Perception of biological motion by form analysis [Elektronische Ressource] = (Wahrnehmung biologischer Bewegung durch Formanalyse) / vorgelegt von Joachim Lange

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• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 11
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

Perception of biological motion
by form analysis
(Wahrnehmung biologischer Bewegung
durch Formanalyse)
Dissertation
zur
Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)
dem
Fachbereich Physik
der Philipps-Universitat Marburg¨
vorgelegt von
Joachim Lange
aus
Korbach
Marburg/Lahn, 2006Vom Fachbereich Physik der Philipps-Universitat¨
als Dissertation angenommen am: 02.03.2006
Erstgutachter: Prof. Dr. Frank Bremmer
Zweitgutachter: Prof. Dr. Markus Lappe
Tag der mundlichen Prufung: 10.03.2006¨ ¨Contents
List of Abbreviations v
1 Introduction 1
1.1 General introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Challenging problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Biological Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Point-light walker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 The influence of form and motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 Visual pathways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2 Motion analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.3 Form analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.4 Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Characteristics of biological motion perception . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5 Cortical representation of biological motion . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5.1 Studies in non-humans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5.2 Studies in humans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5.3 Lesions studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.6 Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.6.1 Motion models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.6.2 Form models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.7 Objective of this work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2 General methods 20
2.1 The model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.1 The model’s templates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Stimulus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 Tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
iCONTENTS ii
2.3.1 Direction task . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.2 Coherence task . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.3 Forward/backward task . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4 Psychophysical experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.1 My own experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.2 Other experiments (Beintema, Georg, and Lappe) . . . . . . . . 29
2.5 fMRI experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 Template-matching model 31
3.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.1 Stimuli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.2 Tasks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.3 Templates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.4 Template-matching analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3.5 Experimental methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4.1 Local motion signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.2 Other walkers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4 Dynamic model 57
4.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.1 The model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.2 Experimental methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4.1 Direction task . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4.2 Forward/backward task . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4.3 Discrimination in noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4.4 Neuronal activities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4.5 Functional MRI data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86CONTENTS iii
4.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.5.1 Biological motion perception from dynamic form . . . . . . . . . 91
4.5.2 The cortical network for biological motion analysis . . . . . . . 92
4.5.3 Other computational studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5 The perception of biological motion in noise 96
5.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.3 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.3.1 Stimulus and noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.3.2 Psychophysical experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.3.3 The model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.4.1 Experiment 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.4.2 Discussion of Experiment 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.4.3 Experiment 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.4.4 Discussion of Experiment 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6 General discussion 119
6.1 Are the model’s assumptions reliable? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.2 Features affecting/involved in biological motion perception . . . . . . . 123
6.2.1 Local position and form information and the role of the ventral
path for the perception of biological motion . . . . . . . . . . . 124
6.2.2 Local motion information and the role of the dorsal path for the
perception of biological motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.2.3 GlobalmotioninformationandtheroleofSTSfortheperception
of biological motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.2.4 Temporal information and the role of the cerebellum in the per-
ception of biological motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.3 A general hypothetical model for the perception of biological motion . . 134
6.3.1 Non-visual information for the perception of biological motion . 134
6.3.2 A model for biological motion perception . . . . . . . . . . . . . 136CONTENTS iv
7 Summary and conclusions 139
7.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.1.1 Template-matching approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.1.2 Neurally plausible approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.1.3 Biological motion perception in noise . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.2 General conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
7.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.3.1 Template-matching Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.3.2 Neuronal plausibler Ansatz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.3.3 Wahrnehmung biologischer Bewegung im Rauschen . . . . . . . 146
7.4 Schlussbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Bibliography 148
Wissenschaftlicher Werdegang 159
Danksagung 161List of Abbreviations
EBA extrastriate body area
F5 premotor cortex
FFA fusiform face area
fMRI functional magnetic resonance imaging
IT inferior temporal area
KO kinetic occipital region
LGN lateral geniculate nuclei
MST medial superior temporal area
MT middle temporal area
OFA occipital face area
PET positron emission tomography
SD standard deviation
SE standard error
STPa anterior superior temporal polysensory area
STS superior temporal sulcus
TE temporal area
TEO temporal occipital area
TMS transcranial magnetic stimulation
V1 primary visual cortex
V2 visual area 2
V3 visual area 3
V3a visual area 3a
V4 visual area 4
V5 visual area 5
V5a visual area 5a
vChapter 1
Introduction
1.1 General introduction
Everyday we see other human individuals. We observe them passively or interact with
thembyreactingontheiractions. Forboth, thepassiveandtheactiveactionswene