• Keine Ergebnisse gefunden

Neuronal processing of food pictures

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Aktie "Neuronal processing of food pictures"

Copied!
60
0
0

Wird geladen.... (Jetzt Volltext ansehen)

Volltext

(1)

   

Neuronal processing of food pictures 

   

Wissenschaftliche Arbeit 

zur Erlangung des Grades eines Diplom‐Psychologen  im Fachbereich Psychologie 

der Universität Konstanz 

 

vorgelegt von 

 

Christoph Alexander Becker  Schützenstr. 18 

78462 Konstanz 

     

Erstgutachter: Professor Dr. Harald Schupp  Zweitgutachterin: Professorin Dr. Britta Renner   

   

09  Konstanz, im August 20

   

(2)

Acknowledgements 

I would like to thank the following persons:  Prof.  Dr.  Harald  Schupp  and  Prof.  Dr. 

Britta Renner for their willingness to supervise this work and their helpful guidance, Dr. 

Tobias  Flaisch  and  Frank  Häcker  for  assistance  during  data  acquisition  and  useful  support,  Dr.  Ralf  Schmälzle,  Katrin  Höhne  and  Anne  Rösser  for  proofreading,  all  my  friends  for  their  social  support  and  occasional  scattering,  and  especially  my  parents,  who put me through college and finally allowed me to perform this thesis. 

 

(3)

Table of contents

 

Abstract ... 4 

Introduction ... 5 

Face and Object processing at the inferior temporal cortex ... 7

The pathway from sensation to cognition ... 

Brain regions involved in visual food perception ... 9 

A short overview on research with visual food cues ... 10 

Building up a distributed network for food processing ... 14

  Motivation and salience of picture categories ... 15 

Influences on food perception ... 15 

  Deduction of thesis ... 16 

Methods ... 17 

Stimulus Material ... 17

Subjects ... 17 

Data acquisition ... 18 

Ex   Da perimental Procedure ... 18 

ta preprocessing and normalization ... 19 

Preprocessing of functional data ... 20 

Normalization of structural data ... 20 

Normalization of functional data ... 20 

Results ... 21 

Re Results of questionnaires ... 21 

sults of functional data ... 22 

Effects of picture category ... 23 

Contrasting picture categories against their scrambled counterparts ... 27 

The influence of color ... 31 

Discussion ... 39 

Further effects of picture category ... 41

Effects of picture category at the inferior temporal cortex ... 40 

Large scale distributed food network ... 43

  Picture categories against their scrambled counterparts ... 43 

The influence of color ... 45 

Limitations of the present study ... 48

    Future directions ... 48 

Bibliography ... 50 

Appendix ... 54 

Sti Abbreviations ... 54 

Usmulus material ... 55 

ed questionnaires ... 58 

Personal data ... 58 

Hunger and appetite ... 59 

Feelings with the scanner environment ... 60   

(4)

Abstract 

The aim of this study was to explore the neuronal representations that underlie the  perception and recognition of visual presented food cues in black and white as well as  colored form when contrasted against face, house, and their scrambled counterparts. A  theoretical framework published by Mesulam (1998) was used that stated that neuronal  concepts and higher order cognitive functions are represented in large scale distributed  networks across the human cortex. These functions are provided by transmodal areas,  which  bind  sensory  specific  properties  of  object  classes  into  coherent  conscious  representation. The sensory representations in turn are stored in modality specific areas  that  represent  this  content  with  a  gradient  from  low‐level  feature  encoding  up  to  abstract  object  encoding.  Through  this  framework  a  distributed  food  network  was  defined that should be responsible for the encoding of visual food cues, the anticipation  of food’s tastiness, and the reward evaluation of food intake.    

The  results  revealed  that  faces  activate  the  fusiform  face  area  (FFA),  prefrontal  regions, and parieto‐occipital cortex. On the other hand responded the parahippocampal  place area (PPA) to houses. Food pictures activated the prefrontal cortex, orbitofrontal  cortex,  insula,  inferior  temporal  cortex,  and  parieto‐occipital  cortex.  Moreover,  object  categories contrasted against their scrambled counterparts confirmed the results found  through  the  contrasts  reported  above.  An  influence  of  color  was  found  in  prefrontal  cortex,  motor  cortex,  cingulate  cortex,  parieto‐occipital  cortex,  insula,  and  subcortical  regions across the different contrasts. 

The  results  of  this  study  support  the  assumption  that  visual  food  cues  are  represented  in  a  large  scale  distributed  network  across  the  human  cortex.  In  this  network the inferior temporal cortex is responsible for food object encoding, the insula  for the processing of food’s anticipated tastiness, the orbitofrontal cortex for expected  reward  evaluation,  prefrontal  regions  for  action  planning,  the  parieto‐occipital  cortex  for spatial attention processes, and the cingulate cortex for emotional salience. Further  are the activation of FFA through faces and that of the PPA through houses consistent  with findings in the literature. The influence of color showed that activity within regions  responsible for action planning,  action execution, motivation, attention, and emotional 

wareness is altered. 

a  

(5)

Introduction 

Food plays a large role in humans every day life and therefore it is understandable  that a huge amount of research has focused on this topic. The human’s identification of  food is in most cases first achieved through the visual modality by which an analysis of  quality and acceptability of and based on this a decision for special foods is performed  (Blackwell, 1995). 

Ongoing on this assumption a part of food research has focused on visual presented  food cues. In the neuro‐scientific domain the study of underlying brain structures, which  are involved in the perception and processing of food, was aimed. Several studies have  centered on this purpose in conjunction with differing topics, e.g. food’s calorie content  (Killgore, et al., 2003), hunger/satiety (Hinton, et al., 2004), affect (Killgore & Yurgelun‐

Todd, 2006), and obesity (Martin, et al., 2009). 

