Conscious – unconscious dissociations in visual perception: clues from hemianopic patients

DISSOCIAZIONE CONSAPEVOLE-INCONSAPEVOLE NELLA PERCEZIONE VISIVA: INDIZI DA PAZIENTI EMIANOPTICI. Lesioni lungo la via visiva producono difetti caratteristici nel campo visivo. Il tipo più comune di disturbo del campo visivo omonimo (HVFD) è l’emianopsia. La probabilità del verificarsi di HVFDs in seguito ad ictus, trauma o intervento è elevata, circa il 20-30 %. Nei pazienti con HVFDs sono seriamente compromesse le attività quotidiane a causa della disabilità acquisita in nell’orientamento visivo e di esplorazione spaziale. Il recupero della funzione visiva è possibile, ma è raramente completo. Tuttavia, negli anni settanta del secolo scorso Poeppel et al e successivamente Weiskrantz et al hanno descritto la presenza di comportamento guidato dalla visione nel campo cieco di pazienti emianopsici (“blindsight”). Questa Tesi è incentrata sul tentativo di gettare nuova luce su questo importante fenomeno. In particolare, lo scopo del presente progetto di ricerca è molteplice: i) si propone di studiare le implicazioni del concetto di numerosità e di percezione Gestaltica nei normali e il ruolo di queste caratteristiche nel fenomeno del Blindsight in pazienti con emianopsia ; ii) vuole indagare le proprietà psicofisiche della visione residua (consapevole e inconsapevole) nel campo cieco e iii ) si propone di studiare l'anatomia e la funzionalità degli emisferi intatti e danneggiati attraverso l’uso dell’elettroencefalografia e della neuroimmagine funzionale. Nel primo progetto, abbiamo impiegato il paradigma di ridondanza del segnale (RSE), in soggetti normali ed in pazienti emianopsici, al fine di indagare le caratteristiche percettive dell’emicampo intatto e cieco, e l'interazione tra loro. Come prima cosa, abbiamo testato 18 partecipanti sani (età media : 31.1 ) per osservare se la RSE aumenta con 4 vs 1 stimoli. Abbiamo usato due differenti configurazioni di stimoli, nella prima i quattro stimoli formano una figura gestalt simile a una forma di diamante, mentre nell'altra la posizione degli stimoli è stata randomizzata. Ai partecipanti era richiesto di mantenere la fissazione su un piccolo stimolo centrale e, dopo l’arrivo di un segnale acustico, dovevano premere un pulsante il più rapidamente possibile alla presentazione degli stimoli visivi. I risultati hanno mostrato un aumento della RSE (cioè più rapidi tempi di reazione) quando gli stimoli erano quadrupli rispetto a quando erano singoli, indipendentemente dalla configurazione proposta. Un’ulteriore analisi ha mostrato che l’RSE con stimoli semplici e con stimoli che formano una configurazione Gestaltica è spiegata da una coattivazione neurale, piuttosto che da una teoria probabilistica, in quanto si osserva una violazione del modello di Miller. Al contrario, il risultato ottenuto nella presentazione di stimuli quadrupli in posizione randomizzata potrebbe essere spiegabile alla luce di una teoria probabilistica. Nella seconda parte, abbiamo studiato se tale paradigma modificato era più efficace nel rilevare il fenomeno del Blindsight (un comportamento inconscio guidato visivamente) in pazienti emianoptici e nei pazienti emisferectomizzati. Abbiamo testato sei pazienti con emianopsia (età media : 45,83 ) a seguito di lesione del tratto corticale o ottico e un paziente emisferectomizzato. La procedura era la stessa dell’esperimento precedente. I risultati hanno mostrato una maggiore efficacia del metodo con stimoli numerosi, tenendo conto della misurazione della RSE con più stimoli presentati contemporaneamente nell’emicampo intatto e cieco rispetto alla presentazione singola nel campo intatto. È interessante notare che la RSE nei pazienti era più pronunciata per la configurazione gestaltica. Inoltre i risultati osservati con l’analisi di risonanza magnetica funzionale hanno mostrato un'attivazione di aree visive localizzate a livello della via visiva ventrale. Nel secondo progetto, ci siamo proposti di capire quale dei due