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In binocular rivalry, presentation of different images to the separate eyes leads to conscious perception alternating between the two possible interpretations every few seconds. During perceptual transitions, a stimulus emerging into dominance can spread in a wave-like manner across the visual field. These traveling waves of rivalry dominance have been successfully related to the cortical magnification properties and functional activity of early visual areas, including the primary visual cortex (V1). Curiously however, these traveling waves undergo a delay when passing from one hemifield to another. In the current study, we used diffusion tensor imaging (DTI) to investigate whether the strength of interhemispheric connections between the left and right visual cortex might be related to the delay of traveling waves across hemifields. We measured the delay in traveling wave times (ΔTWT) in 19 participants and repeated this test 6 weeks later to evaluate the reliability of our behavioral measures. We found large interindividual variability but also good test–retest reliability for individual measures of ΔTWT. Using DTI in connection with fiber tractography, we identified parts of the corpus callosum connecting functionally defined visual areas V1–V3. We found that individual differences in ΔTWT was reliably predicted by the diffusion properties of transcallosal fibers connecting left and right V1, but observed no such effect for neighboring transcallosal visual fibers connecting V2 and V3. Our results demonstrate that the anatomical characteristics of topographically specific transcallosal connections predict the individual delay of interhemispheric traveling waves, providing further evidence that V1 is an important site for neural processes underlying binocular rivalry.

Unterschiede im Denken und Verhalten zwischen Menschen empirisch zu ermitteln, hat eine lange Tradition in der Differentiellen Psychologie. Forscher dieses Fachgebiets entwickeln spezielle Tests, um Personen hinsichtlich bestimmter psychologischer Merkmale zu klassifizieren. Bekannte Bespiele hierfür sind Intelligenztests, die oft zum Einsatz kommen, um z.B. passende Mitarbeiter für bestimmte Positionen zu selektieren. Dieser differenzielle Ansatz wurde bisher im Bereich der Erforschung neuronaler Grundlagen der Wahrnehmung weitgehend ignoriert. Interindividuelle Unterschiede zwischen Personen wurden meist als Messfehler eingestuft und durch Mittelungsverfahren über die Gruppe herausgerechnet (Kanai and Rees, 2011). Neuere Ergebnisse zeigen jedoch, dass hirnstrukturelle Unterschiede zwischen Personen Unterschiede im Verhalten erklären können (siehe Kanai and Rees, 2011; Kleinschmidt et al., 2012 für einen Überblick). Dieser Ansatz wird mit den hier vorgestellten Studien weiter ausgebaut. Dabei wird der Frage nachgegangen, ob Unterschiede in der Hirnanatomie im Menschen dessen Individualität in der bewussten visuellen Wahrnehmung vorhersagen kann. Insbesondere wird untersucht, inwieweit die Integrationsleistung zwischen den Hirnhälften von spezifischen transkallosalen Faserverbindungen abhängt. Des Weiteren wird überprüft, ob die Größe der frühen visuellen Areale einen Einfluss auf die Reizverarbeitung innerhalb der Hirnhälfte hat. Als Paradigmen verwendeten wir in allen Studien mehrdeutige visuelle Reize. Das besondere an diesen Reizen ist, dass deren Interpretation trotz gleichbleibender physikalischer Darbietung ständig wechselt. Dadurch können Hirnprozesse sichtbar gemacht werden, die unabhängig vom visuellen Reiz mit der bewussten Wahrnehmung einhergehen. Zudem werden die Wechsel zwar von allen Versuchspersonen empfunden, es gibt aber diesbezüglich große Unterschiede zwischen den Beobachtern. In Kapitel 2 wurden Reize verwendet, die eine Scheinbewegung verursachen (Wertheimer, 1912). Ein passendes Beispiel für dieses Phänomen ist das Daumenkino, bei dem durch die schnelle Abfolge von Standbildern der Eindruck einer Bewegung entsteht. Wir verwendeten in unserer Studie eine spezielle Form der Scheinbewegung, das „Motion Quartet“ (Neuhaus, 1930; Chaudhuri and Glaser, 1991). Bei dieser Form löst die rechteckige Anordnung vierer weißer Quadrate den Eindruck von Bewegung aus. Die Anordnung besteht aus zwei alternierenden Bildern mit jeweils zwei Paaren von diagonal gegenüberliegenden Quadraten (oben links und unten rechts vs. oben rechts und unten links). Die Beobachter sehen entweder eine waagrechte oder eine senkrechte Bewegung. Interessanterweise weiß man aus früheren Studien, dass meistens vertikale Bewegungen wahrgenommen werden, wenn der Abstand zwischen den vier Quadraten gleich ist und die Beobachter den Mittelpunkt des Quartetts fixieren (Chaudhuri and Glaser, 1991). Aufgrund der Organisation des visuellen Systems muss die Sehinformation für waagrecht erscheinende Bewegung über beide Hirnhälften integriert werden, während die senkrecht erscheinende Bewegung nur von einer Hemisphäre verarbeitet wird. Das Quartett erzeugt deshalb in erster Linie senkrechte Bewegung, denn die Kommunikation