Whereas these topics take a large part in the literature, just a minority quested on  the neuronal representation of food by itself, for example see a 2005 study (St‐Onge, Sy,  Heymsfield,  &  Hirsch).  However,  even  basic  research  is  necessary  to  understand  the  principles of food related brain activations especially without confounding factors like  calorie content,  unge /satiety, affect, or obesity. h r

This  study  aims  to  identify  the  underlying  neuronal  representation  of  visual  presented food without confounding of different factors as reported above. Therefore, a  general framework of the pathway from sensation to cognition will be presented. This  framework will then be linked to fundamental findings in visual object processing and  thereafter to current findings of visual food research. After a short overview of former  food research, a distributed network for food processing will be set up. Finally, salience  of  and  effects  on  picture  categories  are  introduced.  Based  on  this  some  thesis  will  be  deviated. 

The pathway from sensation to cognition 

As  stated  by  Mesulam  (1998)  the  pathway  from  sensation  of  a  stimulus  to  its  representation  in  memory  and  mind  can  be  subdivided  into  hierarchical,  distributed,  and  parallel  and  serial  processing  areas.  The  hierarchical  organization  can  be  characterized by the areas degree of synaptic levels. Higher order creatures have a more  complex  central  nervous  system  and  thus  a  higher  degree  of  synaptic  levels.  The  synaptic  organization  supports  serial  as  well  as  parallel  processing.  Furthermore 

(6)

connections from one zone to another are reciprocal and provide higher order areas a  top‐down influe ce up n lower ones. n o

In  humans  there  are  six  synaptic  levels.  The  modality  specific  primary  cortex  constitutes  the  first  synaptic  level  and  is  followed  by  upstream  unimodal  areas  at  the  second  level  and  downstream  unimodal  areas  at  the  third  level.  Multimodal  sensory  representations converge at the fourth synaptic level in heteromodal, at the fifth level in  paralimbic, and finally at the sixth level in limbic zones. The latter three areas are called  transmodal areas. As it can be seen, a synaptic level gradient from the sensations first  entrance  into  cerebral  cortex,  over  unimodal  association  areas  towards  highly  interconnected multimodal areas can be defined, see figure 1. 

 

connect visual and auditory modalities, as can be seen by the interrupt at ring one to four  ulam, 1998). 

Sensory processing starts at the primary sensory cortex that forms the entrance to  modality specific sensory processing. The primary sensory cortex transfers information  to  unimodal  association  areas,  which  are  characterized  through  (i)  their  major  input 

Figure – Primary sensory, downstream, and upstream unimodal areas for auditory (blue) and  visual (green) pathways. Transmodal pathways are shown in red. Each ring shows one synaptic  distance starting with one at the outer boundary and going to six at the inner circle. Nodes on the  same concentric ring are reciprocally interconnected. Note that only the fifth and sixth ring  inter

(Mes

(7)

from  primary  sensory  and  other  unimodal  association  areas  of  that  modality,  (ii)  constituent  neurons  that  respond  maximally  to  only  one  specific  modality,  and  (iii)  lesions that lead to behavioral deficits confined to tasks under the control of that specific  sensory  modality.  These  unimodal  association  areas  can  further  be  subdivided  into  upstream  unimodal  areas  and  downstream  unimodal  areas.  Upstream  unimodal  areas  encode  basic  features  of  sensation  like  color,  motion,  and  form  in  visual  extrastriate  Brodmann  area  (BA)  18  and  19.  Downstream  unimodal  areas  encode  more  complex  content of sensory experience like objects and faces at the inferior temporal BA 20 and  21,  which  functions  on  higher  visual  processing.  Finally,  transmodal  areas  bind  characteristics  from  modality  specific  downstream  areas  and  other  transmodal  areas  and integrate these content into multimodal representations. 

There are at  least five higher  order  cognitive functions  such  as  spatial  awareness,  language,  memory/emotion,  face‐object  recognition,  and  working  memory  that  are  given through large‐scale distributed networks in transmodal areas. For example form  the posterior parietal cortex and frontal eye field a network for spatial awareness. These  networks use modality specific sensory properties to construct representations from the  humans  surrounding  environment.  The  representation  of  a  familiar  person  might  therefore be represented in the face‐object area in the mid temporal and temporopolar  cortices to remember its visual nature, in the language area in Wernicke’s and Broca’s  areas  to  remember  its  name,  and  in  memory/emotion  area  in  the  hippocampal‐

entorhinal complex to associate knowledge and emotional content to the person. These  transmodal  areas  do  not  store  the  property  information  themselves  but  rather  access  them  from  upstream  and  downstream  unimodal  areas  and  serve  therefore as  a  bibliographical node that indexes these properties (Mesulam, 1998).  

Face and Object processing at the inferior temporal cortex 

In  the  field  of  visual  perception  a  lot  of  research  has  been  done  due  on  face  and  object  recognition.  The  visual  cues  encoded  in  primary  visual  cortex  (V1)  are  further  processed in upstream and downstream unimodal areas.  The downstream areas of the  visual modality split into the dorsal and ventral stream of the visual pathway. The dorsal  stream, located at the region of parieto‐occipital and parietal cortex, is specialized to the  processing  of  visuospatial  properties.  The  ventral  stream,  located  at  the  middle  and  inferior temporal cortex, is specialized to object shape (Ungerleider & Haxby, 1994).  

(8)

At  the  downstream  region  of  the  inferior  temporal  cortex  within  in  the  fusiform  gyrus an important functional distinctive region was identified that is specialized to the  processing of faces. This fusiform face area (FFA), that responds to a higher degree to  faces than to other object categories, was first identified by Kanwisher, McDermott, and  Chun  (1997).  Moreover  it  has  been  shown  that  upright  faces  activate  this  region  to  a  higher  degree  than  inverted  ones  do.  The  effect  is  known  as  the  face  inversion  effect  (Kanwisher, Tong, & Nakayama, 1998). The functional specialization of the FFA has been  confirmed  by  other  studies  (Downing,  Chan,  Peelen,  Dodds,  &  Kanwisher,  2006; 

Kanwisher & Yovel, 2006; Spiridon, Fischl, & Kanwisher, 2006). 

 

Figure 2 – Regions activated due to faces vs. objects (FFA) and scenes vs. objects (PPA) (Spiridon, et  al., 2006) 

Although Kanwisher and colleagues were able to show that a face specialized region  in the fusiform gyrus exists, others believe that such a clear distinction cannot be drawn. 

