Neurophysiological aspects of time perception [Elektronische Ressource] / [presented by Norman Sieroka]

Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byDipl.-Phys. M.Phil. Norman Sierokaborn in Bremerv˜ordeOral examination: 26.05.2004Neurophysiological Aspectsof Time PerceptionReferees:Prof. Dr. Hans Gun˜ ter Dosch / Prof. Dr. Hans-Joachim SpechtProf. Dr. Michael SchergNeurophysiologische Aspekte der Zeitwahrnehmung.In magneto- und elektroenzephalographischen (MEG/EEG) Experimenten wurde dieQuellenstrukturunddieAmplitudeevozierterFelderbzw. Potentiale,diebeimErfullen˜einer Aufgabe zur Diskrimination von Zeitintervallen auftreten, untersucht. Um derenAbh˜angigkeit von der Sinnesmodalit˜at zu untersuchen, wurde die Aufgabe mit T˜onen,Tonpausen, Bildern und Bildpausen durchgefuhrt.˜ Hierbei zeigten sich aufmerksam-keitsspeziflsche Unterschiede in den evozierten Feldern der beiden sensorischen Arealeund insbesondere bezuglic˜ h einer parietalen Hirnaktivit˜at. Um zus˜atzliche, modell-unabh˜angige Evidenz fur˜ den Ort und die Ausdehnung dieser Aktivierung zu gewin-nen, wurde ein Teil der Aufgaben auch mittels funktioneller Kernspinresonanz (fMRI)untersucht. WeiterhinwurdederZusammenhangzwischenElektrophysiologieundPsy-chometrie untersucht. Bezuglic˜ h beidem spielte der Ton-Versuch eine herausragendeRolle.
Publié le : jeudi 1 janvier 2004
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Dipl.-Phys. M.Phil. Norman Sieroka
born in Bremerv˜orde
Oral examination: 26.05.2004Neurophysiological Aspects
of Time Perception
Referees:
Prof. Dr. Hans Gun˜ ter Dosch / Prof. Dr. Hans-Joachim Specht
Prof. Dr. Michael SchergNeurophysiologische Aspekte der Zeitwahrnehmung.
In magneto- und elektroenzephalographischen (MEG/EEG) Experimenten wurde die
QuellenstrukturunddieAmplitudeevozierterFelderbzw. Potentiale,diebeimErfullen˜
einer Aufgabe zur Diskrimination von Zeitintervallen auftreten, untersucht. Um deren
Abh˜angigkeit von der Sinnesmodalit˜at zu untersuchen, wurde die Aufgabe mit T˜onen,
Tonpausen, Bildern und Bildpausen durchgefuhrt.˜ Hierbei zeigten sich aufmerksam-
keitsspeziflsche Unterschiede in den evozierten Feldern der beiden sensorischen Areale
und insbesondere bezuglic˜ h einer parietalen Hirnaktivit˜at. Um zus˜atzliche, modell-
unabh˜angige Evidenz fur˜ den Ort und die Ausdehnung dieser Aktivierung zu gewin-
nen, wurde ein Teil der Aufgaben auch mittels funktioneller Kernspinresonanz (fMRI)
untersucht. WeiterhinwurdederZusammenhangzwischenElektrophysiologieundPsy-
chometrie untersucht. Bezuglic˜ h beidem spielte der Ton-Versuch eine herausragende
Rolle. Hier war die parietale Hirnaktivit˜at am st˜arksten ausgepr˜agt und korrelierte sig-
niflkant mit der individuellen Diskriminationsf˜ahigkeit, die ihrerseits signiflkant h˜oher
als bei allen anderen Aufgaben ausflel. Weiterhin kovariierte fur˜ alle Aufgaben die
Diskriminationsf˜ahigkeit mit der rhythmischen Musikbegabung. Den Rahmen der Ar-
beit bildet ein Abri… neurophysiologischer und -psychologischer Untersuchungen zu den
Themen Zeit- und Musikwahrnehmung. Dieser Abri… ist eingebettet in wissenschafts-
˜theoretische Uberlegungen, welche ihrerseits das Thema Zeit betrefien sowie die Aus-
sagekraft psychophysischer Korrelationen (Leib-Seele-Problem).
Neurophysiological Aspects of Time Perception.
In magneto- und electroencephalographic (MEG/EEG) experiments the source struc-
ture and the amplitudes of the evoked flelds and potentials recorded during the fulflll-
ment of an attentional task on discriminating durations were investigated. This was
done for tones, tone pauses, pictures and picture pauses to investigate the dependence
upon sensory input and modality. The attention-speciflc difierences found include pri-
mary responses and a parietal activation in particular. The tone and tone
pause tasks were also examined using functional magnetic resonance imaging (fMRI)
to gather model-independent evidence for the location and extension of the parietal
network. Further, the relation between electrophysiological and psychometric data was
explored, where the study on tones played a crucial role. Here the strength of the
parietal activity was largest, the individual discriminative abilities were highest and
the two variables were found to be signiflcantly correlated. Finally, the discrimina-
tive ability for all tasks covaried with the individual rhythmic musical aptitude. The
frame of this work is given by a sketch of neurophysiological and -psychological flndings
on the perception of time and music; flndings which get embedded into philosophical
considerations on time and on psychophysical correlations (mind-body-problem).For those who matter most: PMS, SLS, TJSContents
1 Introduction 1
1.1 The Perception of Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Philosophical Concerns: Time and the Mind-Body-Problem . . . . 6
1.3 Thesis Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 MEG-Study on Discrimination of Tone Durations: Fitted Model 11
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Material and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 fMRI-Study on Discrimination of Tone & Tone Pause Durations 23
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Material and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4 MEG-Study on Tone & Tone Pause Durations: Seeded Model 43
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 Material and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
i5 MEG-Study on Picture & Picture Pause Durations 65
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2 Material and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6 Psychophysics of Duration Discrimination 83
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2 Material and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7 Relating Neuromagnetic Responses to Discriminative Abilities 91
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.2 Material and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
8 Conclusion 99
8.1 Neurophysiological Results: Summary and Experimental Outlook 99
8.2 The Perception of Time and Music . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.3 The Philosophical Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
A Methods I: Electro- & Magnetoencephalography 107
A.1 Neurophysiological and -anatomical Basics . . . . . . . . . . . . . 108
A.2 Technical Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
A.3 Electrodynamic Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
A.4 Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
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