Hemianopia is a visual field defect characterized by blindness in the hemifield contralateral to the side of a lesion of the central visual pathways. Typically both eyes are affected. Despite loss of vision, it has been shown that some unconscious visual abilities (“blindsight”) might be present in the blind field. It has been repeatedly shown that the probability of finding this phenomenon can be increased by presenting moving stimuli in the blind field which activate the motion visual area hMT, bypassing the damaged primary visual area V1. As a consequence visually guided behaviour is made possible but perceptual awareness is lacking. The present research project consists of three experimental sessions carried out with six hemianopic patients and healthy participants, in order to explore the neural basis of blindsight or residual vision. In particular, the project is focused on finding out whether unseen visual stimuli presented to the blind field can evoke neural responses in the lesioned or intact hemisphere and whether shifts of spatial attention to the blind field can enhance these response as well as the behavioural performance. In the first session we assessed the presence of blindsight or conscious residual vision by carrying out a visual field mapping in binocular vision and by testing for the presence of unconscious above chance performance in motion and orientation discrimination tasks with stimuli presented to the blind area. We found evidence of unconscious above chance performance in one patient (L.F.) in the Motion Discrimination Task. In this case the above chance performance was associated with a feeling of something occurring on the screen, reported by the patient that resembles the so-called Blindsight Type II. In the second session we used a neuroimaging technique with the purpose of: i) assess the presence of abnormalities in the cortical representation of the blind visual field in the visual cortex of one hemianopic patient (A.G.), ii) evaluate position and activation of area hMT and iii) assess the structural connectivity and the integrity of white matter fibers in the same patient. To do that, by using a 3 Tesla Scanner, we carried out a fMRI session with Retinotopic Mapping, hMT Localizer and Diffusion Tensor Imaging procedures. In patient A.G. we found a retinotopic organization of low-level visual areas in the blind as well as in the intact hemisphere, despite the lesion involving mainly the dorsal portion of the left primary visual cortex. Importantly, we documented an activation of area hMT in the damaged hemisphere and the integrity of the entire visual pathways except for the optic radiations in the area of the lesion. In the third session we used an electrophysiological approach to study the neural basis of attention in the blind field of hemianopics. In order to obtain a reliable response with stimuli presented to the blind field, we used the Steady-State Evoked-Potentials (SSVEP) technique that is likely to be more informative than transient Visual Evoked Potentials in these kind of patients. This session included a passive stimulation and an attentional task. The former was performed to assess the response to stimuli flickering at a specific frequency in four visual field quadrants, two in the left and two in the right hemifield. In this session, we found in all hemianopic patients that visual stimuli presented to the blind hemifield produced a modulation of the neural response involving the damaged as well as the intact hemisphere. In the attentional task we found that orienting attention toward the blind field yielded an enhanced evoked response with respect to the non-orienting condition. Thus, SSVEP confirmed to be a useful means to assess a neural response following stimulus presentation in a blind field. Importantly, this response was enhanced by focusing of attention despite lack of stimulus perceptual awareness. In a broader perspective these results represent novel interesting evidence on the neural bases of unconscious vision in that they show that despite being unseen visual stimuli presented to the blind field elicit reliable neural activity in various cortical areas. In some patients these areas are located in occipital lobe while in others they are located in frontal parietal areas depending on the site and extent of the lesion causing hemianopia.