Peelen  and  Downing  (2005)  revealed  that  there are  at  least two  distinctive  regions  at  the fusiform gyrus. One region, as expected, responded to a higher degree to faces when  contrasted  against  tools,  but  another  nearby  region  responded  to  a  higher  degree  to  human  bodies  without  faces  when  contrasted  against  the  same  control  category.  The  authors named this body specific region the fusiform body area (FBA) with respect to  the FFA. In a second experiment these authors could show that the FBA but not the FFA  also responds to a higher degree to stick figure depictions of bodies than to scrambled  controls,  which  in  turn  confirmed  this  region  to  encode  body  parts  in  an  abstract  manner  (Peelen  &  Downing,  2005).  Another  group  confirmed  these  functional  distinctive regions. They conducted two localizer scans, one in standard (3mm) and one  in  high  (1,5mm)  resolution.  In  both  scans,  with  a  stronger  selectivity  for  the  high‐

resolution scan, the FFA and FBA was found (Schwarzlose, Baker, & Kanwisher, 2005). 

The  downstream  area  of  the  inferior  temporal  cortex  contains  another  functional  distinctive region that was identified in the parahippocampal gyrus. This region, termed  the  parahippocampal  place  area  (PPA),  was  first  described  by  Epstein  and  Kanwisher 

(9)

(1998) and has since been reported as being functionally specialized to the local visual  environment. It responds to passively viewed scenes, only weakly to single objects, and  not  at  all  to  faces.  The  information  about  the  layout  of  local  space  appears  to  be  the  critical  factor  for  its  activation  and  remains  unaffected  by  the  scenes  complexity  (Epstein  &  Kanwisher,  1998)  and  the  subject’s  familiarity  with  the  scene  as  well  as  motion  through  the  scene  (Epstein,  Harris,  Stanley,  &  Kanwisher,  1999).  On  the  other  hand  the  PPA  reflects  viewpoint‐specificity,  which  shows  that  it  represents  the  relationship  between the  observer  and the structures  that  define  local  space  (Epstein,  Graham, & Downing, 2003). Powerful stimulus categories that elicit reliable activations  in  the  PPA  are  landscapes  and  scenes as  well  as  houses (Epstein & Kanwisher,  1998). 

Other researchers have replicated the functional specialization and location of the PPA  (Dow

in regions involved in visual food perception 

As pictures of faces and scenes elicit activations within the downstream area of the  inferior  temporal  cortex  pictures  of  food  should  do  the  same.  Food  pictures  also 

ning, et al., 2006; Spiridon, et al., 2006).  

Regardless  of  the  functional  specialization  of  the  FFA  for  faces  and  the  PPA  for  scenes it must mentioned that activity within the visual downstream area of the inferior  temporal cortex is rather relative than absolute. Although neurons in the FFA respond  most  to  faces  and  those  in  PPA  most  to  scenes,  the  neuronal  activity  evoked  in  these  regions is captured by other object categories as well (Ewbank, Schluppeck, & Andrews,  2005). A finding supporting this view has been revealed that different object categories  evoked  individual  patterns  of  activity  distributed  among  the  ventral  pathway  of  the  visual  system.  The  researchers  were  able  to  discriminate  these  object  categories  in  a  post‐hoc  manner  on  the  basis  of  their  mean  neuronal  activity  and  even  when  regions  were excluded that responded maximal to a specific category. Also regions that respond  maximal to only one category, e.g. faces, showed discrimination patters for all categories  (Haxby,  et  al.,  2001).  Another  study,  which  elaborated  the  effects  of  adaption  onto  repeatedly  presented  inanimate  objects  and  scenes,  pointed  out  that  adaption  to  inanimate objects occurred within the lateral occipital complex (LOC), the FFA, and the  PPA  and  that  adaption  to  places  was  found  in  the  PPA  and  the  LOC,  suggesting  that  object  representation  is  not  restricted  to  those  regions,  which  respond  maximal  to  a  single category, e.g. FFA and PPA, but rather is distributed across human visual cortex  (Ewbank, et al., 2005). 

Bra

(10)

constitute  an  object  category  that  has  to  be  encoded  within  the  ventral  stream  of  the  visual pathway. The literature about food picture processing revealed activity in the left  striate  (Fuhrer,  Zysset,  &  Stumvoll,  2008)  and  left  extrastriate  (Fuhrer,  et  al.,  2008; 

LaBar,  et  al.,  2001)  cortex  as  well  as  inferior  visual  cortex  (Cornier,  Von  Kaenel,  Bessesen, & Tregellas, 2007). Others reported visual food related activity in the fusiform  gyrus within the left (Beaver, et al., 2006; Simmons, Martin, & Barsalou, 2005), the right  (LaBar,  et  al.,  2001)  or  both  hemispheres  (Cheng,  Meltzoff,  &  Decety,  2007;  Uher,  Treasure, Heining, Brammer, & Campbell, 2006) and the parahippocampal gyrus in the  left (St‐Onge, et al., 2005) and the right hemisphere (Beaver, et al., 2006; Cheng, et al.,  2007;  LaBar,  et  al.,  2001).    From  this,  evidence  is  given  that  pictures  of  food  elicit  neuronal activity in primary visual (striate cortex), upstream unimodal (extrastriate and  inferior  visual  cortex),  and  downstream  unimodal  areas  (FFA  and  PPA)  and  thus  be  trea

ort overview on research with visual food cues 

When reviewing the field of neuronal food science four groups of direction can be  distinguished  (excluding  a  huge  amount  of  work  that  is  spend  to  the  question  of  underlying neuronal causes of obesity). The first and biggest direction is formed by the  study of effects of hunger and satiety on neuronal responses to visual food cues. Another 

ted and processed as object categories. 

Previous  research  into  the  field  of  food  science  showed  a  distinct  pattern  of  the  visual  pathway  of  food  object  processing.  In  contrast  to  this,  the  control  categories  against which food related activations were contrasted seem to be heterogeneous. Most  studies  used  nonfood  control  categories,  but  they  consisted  of  food  related  utensils  (Killgore, et al., 2003), tools (Fuhrer, et al., 2008; LaBar, et al., 2001), or were themselves  of heterogeneous character (Beaver, et al., 2006; St‐Onge, et al., 2005; Uher, et al., 2006). 