emisferi media il comportamento guidato visivamente dopo la presentazione di stimoli nell’emicampo cieco di pazienti con emianopsia. Abbiamo testato 9 pazienti (età media : 44.5 ) con il paradigma di Poffenberger ( PP ): si tratta di un compito di Tempo di Reazione che prevede la presentazione dello stimolo visivo lateralizzato e una risposta unimanuale. I risultati hanno mostrato che nell’emicampo intatto tutti i pazienti mostrano una CUD positiva (cioè normale) mentre i risultati nell’emicampo cieco erano più variabili con una CUD positiva in alcuni pazienti e negativa in altri. Quest’ultimo dato significa che la risposta nel campo cieco era mediata dall’emisfero intatto e questo potrebbe essere correlato alla estensione delle singole lesioni. Inoltre, abbiamo usato un nuovo metodo per indagare il Blindsight, abbiamo confrontato le frequenze di distribuzione cumulative (CDF) dei temi di reazione a seguito della presentazione dello stimolo nel campo intatto e cieco in condizioni normali e con gli occhi chiusi. Abbiamo testato 6 pazienti di cui due mostrano il fenomeno del blindsight mentre ad occhi chiusi non c’erano risposte sopra al caso. Infine, abbiamo usato la risonanza magnetica funzionale (fMRI) per valutare il coinvolgimento delle specifiche strutture cerebrali in IT delle informazioni visuo-motorie e il ruolo dell’emisfero intatto. Abbiamo testato il ben noto paziente con blindsight GY con il paradigma di Poffenberger . I risultati comportamentali hanno registrato una CUD positiva quando il paziente era stimolato visivamente nel campo intatto, e una CUD negativa quando stimolato nel campo cieco, suggerendo che sia l'emisfero intatto a mediare il blindsight. I risultati dell’analisi funzionale hanno mostrato l'attivazione di aree corticali (aree visive ventrali , aree visive dorsali, aree senso- motorie e premotorie) e le aree del corpo calloso, differenziato nella condizione di stimolazione consapevole e inconsapevole (anteriore vs medio -posteriore, rispettivamente). Nel terzo progetto, abbiamo misurato la risposta elettrofisiologica alla stimolazione visiva del campo visivo cieco e intatto sempre nel paradigma di Poffenberger (PP) in 12 soggetti sani e in tre pazienti emianoptici. Lo scopo dell'indagine è stato quello di indagare sulla natura e la funzionalità dell'emisfero leso, così come cercare di capire l'efficienza della trasmissione inter-emisferica. In entrambi gli emisferi abbiamo trovato una assenza di risposta ERP per la stimolazione del campo cieco mentre per la stimolazione dell’ emicampo intatto abbiamo trovato una buona risposta diretta nell'emisfero controlaterale. È interessante notare una risposta differente nei tre pazienti per la risposta commissurale indiretta. Infatti, la risposta registrata nell'emisfero lesionato è assente o molto debole in siti posteriori per il paziente EA e il paziente PC, mentre per la paziente SL la risposta registrata nell'emisfero leso era paragonabile a quella dei soggetti sani. Ciò sembrerebbe suggerire che il trasferimento interemisferico e l'integrazione di informazioni visive tra l’emisfero danneggiato e quello intatto dei pazienti emianoptici sembra avvenire nella fase percettiva e necessita dell'integrità funzionale e anatomica dello splenium del Corpo Calloso. In breve, l’interesse dell’intera ricerca è multiplo. In primo luogo, utilizzando il RSE si è constatato che vi è una sostanziale interazione tra i due emisferi nei pazienti e che la visione inconscia è sensibile alla numerosità e mostra una sorta di organizzazione percettiva gestaltica. In secondo luogo, ho descritto i risultati di un nuovo metodo per registrare la presenza di abilità residue di rilevamento di stimoli inconsci nei pazienti emianoptici, probabilmente innescato da antiche aree evolutive sottocorticali. Infine, utilizzando il paradigma di Poffenberger, con l’uso delle registrazioni ERP e della neuroimmagine, è stato possibile avere indizi utili a capire l'importanza dell'emisfero intatto nella mediazione della visione cieca.