L’emianopsia è un disturbo visivo caratterizzato da cecità in una porzione del campo, controlaterale alla sede di lesione che coinvolge il circuito visivo. Nonostante tale difficoltà, alcune abilità visive residue (“blindsight”) possono essere mantenute nel campo cieco; la probabilità di riscontrare tale fenomeno risulta incrementata dalla presentazione di stimoli in movimento che possono attivare l’area visiva motoria (hMT) senza passare dall’area visiva primaria (V1). Di conseguenza, un comportamento guidato dalla visione risulta possibile nel campo cieco, in assenza di consapevolezza percettiva. Questo progetto di ricerca è costituito da tre sessioni sperimentali svolte con sei pazienti emianoptici e partecipanti sani, allo scopo di esplorare le basi neurali del “blindsight” o della visione residua, valutare la risposta neurale determinata da stimoli presentati nel campo cieco e valutare se lo spostamento dell’attenzione spaziale verso il campo cieco incrementi la risposta sia neurale che comportamentale. Durante la prima sessione è stata valutata la presenza di “blindsight” o di visione residua esaminando la presenza di un punteggio superiore al caso durante lo svolgimento di compiti di discriminazione di movimento e orientamento di stimoli presentati nel campo cieco. In un paziente su quattro (L.F.) si è ottenuto un punteggio superiore al caso in assenza di consapevolezza percettiva nel compito di discriminazione del movimento. In questo caso il punteggio era associato alla sensazione di presentazione dello stimolo riportata dal paziente, che può rimandare al Blindsight di secondo tipo. Nella seconda parte è stata svolta una sessione di neuroimaging (fMRI) utilizzando uno scanner a 3Tesla, allo scopo di i) valutare la presenza di anormalità nella rappresentazione corticale del campo cieco, all’interno della corteccia visiva (Retinotopic Mapping), ii) valutare la posizione e l’attivazione dell’area hMT (hMT Localizer) e iii) valutare la connettività strutturale e l’integrità delle fibre di sostanza bianca nello stesso paziente (Imaging con Tensore di Diffusione, DTI). Nel paziente A.G. abbiamo riscontrato un’ organizzazione retinotopica delle aree visive di basso livello in entrambi gli emisferi, nonostante la lesione interessasse prevalentemente la porzione dorsale della corteccia visiva primaria di sinistra (Retinotopic Mapping); abbiamo osservato l’attivazione dell’area hMT nell’emisfero leso (hMT Localizer) e l’integrità delle vie visive ad eccezione delle radiazioni ottiche nell’ area lesa (DTI). Durante la terza sessione è stato utilizzato un approccio elettrofisiologico. Per ottenere una risposta affidabile presentando stimoli nel campo cieco, è stata utilizzata la tecnica dei potenziali evocati Steady-state (SSVEP) che ha dimostrato essere più informativa rispetto ai potenziali evocati transienti in questo tipo di pazienti. La sessione includeva una stimolazione passiva e un compito di attenzione. L’obiettivo della prima era di valutare la risposta a stimoli che “sfarfallavano” (flickering) ad una frequenza specifica all’interno dei quattro quadranti; è stato osservato che in tutti i pazienti la presentazione dello stimolo nel quadrante cieco produceva una modulazione della risposta neurale che coinvolgeva entrambi gli emisferi. Nel compito di attenzione l’orientamento di quest’ultima verso il campo cieco determinava un incremento della risposta evocata rispetto alla condizione di non attenzione, anche quando quest’ultima veniva rivolta verso il campo cieco, seppur in assenza di consapevolezza percettiva. E’ stata confermata quindi l’utilità degli SSVEP nella valutazione della risposta neurale in seguito alla presentazione di stimoli nel campo cieco. Questi risultati rappresentano un punto chiave interessante per lo studio delle basi neurali della visione inconsapevole in quanto dimostrano come stimoli presentati nel campo cieco possano determinare un’ attività neurale attendibile in varie aree corticali.

THE NEURAL BASIS OF RESIDUAL VISION AND ATTENTION IN THE BLIND FIELD OF HEMIANOPIC PATIENTS: BEHAVIOURAL, ELECTROPHYSIOLOGICAL AND NEUROIMAGING EVIDENCE.