Others used high and low caloric pictures (Killgore & Yurgelun‐Todd, 2006) or led the  subjects  create  mental  imageries  of  foods  (Hinton,  et  al.,  2004).  Just  two  studies  used  homogeneous  controls  consisting  of  scrambled  pictures  (Cheng,  et  al.,  2007)  and  accordingly  location  pictures  (Simmons,  et  al.,  2005).  The  complexity  of  the  control  categories makes clear evidence about food picture related activation difficult. One has  to assume that all those tools, utensils, and other nonfood objects represent a distinct  object category when contrasting the distinct category of food against nonfoods. These  nonfood categories do not only vary in within object features, such as eyes and mouths  in faces, but also in between object features, such as the objects themselves. 

A sh

(11)

field is given by the influence of reward, reward and disgust sensitivity, and affect. The  third one can be made through the study of high vs. low calorie foods onto human brain  activity.  Only  a  small  amount  of  work  has  attended  to  the  question  of  the  neuronal  representation  of  visual  food  cues  and  food  in  general  without  comprising  moderator  factors. A short summary of studies related to visual food presentation is presented in  table

n of the affec ive value of food (Craig, 2009; Kringelbach, 2005). 

The  comparison  of  high  versus  low  calorie  foods  revealed  activations  in  the  hypothalamus  (Cornier,  et  al.,  2007;  Killgore,  et  al.,  2003),  inferior  temporal  cortex 

 1. 

The study of effects of hunger and satiety on food related visual stimuli showed that  striate  and  extrastriate  cortex  (Fuhrer,  et  al.,  2008),  amygdala  (Cheng,  et  al.,  2007; 

Hinton,  et  al.,  2004;  LaBar,  et  al.,  2001),  parahippocampal  gyrus  (Cheng,  et  al.,  2007; 

LaBar, et al., 2001), fusiform gyrus (LaBar, et al., 2001; Uher, et al., 2006), insula (Hinton,  et al., 2004), and orbitofrontal cortex (Cheng, et al., 2007; Fuhrer, et al., 2008) activity is  increased  when  participants  are  in  a  hungry  state  relative  to  a  satiated  one.  These  findings are in that comprehensible as this regions are associated in different aspects of  food  processing.  The  upstream  extratriate  cortex  and  downstream  parahippocampal  and fusiform gyrus of the visual modality are involved in object processing (Mesulam,  1998).  The  heteromodal  orbitofrontal  cortex  is  responsible  for  reward  evaluation  (Kringelbach,  2005).  Motivation  and  goal  directed  behavior  are  provided  through  the  linkage  of  paralimbic  amygdala  and  heteromodal  orbitofrontal  cortex  (Kringelbach,  2005;  Mesulam,  1998).  Finally,  the  paralimbic  insula  is  responsible  for  gustatory  processing (Small, et al., 1999). 

Work  by  Gottfried,  O’Doherty,  and  Dolan  (2003)  pointed  out  that  satiety  related  olfactory  reinforcer  devaluation  decreased  amygdala  and  orbitofrontal  cortex  activity. 

Moreover,  individual’s  variation  in  trait  reward  sensitivity  was  correlated  with  brain  activation to appetizing foods in amygdala and orbitofrontal cortex (Beaver, et al., 2006). 

Disgust  sensitivity,  on  the  other  hand,  was  correlated  with  activations  in  the  ventroanterior  insula  (Calder,  et  al.,  2007).  Furthermore,  subject’s  affective  state  was  correlated with activations in the insula and orbitofrontal cortex (Killgore & Yurgelun‐

Todd, 2006). These studies confirm the assumption that the heteromodal orbitofrontal  cortex  encodes  the  predictive  reward  value  of  food  (Kringelbach,  2005)  and  might,  through  its  linkage  with  paralimbic  insula  and  amygdala,  also  be  responsible  for  the 

evaluatio t

(12)

well as medial and dorsolateral prefrontal cortex (Killgore, et al., 2003). The activation  of  the  hypothalamus  is  consistent  with  past  findings  that  described  this  region  as  a  center  for  homeostatic  processes,  regulation  of  body  weight,  and  hunger  and  satiety  processes  (Smith  &  Ferguson,  2008).  The  activation  of  the  heteromodal  posterior  parietal  cortex  and  the  increased  activation  of  the  visual  downstream  area  to  high  calorie  food  point  out  that  attention  processes  occurred  during  viewing  of  high  in  contrast  to  low  calorie  food.  Moreover,  activation  of  the  heteromodal  orbitofrontal  cortex  indicate  that  reward  evaluation  might  be  performed  and  prefrontal  regions  suggest the planning of motor actions (Mesulam, 1998). 

Only two studies have focused on the neuronal representation of visual food cues. 

One,  conducted  by  Simmons,  Martin,  and  Barsalou  (2005),  compared  activation  for  location pictures with that of appetizing food pictures. They found that pictures of food  activated the insula, orbitofrontal cortex, and ventral temporal cortex. The other study,  carried out by St‐Onge, Sy, Heymsfield, and Hirsch (2005), explored the effects of visual  and  tactile  presented  food  and  nonfood  items  onto  the  neuronal  processing.  In  a  conjunction  analysis,  making  the  activation  pattern  independent  of  visual  or  tactile  presentation,  they  found  greater  activation  to  food  item  within  the  parahippocampal  gyrus,  insula,  anterior  cingulate  cortex,  superior  temporal  gyrus,  and  hippocampus. 

These two studies supported the latter findings that downstream unimodal areas in the  ventral temporal cortex are bound to the object processing of visual stimuli (Mesulam,  1998) and that a linkage is given through the heteromodal orbitofrontal cortex, which is  responsible  for  reward  evaluation  of  seen  food  (Kringelbach,  2005),  and  paralimbic  insula,  which  is  supposed  to  represent  the  secondary  gustatory  cortex  and  thus  evaluates how the food migh  taste (Sm ll, et al., 1 99)t a   9 . 

