierte Simon-
Aufgabe) oder der (2) Reizort (ortsbasierte Simon-Aufgabe) nicht beachtet werden.
Verhaltensdatenergebnisse ließen darauf schließen, dass beide Variationen hochsignifikante
Interferenzeffekte induzierten. Mittels funktioneller Magnetresonanztomografie (fMRT)
konnte gezeigt werden, dass beide Aufgaben gemeinsame Aktivität bezüglich der
Konfliktlösung aufwiesen (prä-supplementär-motorisches Areal [prä-SMA], superiorer
parietaler Kortex und Cuneus), jedoch ebenfalls aufgabenspezifische Aktivierungsmuster
zeigten(bewegungsbasierteSimon-Aufgabe:linkersuperiorertemporalerKortex;ortsbasierte
Simon-Aufgabe: linker fusiformer Gyrus). Trotz einer konzeptuellen Ähnlichkeit der
bewegungsbasierten als auch der ortsbasierten Simon-Aufgabe (Typ-3 Reiz-Reaktions-
EnsemblenachderTaxonomievonKornblum&Stevens(2002))resultierteKonfliktlösung
während beider Aufgaben in unterschiedlicher Aktivierung aufgabenspezifischer Regionen,
die vermutlich mit den unterschiedlichen Ursprüngen der jeweils aufgaben-irrelevanten
Information in Beziehung stehen. Das Ziel des zweiten Experimentes (Kapitel 3) war die
Untersuchung des Einflusses des Ausmaßes interferierender Information auf die
Fehlerverarbeitung.DieFähigkeit,Fehlerzuerkennen,isteineentscheidendeVoraussetzung
für die adäquate, zukünftige Verhaltensanpassung. Mittels fMRT konnten Belege für die
Existenz verschiedener Fehlerverarbeitungsnetzwerke im menschlichen Gehirn gefunden
werden. Während bei Fehlern in Reaktion auf inkompatible Ereignisse Aktivierungen im
rostralenACC(rACC)undimPrecuneus/posteriorenZingulumgefundenwurden,zeigtesich
bei Fehlern auf Ereignissen ohne Antwortkonflikt spezifische Aktievierungen im rechten
inferioren parietalen Kortex. Trotz dieser funktionellen Dissoziation der Hirnnetzwerke
wurden auch gemeinsame Aktivierungsmuster in der medialen Wand (dorsales anteriores
Zingulum (dACC), medialer superiorer frontaler Kortex (msFC)) und beidseitig in dem
ivinferioren frontalen Gyrus/ Inselrinde, was frühere Berichte von fehlerbezogenen BOLD-
Signalerhöhungenkonsistentwiderspiegelt.DieErgebnisseunterstützendieAnsicht,dass–
trotz eines überlappenden Kernsystems der Fehlerverarbeitung – zusätzliche Hirnareale ins
Spielkommen;unddiesinAbhängigkeitdesVorhandenseinskognitiverKonflikte.Umder
Frage nachzugehen, welche Hirnareale bei der Detektion und Verarbeitung zweier
gleichzeitigdargebotenerInterferenzenbeiräumlicherInkompatibilitätinvolviertsind,wurde
mitHilfefunktionellerMRTneuraleAktivitätbezogenaufdiedoppelteInterferenzdirektmit
neuralerAktivitätderjeweilseinzelneninkompatiblenBedingungenkontrastiert(Kapitel4).
DieErgebnissezeigteneinenSignalanstiegimlinkendorsolateralenpräfrontalenKortexbei
der Überwachung eines Doppelkonfliktes. Es zeigte sich keine zusätzliche Aktivierung im
medialen präfrontalen Kortex oder im anterioren Zingulum, obwohl diese Regionen
üblicherweise eine entscheidende Bedeutung bei allen Arten der Konfliktüberwachung
spielen. Weitergehende Analysen deuten darauf hin, dass den Basalganglien bei der
Fehlererkennungund–auflösungeineHauptrollezukommt.