Pedersini, Caterina Annalaura
2016

Abstract

L’emianopsia è un disturbo visivo caratterizzato da cecità in una porzione del campo, controlaterale alla sede di lesione che coinvolge il circuito visivo. Nonostante tale difficoltà, alcune abilità visive residue (“blindsight”) possono essere mantenute nel campo cieco; la probabilità di riscontrare tale fenomeno risulta incrementata dalla presentazione di stimoli in movimento che possono attivare l’area visiva motoria (hMT) senza passare dall’area visiva primaria (V1). Di conseguenza, un comportamento guidato dalla visione risulta possibile nel campo cieco, in assenza di consapevolezza percettiva. Questo progetto di ricerca è costituito da tre sessioni sperimentali svolte con sei pazienti emianoptici e partecipanti sani, allo scopo di esplorare le basi neurali del “blindsight” o della visione residua, valutare la risposta neurale determinata da stimoli presentati nel campo cieco e valutare se lo spostamento dell’attenzione spaziale verso il campo cieco incrementi la risposta sia neurale che comportamentale. Durante la prima sessione è stata valutata la presenza di “blindsight” o di visione residua esaminando la presenza di un punteggio superiore al caso durante lo svolgimento di compiti di discriminazione di movimento e orientamento di stimoli presentati nel campo cieco. In un paziente su quattro (L.F.) si è ottenuto un punteggio superiore al caso in assenza di consapevolezza percettiva nel compito di discriminazione del movimento. In questo caso il punteggio era associato alla sensazione di presentazione dello stimolo riportata dal paziente, che può rimandare al Blindsight di secondo tipo. Nella seconda parte è stata svolta una sessione di neuroimaging (fMRI) utilizzando uno scanner a 3Tesla, allo scopo di i) valutare la presenza di anormalità nella rappresentazione corticale del campo cieco, all’interno della corteccia visiva (Retinotopic Mapping), ii) valutare la posizione e l’attivazione dell’area hMT (hMT Localizer) e iii) valutare la connettività strutturale e l’integrità delle fibre di sostanza bianca nello stesso paziente (Imaging con Tensore di Diffusione, DTI). Nel paziente A.G. abbiamo riscontrato un’ organizzazione retinotopica delle aree visive di basso livello in entrambi gli emisferi, nonostante la lesione interessasse prevalentemente la porzione dorsale della corteccia visiva primaria di sinistra (Retinotopic Mapping); abbiamo osservato l’attivazione dell’area hMT nell’emisfero leso (hMT Localizer) e l’integrità delle vie visive ad eccezione delle radiazioni ottiche nell’ area lesa (DTI). Durante la terza sessione è stato utilizzato un approccio elettrofisiologico. Per ottenere una risposta affidabile presentando stimoli nel campo cieco, è stata utilizzata la tecnica dei potenziali evocati Steady-state (SSVEP) che ha dimostrato essere più informativa rispetto ai potenziali evocati transienti in questo tipo di pazienti. La sessione includeva una stimolazione passiva e un compito di attenzione. L’obiettivo della prima era di valutare la risposta a stimoli che “sfarfallavano” (flickering) ad una frequenza specifica all’interno dei quattro quadranti; è stato osservato che in tutti i pazienti la presentazione dello stimolo nel quadrante cieco produceva una modulazione della risposta neurale che coinvolgeva entrambi gli emisferi. Nel compito di attenzione l’orientamento di quest’ultima verso il campo cieco determinava un incremento della risposta evocata rispetto alla condizione di non attenzione, anche quando quest’ultima veniva rivolta verso il campo cieco, seppur in assenza di consapevolezza percettiva. E’ stata confermata quindi l’utilità degli SSVEP nella valutazione della risposta neurale in seguito alla presentazione di stimoli nel campo cieco. Questi risultati rappresentano un punto chiave interessante per lo studio delle basi neurali della visione inconsapevole in quanto dimostrano come stimoli presentati nel campo cieco possano determinare un’ attività neurale attendibile in varie aree corticali.
9788869250378
Visual Attention
Visual Perception
Hemianopia
Blindsight
Steady-State evoked potentials (SSVEP)
Hemianopia is a visual field defect characterized by blindness in the hemifield contralateral to the side of a lesion of the central visual pathways. Typically both eyes are affected. Despite loss of vision, it has been shown that some unconscious visual abilities (“blindsight”) might be present in the blind field. It has been repeatedly shown that the probability of finding this phenomenon can be increased by presenting moving stimuli in the blind field which activate the motion visual area hMT, bypassing the damaged primary visual area V1. As a consequence visually guided behaviour is made possible but perceptual awareness is lacking. The present research project consists of three experimental sessions carried out with six hemianopic patients and healthy participants, in order to explore the neural basis of blindsight or residual vision. In particular, the project is focused on finding out whether unseen visual stimuli presented to the blind field can evoke neural responses in the lesioned or intact hemisphere and whether shifts of spatial attention to the blind field can enhance these response as well as the behavioural performance. In the first session we assessed the presence of blindsight or conscious residual vision by carrying out a visual field mapping in binocular vision and by testing for the presence of unconscious above chance performance in motion and orientation discrimination tasks with stimuli presented to the blind area. We found evidence of unconscious above chance performance in one patient (L.F.) in the Motion Discrimination Task. In this case the above chance performance was associated with a feeling of something occurring on the screen, reported by the patient that resembles the so-called Blindsight Type II. In the second session we used a neuroimaging technique with the purpose of: i) assess the presence of abnormalities in the cortical representation of the blind visual field in the visual cortex of one hemianopic patient (A.G.), ii) evaluate position and activation of area hMT and iii) assess the structural connectivity and the integrity of white matter fibers in the same patient. To do that, by using a 3 Tesla Scanner, we carried out a fMRI session with Retinotopic Mapping, hMT Localizer and Diffusion Tensor Imaging procedures. In patient A.G. we found a retinotopic organization of low-level visual areas in the blind as well as in the intact hemisphere, despite the lesion involving mainly the dorsal portion of the left primary visual cortex. Importantly, we documented an activation of area hMT in the damaged hemisphere and the integrity of the entire visual pathways except for the optic radiations in the area of the lesion. In the third session we used an electrophysiological approach to study the neural basis of attention in the blind field of hemianopics. In order to obtain a reliable response with stimuli presented to the blind field, we used the Steady-State Evoked-Potentials (SSVEP) technique that is likely to be more informative than transient Visual Evoked Potentials in these kind of patients. This session included a passive stimulation and an attentional task. The former was performed to assess the response to stimuli flickering at a specific frequency in four visual field quadrants, two in the left and two in the right hemifield. In this session, we found in all hemianopic patients that visual stimuli presented to the blind hemifield produced a modulation of the neural response involving the damaged as well as the intact hemisphere. In the attentional task we found that orienting attention toward the blind field yielded an enhanced evoked response with respect to the non-orienting condition. Thus, SSVEP confirmed to be a useful means to assess a neural response following stimulus presentation in a blind field. Importantly, this response was enhanced by focusing of attention despite lack of stimulus perceptual awareness. In a broader perspective these results represent novel interesting evidence on the neural bases of unconscious vision in that they show that despite being unseen visual stimuli presented to the blind field elicit reliable neural activity in various cortical areas. In some patients these areas are located in occipital lobe while in others they are located in frontal parietal areas depending on the site and extent of the lesion causing hemianopia.
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