Taking  these  findings  together,  one  can  see  that  the  visual  upstream  and  downstream areas of the inferior temporal cortex, the heteromodal orbitofrontal cortex,  and the paralimbic insula play an important role in almost every work concerning visual  food presentation. 

Source  Modality  Stimuli  L/R  Structures 

(Beaver, et al., 2006)  Visual  Appetizing and nonfood  object pictures1 

L/R  L/R 

Orbitofrontal  Posterior Insula 

Parahippocampal gyrus  Fusiform gyrus 

vmPFC  DLPFC  (Cheng, et al., 2007)  Visual  Observation of grasping  Amygdala 

(13)

pictures   L/R 

Parahippocampal gyrus  Hypothalamus 

Orbitofrontal  (Cornier, et al., 2007)  Visual  High and low caloric 

food pictures, nonfood  pictures (unspecified) 

L/R 

Inferior visual cortex  Hypothalamus  Insula 

(Fuhrer, et al., 2008)  Visual  Food and nonfood  pictures (tools and  other nonfood related  objects) 

L/R  L/R 

Insula  Striate cortex  Extrastriate cortex  Cingulate cortex  (Gottfried, et al., 2003)  Visual 

Olfactory 

Arbitrary visual cues,  Olfactory stimuli 

Orbitofrontal  Anterior insula  Amygdala  Hypothalamus  Ventral midbrain  Piriform Cortex  (Hinton, et al., 2004)  Mental 

imagery 

Mental imaged foods 

Hypothalamus  Amygdala  Insula  ACC 

Orbitofrontal  (Killgore & Yurgelun‐Todd, 

2006) 

Visual  High and low caloric  food pictures 

L/R  L/R  L/R 

Lateral orbitofrontal  Posterior insula  Medial orbitofrontal  ACC 

(Killgore, et al., 2003)  Visual  High and low caloric  food pictures, nonfood  objects (food related  utensils) 

L/R 

Insula  Amygdala  Fusiform gyrus  Medial frontal gyrus  (LaBar, et al., 2001)  Visual  Pictures of food and 

tools 

Parahippocampal gyrus  Fusiform gyrus 

Amygdala  Insula 

Extrastriate cortex  (Simmons, et al., 2005)  Visual  Food and location 

pictures 

Insula/Operculum  Orbitofrontal  ACC 

Inferior temporal gyrus  Fusiform gyrus 

(St‐Onge, et al., 2005)  Visual  Tactile 

Food and nonfood  object pictures 

L/R  L/R 

Cingulate cortex  Hippocampus 

Parahippocampal gyrus  Superior temporal gyrus  Insula 

(Uher, et al., 2006)  Visual2  Food and nonfood  object pictures 

L/R 

Fusiform gyrus  Lingual gyrus  Angular gyrus  Anterior insula 

Table – Selected activations found in other studies investigating food related neuronal activity    (1 as listed in supplementary table 3; 2 gustatory activations not included; ACC anterior  cingulate cortex, vmPFC = ventromedial prefrontal cortex, DLPFC = dorsolateral prefrontal cortex).  

(14)

elun‐Todd, 2006). 

The consumption of food is accompanied by a reward effect that is generated and  evaluated in the heteromodal orbitofrontal cortex, based on the positive outcome of its  obtainment (Kringelbach, 2005). In studies related to the presentation of food pictures  orbitofrontal cortex activity was observed, which indicates that a reward evaluation of  food stimuli has been performed (Beaver, et al., 2006; Cheng, et al., 2007; Gottfried, et  al.,  2003;  Hinton,  et  al.,  2004;  Killgore  &  Yurgelun‐Todd,  2006;  Simmons,  et  al.,  2005; 

Building up a distributed netw rk for food processing  o    

Based  on  Mesulam  (1998)  object  concepts  in  the  brain  are  represented  as  distributed  circuits  of  property  representations  across  the  brain’s  modality  specific  zones.  Building  upon  this  the  representation  of  food  is  at  least  incorporated  by  the  properties  of  object  shape,  taste  and  reward  value.  Furthermore,  viewing  pictures  of  food  should  not  only  activate  brain  regions  that  encode  the  visual  nature  of  food  but  moreover activate those that encode how it might taste and how rewarding it might be. 

Once  one  part  of  the  food  processing  network  becomes  active  it  may  recruit  the  remainder structures through the process of pattern completion (Simmons, et al., 2005).  

As  mentioned  above,  visual  food  cues  should  activate  brain  regions  that  serve  functions on higher visual processing, especially object encoding and recognition (Bell,  Hadj‐Bouziane, Frihauf, Tootell, & Ungerleider, 2009; Mesulam, 1998). These regions are  located  at  upstream  unimodal  extrastriate  cortex  (Fuhrer,  et  al.,  2008;  LaBar,  et  al.,  2001) and in downstream unimodal areas at the inferior temporal cortex (Cornier, et al.,  2007;  Simmons,  et  al.,  2005),  especially  the  parahippocampal  (Beaver,  et  al.,  2006; 

Cheng, et al., 2007; LaBar, et al., 2001; St‐Onge, et al., 2005) and fusiform gyrus (Beaver,  et al., 2006; Cheng, et al., 2007; Killgore, et al., 2003; LaBar, et al., 2001; Simmons, et al.,  2005; Uher, et al., 2006). 

The  paralimbic  anterior  insular  cortex  (AIC)  and  frontal  operculum  have  been  identified as regions that constitute the secondary gustatory cortex in humans and thus  play an important role in the processing of food related gustatory properties (Sewards & 

Sewards,  2001;  Small,  et  al.,  1999).  The  insula  was  activated  in  addition  to  the  presentation of visual food stimuli in its frontal opercular and anterior part (Cornier, et  al., 2007; Gottfried, et al., 2003; Hinton, et al., 2004; Killgore, et al., 2003; LaBar, et al.,  2001;  Simmons,  et  al.,  2005;  St‐Onge,  et  al.,  2005;  Uher,  et  al.,  2006)  and  even  some  studies  found  a  contribution  of  it’s  posterior  part  (Beaver,  et  al.,  2006;  Killgore  & 

Yurg

(15)

Summing up, one can state that a neuronal network for food representation might at  least contain the inferior temporal cortex for food object encoding and recognition, the  AIC  and  frontal  operculum  for  gustatory  representation  of  food,  and  the  orbitofrontal  cortex for reward evaluation of food intake. 