vTABLEOFCONTENTS
1.0 GENERALINTRODUCTION..........................................................................................1
1.1 TheSimontask……………………………………………………………………4
1.2 Errorprocessing…………………………………………………………………..7
1.3 Doubleconflict……………………………………………………………………9
1.4 Post-erroractivity………………………………………………………………..10
1.5 Conflictadaptioneffect…………………………………………………………11
2.0COMPARISONOFTWOSIMONTASKS:NEURONALCORRELATES
OFCONFLICTRESOLUTIONBASEDON
COHERENTMOTIONPERCEPTION…………..……………………………………14
2.1Introduction……………………………………………………………………….14
2.2MaterialsandMethods……………………………………………………………18
2.2.1Subjects………………………………………………………………….18
2.2.2Experimentalprocedure:stimuliandtasks……………………………..18
2.2.2.1Motion-basedSimontask……………...……………………19
2.2.2.2Location-basedSimontask…………………………………19
2.2.3MRIdataacquisition……………………………………………………21
2.2.4Imageanalysis…………………………………………………………..21
2.3Results…………………………………………………………………………….24
2.3.1Behavioraldata………………………………………………………….24
2.3.2Imagingresults………………………………………………………….25
2.4Discussion………………………………………………………………………...29
2.5Conclusion………………………………………………………………………...35
3.0THEINFLUENCEOFRESPONSECONFLICTONERROR
PROCESSING:EVIDENCEFROMEVENT-RELATEDFMRI………………………37
3.1Introduction……………………………………………………………………….37
3.2ExperimentalProcedure……………………………………………………….….41
3.2.1Participants…………………………………………………………...…41
3.2.2DesignandProcedure………………………………………………...…41
3.2.3Dataacquisition…………………………………………………………43
3.2.4Imageanalysis…………………………………………………………..43
3.3Results…………………………………………………………………………….47
3.3.1.Behavioraldata…………………………………………………………47
3.3.2ImagingData……………………………………………………………48
3.3.2.1Conflict-relatedactivity……………………………………….48
3.3.2.2Error-relatedactivity…………………………………………..50
3.3.2.3Conjunctionofconflictanderrorprocessing…………………53
3.4Discussion……………………………………………………………………...…55
3.4.1Conflict-relatedactivity…………………………………………………55
3.4.2Error-relatedactivity………………………………56
3.5Conclusion………………………………………………………………………...64
vi4.0HOWTHEBRAINRESOLVESHIGHCONFLICTSITUATIONS:
DOUBLECONFLICTINVOLVEMENTOFDORSOLATERAL
PREFRONTALCORTEX………………………………………………………………..65
4.1Introduction……………………………………………………………………….65
4.2Methods…………………………………………………………………………...69
4.2.1Subjects………………………………………………………………….69
4.2.2Experimentalprocedure:stimuliandtasks…………………………...…69
4.2.3DataAcquisition………………………………………………………...72
4.2.4DataAnalysis……………………………………………………………72
4.3Results…………………………………………………………………………….75
4.3.1Behavioraldata………………………………………………………….75
4.3.2Imagingdata…………………………………………………………….77
4.4Discussion………………………………………………………………………...81
4.5Conclusion………………………………………………………………………..84
5.0COGNITIVECONTROLANDERRORPROCESSING
INTHEHUMANBRAIN:EVIDENCESFROMFMRI………………………………85
5.1Introduction………………………………………………………………………85
5.2Methods…………………………………………………………………………..86
5.3Results…………………………………………………………………………….88
5.4Discussion………………………………………………………………………...89
6.0GENERALOUTLOOK………………………………………………………………….91
Bibliography…………………………………………………………………………………..93
viiLISTOFTABLES
Table 1.Brainregionsshowinggreateractivation
forincompatiblethancompatibletrials……………………………………………..26
Table 2.Commonanddistinctregionsshowingincreasesinneuralactivity
duringconflictprocessing…………………………………………………………...27
Table 3.Areasactivatedduringconflictresolutionanderrorprocessing……………………49
Table 4.AreasspecificallyrelatedtotheprocessingofCOMPandINCOMPerrors….……51
Table 5.Commonregionsofmaineffects…………………………………………………...53
Table 6.Descriptivestatisticsofbehavioraldata……………………………………….……76
Table 7.MeanerrorratesandSDs…………………………………………………………...77
Table8.Activationpeaksfordifferentconflictconditions......................................................78
viiiLISTOFFIGURES
Figure 1.Schematicdiagramdepictingstimuliandtaskofthestudy……………..………..21
Figure 2.Behavioraldata……………………………………………………………..……..25
Figure 3.Activationsofbothconjunctionandinteractioneffects……………………..……28
Figure 4.Behavioraldata……………………………………………………………………48
Figure 5.Conflictanderroractivation………………………………………………………52
Figure 6.CorticalRegionsrelatedtoconjunctandspecificerroractivation………………..54
Figure 7.Schematicillustrationoftheexperimentalsetup………………………………….71
Figure 8.Activationofbrainareasindifferentcognitivecontrolconditions……………….79
Figure 9.Specificbrainactivation…………………………………………………………..89
ix1.0Generalintroduction
Attention is the cognitive process of selectively concentrating on one aspect of the
environment while ignoring other aspects. The MIT encyclopedia of cognitive sciences
(Wilson & Keil, 1999) explains that attention “refers to our ability to concentrate our
perceptualexperienceonaselectedportionoftheavailablesensoryinformation,and,indoing
so,toachieveaclearandvividimpressionoftheenvironment”(p41).Andevenasearlyasin
the late nineteenth century William James emphasized that attention “implies withdrawal
fromsomethingsinordertodealeffectivelywithothers”(James,1890:pp.403-404).
Thispsychologicalconstructservesasoneofafewbasicandhighlyrelevantcognitive
principles,anditisself-explanatorythatattentionresearchisconsideredasoneofthefastest
growingwithincognitivepsychologyandcognitiveneuroscience(Posner&Rothbart,2007).
Its implications extend into various research fields. With regard to this, one can find an
increasingnumberofneuro-scientificinvestigationsofcognitivecontrol.Thistermrefersto
thehumanabilitytomonitorandregulateattentionalresourcesofconcentratingonataskand
ignoringirrelevantinformation.
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