CONSCIOUS – UNCONSCIOUS DISSOCIATIONS IN VISUAL PERCEPTION: CLUES FROM HEMIANOPIC PATIENTS. Lesions along the visual pathway produce characteristic gaps in the visual field. The most common type of homonymous field disorder (HVFD) is hemianopia. The probability of occurrence of HVFDs following a stroke, trauma or surgery is high, around 20-30%. Patients with HVFDs are seriously impaired in everyday activities and this is because of the acquired disability in visual orienting and exploration. Recovery of visual function is possible but is rarely complete. However, in the seventies of last century it has been shown by Poeppel et al. and subsequently by Weiskrantz et al. that some hemianopic patients retain some form of visually guided behaviour in the blind hemifield in absence of perceptual awareness (“blindsight”). This Thesis is mainly based on casting new light on this intriguing phenomenon. In particular, the purpose of the present research project is multifold: i) To investigate whether higher-order perceptual effects like Numerosity detection and Gestalt phenomena are present in the blind hemifield of hemianopic patients; ii) To investigate the basic psychophysical properties of conscious as well as unconscious (blindsight) residual vision in the blind field and iii) To study the anatomy and functionality of the intact and damaged hemispheres through electrophysiological recordings and functional imaging. In the first project, we employed a redundant signal effect (RSE) paradigm, in healthy participants and in patients, to investigate the perceptual characteristics of the intact and blind hemifield, and the interaction between them. Initially, we tested in healthy participants whether the RSE increases with 4 vs 1 stimuli. We used two different configurations of stimuli, in one the four redundant stimuli formed a gestalt-like figure in the shape of a diamond, while in the other the position of stimuli was randomized. We tested 18 participants (mean age: 31.1). They were required to keep their fixation steady on a central fixation point and, following onset of an acoustic warning signal, to press a button as quickly as possible upon presentation of the visual stimuli. Results showed an increase of the RSE (i.e. faster reaction times) with four with respect to single stimuli independently from the configuration proposed. The analysis of the present data showed that the RSE effect in the Single bilateral presentation and in the Quadruple Gestalt bilateral presentation is attributable to neural coactivation rather than probability summation, in that there was a violation of Miller’s race inequality. Conversely, the result obtained in the Quadruple Random bilateral presentation was attributable to a probability summation, in that there was no violation of the race inequality. In the second part of this project, we investigated if this procedure was more likely to increase the probability to detect blindsight in hemianopic patients and in hemisperectomized patients. We tested six patients with hemianopia (mean age: 45.83) as a result of cortical or optic tract lesion and one hemisperectomized patient. The procedure and design were the same as in the previous experiment. The results showed a trend toward an increase of speed of reaction time as measured by the RSE with multiple stimuli presented simultaneously to the intact and blind hemifield in comparison to stimuli to the intact field only. It is interesting to point out that the RSE in hemianopics and in the hemisperectomized patient was more pronounced for the gestalt-like configuration and this suggests the presence of gestalt-like perception in blindsight and provides important clues for rehabilitation. Moreover the functional magnetic resonance imaging results showed as expected an activation of visual areas localized at the level of the ventral visual pathway. In the second project, we tried to understand which of the two hemispheres mediates visually guided behavior following stimulus presentation to the blind hemifield of patients with hemianopia. We tested 9 patients (mean age:44.5) with the Poffenberger paradigm (PP): a RT task that involves a lateralized visual stimulus presentation in the intact and in the blind hemifield and a unimanual response. The crossed-uncrossed difference (CUD), a behavioural estimate of callosal interhemispheric transfer (IT) time for stimuli presented to the intact hemifield of all patients was positive and this can be interpreted as related to the lesioned hemisphere subserving the response whilst in the blind hemifield the results were more variable with some patients showing a positive and others a negative CUD (i.e. the response was subserved by the intact hemisphere) and this could be related to the extension of the individual lesions. In the second part, we used a new method for testing blindsight, namely to compare the cumulative distribution frequency (CDF) of RT for stimulus presentation to the intact and the blind field under normal or occluded viewing conditions. We tested 6 patients and the results were that two of them showed blindsight. We also used functional magnetic resonance (fMRI) to assess the involvement of specific brain structures in the IT of visuomotor information and the role of the intact hemisphere. We tested with the Poffenberger paradigm the well known blindsight patient GY. Behavioural results showed a positive CUD for the stimulation of the intact hemifield, and a negative CUD for the stimulation of the blind hemifield, suggesting that the intact hemisphere mediates the blindsight responses. Functional results showed activation of cortical areas (ventral visual areas, dorsal visual areas, sensori-motor and premotor areas) and callosal areas, with interesting differences in the conscious and unconscious conditions (anterior vs. middle-posterior, respectively). In the third project, we measured the electrophysiological response to visual stimulation of blind and intact visual field in the Poffenberger Paradigm (PP) in 12 healthy subjects and in three hemianopic patients. The purpose of the investigation was to inquire into the nature and the functionality of the lesioned hemisphere as well as try to understand the efficiency of IT. In both hemispheres we found an absence of ERP responses for stimulation of the hemianopic field while for stimulation of the intact hemifield we found a good direct response in the contralateral hemisphere. Interestingly, we observed a different response in the three patients for the indirect commissural response: the response recorded in the lesioned hemisphere was absent or very weak in posterior sites for patient EA and patient PC while for patient SL the response recorded in the lesioned hemisphere was comparable to that of healthy participants. This suggests that IT and integration of visual information from the intact to the damaged hemisphere of hemianopic patients seems to occur at the perceptual stage depending on the functional and anatomical integrity of the splenium of the CC. In short, the thrust of this entire Thesis is multifold. First, by using the Redundant Signal Effect it was found that there is a substantial cross-talk between the two hemispheres in hemianopic patients, including one hemispherectomy patient, and that unconscious vision is sensitive to stimulus numerosity and shows a sort of gestaltic perceptual organization. Second, I described the results of a new method to assess a reliable detection of unconscious stimuli in hemianopic patients probably triggered by evolutionary ancient subcortical areas. Finally, by using the Poffenberger paradigm, associated or not with ERP recordings, it was possible to have clues as to the importance of the intact hemisphere in mediating blindsight.