Motivation and salience of picture categories 

Food constitutes a motivationally important stimulus category (LaBar, et al., 2001)  that  is  highly  preferable  and  has  a  salient  impact  on  humans’  attention  system,  especially  under  the  circumstances  of  deprivation  (Stockburger,  Schmaelzle,  Flaisch,  Bublatzky, & Schupp, 2009; Stockburger, Weike, Hamm, & Schupp, 2008). Human faces,  especially  with  emotional  content  (Calvo  &  Nummenmaa,  2008;  Eimer  &  Kiss,  2007),  constitute  a  socially  relevant  stimulus  category  (Benuzzi,  et  al.,  2007)  and  hence  have  also a salient impact that captures attention. In contrast to food and faces represents the  stimulus  category  of  houses  neither  a  motivational  important  nor  a  social  relevant  category and therefore a neutral one. 

Many researchers have contrasted activations caused by food pictures against those  of  nonfood  pictures  and  other  neutral  picture  categories.  The  contrasting  of  food  pictures  against  another  meaningful  category,  e.g.  faces,  has  not  been  done  nor  the  comparison  of  food  related activation  patterns  against  meaningful  and  neutral  picture  categories, as can be seen through table 1. 

Influences on food perception 

It  has  been  shown  that  some  characteristics  of  food  stimuli  are  able  to  alter  the  perception  of  foods.  For  example,  Walsh  and  colleagues  have  reported  that  children  prefer  such  foods  that  are  of  red  and  green  color  above  those  of  orange  and  yellow  (Walsh, Toma, Tuveson, & Sondhi, 1990) and Blackwell (1995) found that subjects, who  were instructed to rank odors in order of odor strength, which varied in odor strength  and  color  intensity,  made  significantly  more  mistakes  on  judgments  when  the  color  intensity and odor strength were incompatible. Another effect was reported by Strugnell  (1997),  who  pointed  out  that  color  (especially  red)  interferes  with  the  perception  of  sweetness.  Similar  effects  were  found  in  another  study,  which  revealed  that  odor  and  visual  characteristics  of  seen  custard  affects  the  perception  of  another  custards  creaminess  when  it  was  ingested  (de  Wijk,  Polet,  Engelen,  van  Doorn,  &  Prinz,  2004). 

Finally, taken to a larger scale, color in contrast to black and white enhances the ability 

(16)

of object naming, which demonstrates it’s influence on object perception (Ostergaard & 

Davidoff, 1985). 

Given  these  findings,  one  might  assume  that  brain  research  concerning  the  visual  stimulation  with  food  cues  had  investigated  the  effects  of  color  onto  the  cerebral  processing. However, down to the present day none researcher had published work on  this. 

Furthermore,  each  picture  category  consists  of  several  low‐level  stimulus  characteristics such as color and brightness. For this reason, some researchers contrast  their interesting picture categories against scrambled counterparts (Cheng, et al., 2007). 

Deduction of thesis 

Food  pictures  were  presented  to  the  studies  participants  and  the  signal  changes  evoked through this presentation in functional magnetic resonance imaging (fMRI) were  contrasted against those of face and house pictures, respectively. 

Taking  together,  with  the  findings  reported  above,  blood  oxygen  level  depend  (BOLD)  signal  changes  are  expected  in  the  visual  downstream  area  (i)  at  the  fusiform  face area (FFA) through the contrast of face pictures against house pictures and (ii) at  the parahippocampal place area (PPA) through the reverse contrast. 

Moreover,  food  pictures  should  cause  BOLD  signal  changes  in  the  visual  downstream  area  (iii)  at  the  inferior temporal  cortex  due  to  object  recognition  and  in  heteromodal  areas  (iv)  at  the  orbitofrontal  cortex  and  paralimbic  areas  (v)  at  the  anterior insular cortex due to the effect of pattern completion when contrasted against  face and house pictures. 

In addition to that the influence of color might affect neuronal responses across all  contrasts  and  (vi)  alterations  in  neuronal  responses  are  expected  in  interaction  with  picture  color.  Furthermore,  contrasting  stimulus  category  specific  activations  against  their  scrambled  counterparts  (vii)  should  confirm  the  basic  findings  of  the  activation  patterns stated above. 

 

(17)

Methods 

Subjects 

Participants  were  12  voluntary  students  and  members  of  the  University  of  Konstanz. The group contained six women and six men. No person was paid or got credit  for participating. The mean age of the group was 26.83 years  (SD = 6.25). The group’s  mean body mass index (BMI) was 22.00 (SD = 2.42). Furthermore all persons were right  handed. 

Subject  Age (Yrs)  Sex  Size (m)  Weight (kg)  Body Mass Index (kg/m2 Handedness 

44  1,70  66  22,84 

24  1,87  92  26,31 

24  1,69  66  23,11 

27  1,83  68  20,31 

22  1,69  54  18,91 

26  1,65  58  21,30 

22  1,67  60  21,51 

24  1,94  83  22,05 

34  1,85  88  25,71 

10  26  1,78  74  23,36 

11  24  1,68  53  18,78 

12  25  1,59  50  19,78 

Mean  26.83    1.75  67.67  22.00   

SD  6.25    0.11  13.99  2.42   

Table 2 – Index of subject’s characteristics. 

Stimulus Material 

The stimulus material consisted of pictures with a resolution of 312 x 384 pixels and  was  subdivided  in  a  set  of  three  picture  categories,  namely  Faces,  Houses,  and  Food. 

Each  picture  category  included  24  different  pictures.  The  picture  category  food  consisted  of  eight  meat  dishes,  eight  vegetable  dishes  and  eight  desserts.    The  picture  categories were available in black and white and again in color resulting in a picture set  of 144 pictures. Moreover each of these pictures was divided in blocks of 3 x 3 pixels,  which were rearranged in random order, resulting in 144 scrambled picture versions. 