zwischen den beiden Gehirnhälften braucht länger oder ist aufwändiger als die innerhalb einer Hemisphäre. Allerdings gibt es große Unterschiede zwischen Versuchspersonen, welche Bewegungsrichtung wahrgenommen wird. Chaudhuri und Kollegen hatten bereits zuvor gezeigt, dass jeder Teilnehmer einen individuellen Gleichgewichtspunkt (parity ratio) hat, an dem er beide Bewegungsrichtungen gleich oft wahrnimmt. Dieser Gleichgewichtspunkt spiegelt wieder, wie gut jemand die Informationen aus beiden Hirnhälften integrieren kann. Bei den meisten Teilnehmern muss der waagrechte Abstand kleiner sein als der senkrechte, nur dann ist die Wahrnehmung sowohl waagrechter als auch senkrechter Bewegung ausgeglichen. Unsere Ergebnisse in Kapitel 2 bestätigen die Befunde von Chaudhuri und Glaser (1991) indem sie zeigen, dass der Gleichgewichtspunkt stark zwischen Versuchspersonen variiert. Darüberhinaus zeigen unsere Ergebnisse, dass der individuelle Gleichgewichtspunkt über Monate stabil und damit eine konstante Eigenschaft von Personen ist. Zudem sprechen unsere Befunde dafür, dass der Gleichgewichtspunkt eng mit der Struktur bestimmter Faserverbindungen zusammenhängt. Wie bisherige Studien gezeigt haben, sind jene visuelle Areale, die Bewegung verarbeiten (hMT/V5), hauptsächlich für die Verarbeitung von Scheinbewegung zuständig (Sterzer et al., 2002; Sterzer et al., 2003: Sterzer and Kleinschmidt, 2005; Rose and Büchel, 2005). In unserer Untersuchung fanden wir, dass der geschätzte Durchmesser der Faserverbindungen im Corpus Callosum von eben diesen Regionen den individuellen Gleichgewichtspunkt vorhersagen konnte. Dieser Zusammenhang scheint auf die Bewegungszentren des Sehsystems begrenzt zu sein. Benachbarte kallosale Faserbündel des Sehsystems, die andere visuelle Gebiete miteinander verbinden, sind nicht mit dem Gleichgewichtspunkt assoziiert. In Kapitel 3 und 4 verwendeten wir einen weiteren mehrdeutigen Stimulus. Hier wurden die Messungen mit dem Phänomen der „Binokularen Rivalität“ (engl. „Binocular Rivalry“) durchgeführt. Dabei werden den beiden Augen sehr unterschiedliche Bilder dargeboten, von denen zu jedem Zeitpunkt nur eine Interpretation bewusst wahrgenommen werden kann. Bei einer bestimmten Variation der Binokularen Rivalität wird die Präsentation der Reize so kontrolliert, dass sich die Änderung des subjektiven Erlebens von einem Bild zum anderen wellenartig ausbreitet (Wilson et al., 2001). Wilson (2001) und Kollegen zeigten bereits in ihrer Studie, dass es bei der Übertragung der Wanderwelle zwischen den Hirnhälften zu einer Verzögerung kommt. Unsere Ergebnisse in Kapitel 3 bestätigen diese Befunde und zeigen zusätzlich, dass diese Verzögerung stark zwischen Beobachtern variiert. Ähnlich wie für den Gleichgewichtspunkt von Kapitel 2 fanden wir auch für diese Verzögerung eine hohe zeitliche Stabilität. Es wurde bereits in vorherigen Studien gezeigt, dass die Ausbreitung der Wanderwelle eng mit der Aktivität im primären visuellen Kortex zusammenhängt (Lee et al., 2005, 2007). Unsere Ergebnisse in Kapitel 3 zeigen, dass die Varianz zwischen Personen für die Verzögerung zum großem Teil durch den Durchmesser der transkallosalen Faserverbindungen des V1 vorhergesagt werden kann. Auch hier bestand kein Zusammenhang zwischen Faserverbindungen benachbarter visueller Areale.Neben der Verzögerung zwischen den Hirnhälften zeigte auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wanderwelle innerhalb der Hemisphären eine hohe zeitliche Stabilität. Es stellt sich somit die Frage, ob strukturelle Eigenschaften von bestimmten visuellen Arealen die Ausbreitungsgeschwindigkeit vorhersagen kann. Wie in Kapitel 4 dargestellt, konnten wir einen starken Zusammenhang zwischen der Größe von V1 und der Ausbreitung der Wanderwelle feststellen. Dieser Zusammenhang ist positiv und, wie sich bei Hinzunahme anderer Areale in die Analyse zeigte, spezifisch für den primären visuellen Kortex. Demnach breitet sich die durch den binokularen Wettbewerb erzeugte Wanderwelle umso langsamer über das Sehfeld aus, je größer das Areal bei der entsprechenden Person ist. Die Darstellung in der Abbildung auf der Seite 123 bietet noch einmal einen grafischen Überblick über die oben beschriebenen Ergebnisse dieser Doktorarbeit. Zusammengefasst zeigt diese Arbeit exemplarisch am Beispiel der inter- und intrahemisphärischen Integration auf, wie eng Struktur und Funktion des Gehirns miteinander verknüpft sind. Bei Parametern, die sich experimentell nicht von uns als Forscher variieren lassen, griffen wir auf den Ansatz der differentiellen Psychologie zurück. Dabei nutzten wir die bei Individuen bereits gegebenen Unterschiede aus, um Rückschlüsse auf ganz allgemeine Gesetzmäßigkeiten, wie z. B. der Einfluss der kallosalen Faserdurchmesser und die Oberflächengröße spezifischer Areale auf die Wahrnehmung zu ziehen. Wie wir aufzeigen, formen also schon ganz grundlegende Eigenschaften früher sensorischer Areale unsere Wahrnehmung. Der von uns gewählte Ansatz könnte in zukünftiger Forschung auch auf höhere Funktionen, die uns als Menschen ausmachen, angewandt werden.