Two  sets  were  present,  one  original  version  with  black  and  white  and  colored  pictures  from  faces,  houses  and  food  and  one  scrambled  version  of  these  pictures,  resulting in an overall sample of 288 pictures. Examples of these stimuli can bee seen in  table 19 to 21 in the appendix section. 

(18)

Data acquisition 

The  data  were  acquired  with  a  1.5T  Philips  Intera  magnetic  resonance  imaging  (MRI) scanner (Philips Healthcare, Best, Netherlands). Stimuli were presented with an  IBM compatible personal computer and a visual system for head coils (NordicNeuroLab,  Bergen,  orway). N

For  functional  data  achievement  echoplanar  imaging  sequences  with  a  repetition  time  (TR)  of  2500ms  and  an  ascending  interleaved  slice  acquisition  order  were  used. 

The field of view consisted of 32 slices with a resolution of 240 x 240 mm and a voxel  resolution of 3 x 3 x 3.5 mm. Two scan sessions with each 290 volumes were conducted. 

The structural data was acquired in T1‐weighted high‐resolution scans with 200 slices  and a field of view with 256 x 256 mm and a voxel resolution of 1 x 1 x 1 mm. 

Experimental Procedure 

The  experimental  design  was  build  up  in  3  x  2  x  2  design  with picture category  x  picture color x original/scrambled version factors. 

In  the  run‐up  to  the  experiment  the  participants  were  informed  about  potential  risks of magnetic resonance imaging data acquisition and were asked about their state  of  health  with  respect  to  criterions  for  exclusion  (e.g.  cochlear  implant,  iron  in  body,  drug intake). 

Subsequent  to  this  subjects  gave  their  informed  consent  to  take  part  in  the  study  and filled out a questionnaire about (i) their person, (ii) handedness, (iii) former fmri  studies, and (iv) potential amblyopia. In a second questionnaire participants rated their  hunger  state  on  a  9‐point  Likert  scale  ranging  from  ‐4  (very  hungry)  to  +4  (very  saturated) and if true rate their appetite for something to eat on a scale ranging from 1  (little) to 10 (heavy) and name it. 

Right after that the participants were prepared for data acquisition and seated in the  scanner.  Their  feeling  with  the  scanner  environment  was  probed  with  two  questions  concerning valence and arousal on a 9‐point Likert scale ranging from unpleasant over  neutral to pleasant for valence and from calm to excited for arousal. 

Next,  the  first  part  of  the  stimulus  presentation  and  functional  T2‐weighted  magnetic resonance imaging data acquisition was started with either all 144 colored or  all  144  black  and  white  pictures  dependent  on  counterbalanced  order.  Pictures  were  presented in an on‐off blocked design paradigm with 12 pictures forming one on‐block 

(19)

and were followed by an off‐block with a fixation‐cross in screen center. Pictures were  presented for 750 ms followed by 475 ms black screen inter‐trial interval (ITI) in each  on‐block. Each picture category was randomly split to from a subset of 12 pictures for  blocked  design  presentation  and  contained  either  original  or  scrambled  picture  versions.  The  randomization  process  of  the  on‐block  trials  was  constrained  by  that  always  one  subset  of  all  possible  picture  categories  including  original  and  scrambled  versions  (face‐original,  house‐original,  food‐original,  face‐scrambled,  house‐scrambled,  food‐scrambled) had to be presented before the next randomization part went on. For  scanner stimulus synchronization purposes each block started 15 s after the former one  leaving  approximately  300  ms  blank  in  each  block  to  adjust  time  lags  caused  from  synchronization of stimulus onsets with the presentation computer’s screen frame rate. 

After the first stimulus presentation part a second retrieval about the participant’s  feeling  with  the  scanner  environment  was  done  and  a  pause  of  two  minutes  was  attached. 

After  this  the  second  part  of  stimulus  presentation  and  functional  T2‐weighted  functional  magnetic  resonance  imaging  data  acquisition  was  started,  this  time  with  either  black  and  white  or  colored  pictures.  Stimulus  presentation  and  randomization  parameters  equaled  the  first  part.  After  another  two  minutes  pause  the  acquisition  of  the subject’s structural T1‐weighted data was performed. 

After magnetic resonance imaging the participants completed a questionnaire about  their  eating  habits  (Pudel  &  Westenhöfer,  1989).  After  this,  they  answered  three  questions about (i) their concentration during the experiment, (ii) their understanding  of  the  instructions  and  (iii)  their  potential  willingness  to  take  part  in  ongoing  studies  with  food  pictures.  Finally,  the  participants  were  debriefed  and  upcoming  questions  were answered. 

Data preprocessing and normalization 

For preprocessing and normalization of functional and structural data BrainVoyager  QX (Goebel, Esposito, & Formisano, 2006) was used. Raw data from the scanner output  was  loaded  and  converted  into  BrainVoyager’s  internal  FMR  (functional)  or  VMR  (structural)  data  format.  The  data  were  then  processes  to  fit  the  needs  of  analysis  in  volume‐based space and were transformed into standardized Talairach space. 

(20)

Preprocessing of functional data 

Several preprocessing steps on the functional data were performed to improve data  quality. To correct for time shifts between slices scanned of one volume slice scan time  corrections were performed by interpolating the acquisition time of one volume’s slices  to  a  particular  time  point.  Head  motions  during  scanning  were  corrected  by  spatial  alignment  of  all  volumes  to  the  first  one  of  the  scan  session  by  rigid‐body‐

transformations  for  three  translation  and  three  rotation  parameters.  Linear  trend  removal and temporal high‐pass filtering did the correction of scanner drifts. High‐pass‐

filtering  was  done  by  applying  a  general  linear  model  to  the  voxel  time  courses  and  subtracting it from these with the residuals resulting in the filtered voxel time courses. 

The design matrix consisted of sine and cosine predictors with one to three cycles per  time course for the low frequencies. Spatial smoothing was done by applying a Gaussian  filter  with  full  width  half  maximum  (FWHM)  of  8mm  to  the  volume‐based  data.  No  spatial smoothing was used for the cortex‐based data because of later cortical alignment. 

Normalization of structural data 

The  structural  data  was  first  corrected  for  intensity  inhomogeneities.  This  was  achieved by calculation of a bias field with white matter intensity changes over volume  space. Next the orientation of the structural data was changed to anterior commissure  (AC)  ‐  posterior  commissure  (PC)  plane  by  selecting  the  AC  and  PC  points  and  converting the orientation with AC as the center point of the volume and then rotating it  to be in plane and in line with the PC point. To get Talairach normalized brains the outer  boundaries of the cortex were marked at anterior, posterior, superior, inferior, left and  right points and then morphed to the corresponding outer boundaries of the Talairach  coordinate system. 

Norma ization of functional data l

To  transform  the  functional  data  into  Talairach  space  a  coregistration  of  the  functional  to  the  corresponding  structural  data,  using  rigid‐body‐transformation,  has  been performed and was followed by applying all structural transformation steps to the  functional data, resulting in a 4‐D Talairach normalized volume time course file (VTC),  which could then be linked to the normalized structural data (VMR). 

 

(21)

Results 

The answers from the questionnaire for eating habits were combined to three scales  (cognitive control, disruption of eating habits, perturbing hunger feelings), as described  in the manual, for each participant and the means of these scales were calculated. For  the remaining questions means were computed. 

The functional data were analyzed in a random effects analysis (RFX) approach. This  was done by first and second order ANOVA with computing beta weights in a first level  ANOVA for the underlying predictors on single subject level for each voxel and taking  these beta weights into a second ANOVA with the beta weights from the subjects being  treated  themselves  as  random  subjects.  Contrasts  from  this  second  level  ANOVA  are  reported here.  

Results of questionnaires 

The  question  for  hunger  state  revealed  1.0  (SD  =  1.48)  on  average  showing  that  participants were slightly saturated. Only one person reported appetite with strength of  eight to a hearty meal, see table 3. 

The subject’s feelings with the scanner environment were on average rated 4.92 (SD 

= 1.16) for valence and 3.92 (SD = 1.56) for arousal at the beginning of the scan session  followed by 5.00 (SD = 1.35) and 2.67 (SD = 0.89) at half of the scan time, respectively. 

Two‐sided  paired  student‐t  tests  revealed  that  no  statistically  significant  effect  was  present, neither for valence (t(11) = 0.723; n.s.) nor for arousal (t(11) = 0.002; n.s.). 

The  results  for  eating  habits  revealed  on  scale  one  for  cognitive  control  a  mean  value of 9.50 (SD = 5.05), on scale two for disruption of eating habits one of 6.50 (SD =  3.40),  and  on  scale  three  for  perturbing  hunger  feelings  one  of  5.33  (SD  =  2.81),  respectively. These results showed that participants were on average in middle to high  range at scale one and in middle range at scales two and three so that a normal eating  behavior could be assumed. The results on subject level can be seen trough table 4. 

The participant’s self reported concentration was rated at 5.25 (SD = 1.96) showing  a medium concentration during the experiment, maybe because of no need to behavioral  performance  during  the  experiment.  All  instructions  were  understood  well  and  were  rated with 9.75 (SD = 0.62) and the subjects were furthermore willing to participate in  ongoing studies with food pictures on a value with 9.17 (SD = 1.59), see table 4. 

 

(22)

Subject  Hunger  Appetite  Hunger 

strength To what  Feel #1  Valence 

Feel #1  Arousal 

Feel #2  Valence 

Feel #2  Arousal 

   

   

   

   

‐2  Hearty meal

   

   

   

‐1     

10     

11     

12     

Mean  1.00        4.92  3.92  5.00  2.67 

SD  1.48        1.16  1.56  1.35  0.89 

Table 3 – Results of subjects reported hunger feelings, if they had appetite to something or not and  to what, and the feelings with the scanner environment at the first and second request on the  scales arousal and valence. 

Subject  Cognitive 

control  Disruption  Hunger 

feelings  Concentration Comprehension  Future  attendance

10 

14  10  10 

18 

10  10 

10  10 

14  12  10 

14  10  10 

10 

13  14  10  10 

10  10  10 

11  11  10 

12  10  10 

Mean  9.50  6.50  5.33  5.25  9.75  9.17 

SD  5.05  3.40  2.81  1.96  0.62  1.59 

Table – Subjects reported eating habits on the scales for “Cognitive control”, “Disruption”, and 

“Hunger feelings” as well as their concentration during the study, their comprehension of the  study instructions, and their willingness to future attendance. 

Results of functional data 

All contrasts show t‐statistic maps with a cluster threshold of 25 voxels. Note that  the functional data was resampled on the structural one and thus consists of 1 mm iso‐

voxels.  Contrasts  were  analyzed  first  by  picture  category  and  further  against  their  scrambled counterparts. These contrasts are conjunction analyses over black and white  and colored pictures and allow one to study the effects independent of color. Finally, the 

Referenzen

ÄHNLICHE DOKUMENTE

The authors studied the topography and geology of the Yomase River, the history of sediment disasters, and the relationship between the disasters and the sabo projects, and

Debris/earth slides, and debris/earth flows were the main types of landslides recorded in these areas and occurred in: areas where unconsolidated soil deposits are underlain by

In order to study the chemical and physical weathering and their impact on the shear strength of the soil mass, soil samples were collected from ground surface to 15 m depth at

As a part of the RWA implementation, Cuenca’s population was informed about their current role regarding watershed conservation, but since their contribution is tied to

On the basis of previous findings on emotional stimulus processing, we predicted that threatening pictures would modulate two specific ERP components: (a) Focusing on the early

Furthermore, analysis at firm level would allow one to distinguish between different groups of producers (e.g. small versus large producers, producers oriented towards export

It was for~ulated in such a way that, if all market participants exercised perfect foresights about future prices of land and buildings, the competitive land market of Tokyo

70 million people are living on a surface of 450.000 km 2 , many languages (German, Swiss-German, French, Italian, Ladinic, Raeto-Romanic, Slovenian, Croatian, Hungar- ian) as well