Adaptive times : modulating time perception in neglect patients and healthy individuals

Abstract

Are time and space linked in the brain? Over the past decades, there have been increasing indications for a spatial representation of time intervals. They come from time-space interference phenomena in healthy individuals and from observation of time deficits in patients with spatial neglect. While there are well-established treatment possibilities for visuospatial distortions in these patients, only few studies have examined time deficits and their possible modulation. If time and space processing interact, traditional sensory stimulation techniques known to modulate space perception should influence time perception as well. Interestingly, some studies have indicated that space processing might differ between East Asians and Westerners—suggesting that time modulation may be different between both cultures, too. More detailed investigations of these subjects are needed.

The present dissertation aims at examining the interaction of time and space processing in neglect patients and healthy individuals. More concretely, it has three objectives: (i) to investigate effects of well-established space modulation techniques on time deficits in neglect patients, (ii) to further elucidate time-space interactions in the sense of a so-called horizontal mental time line, and (iii) to reveal possible cross-cultural differences in time perception and susceptibility to conventional sensory stimulation techniques.

Three studies were conducted in which established space modulation techniques were applied in diverse time tasks. Study 1 investigated effects of lateral head and trunk rotation on time reproduction in neglect patients and healthy individuals. Study 2 examined effects of Galvanic vestibular stimulation (GVS) on temporal order judgments in right brain damaged patients with and without manifested neglect. And study 3 assessed influences of optokinetic stimulation (OKS) on temporal order judgments in healthy Chinese and German participants.

These are the findings of this thesis: (i) Neglect patients demonstrated severe distortions of time reproduction and temporal order judgments. These deficits could be overcome by lateral head and trunk rotation and Galvanic vestibular stimulation. Sustained effects after the termination of repetitive GVS treatment indicate a rehabilitation potential of this method. (ii) In healthy subjects, both trunk rotation and optokinetic stimulation modulated time perception. Yet, performance under trunk rotation was in dissonance with known effects for physical space modulation, and may thus not support the idea of an automatic activation of a left-to-right mental time line. (iii) No cross-cultural differences were found during OKS modulation of temporal order judgments. However, performance was influenced by field dependence, a measure of individual space processing.

To conclude, the present work confirms previous studies on time-space associations. It demonstrates that three conventional sensory stimulation techniques may effectively modulate these interactions, suggesting them as tools for further time research.

Sind Zeit und Raum im Gehirn miteinander verknüpft? In den vergangenen Jahrzehnten haben sich Hinweise für eine räumliche Repräsentation von Zeitintervallen vermehrt. Sie stützen sich auf Zeit-Raum-Interferenzerscheinungen bei gesunden Personen und auf Beobachtungen von Zeitdefiziten bei Patienten mit räumlichen Neglect. Während es mittlerweile gut etablierte Therapien für die visuell-räumlichen Beeinträchtigungen bei Neglect gibt, existieren bislang nur wenige Studien, die Zeitdefizite und deren mögliche Modulation untersucht haben. Falls Wechselwirkungen zwischen Zeit- und Raumverarbeitung existieren, sollte die Zeitwahrnehmung durch sensorische Stimulationsmethoden beeinflusst werden können, die für die Modulation von Raumwahrnehmung bekannt sind. Einige interessante Studien deuten darauf hin, dass ostasiatische und westliche Individuen Raum unterschiedlich wahrnehmen. Dies legt nahe, dass auch die Modulation von Zeit zwischen beiden Kulturen verschieden sein könnte. Es sind detailliertere Untersuchungen zu diesen Themen erforderlich.

Die vorliegende Dissertation hat das Ziel, Interaktionen zwischen Raum- und Zeitverarbeitung bei Neglect-Patienten und gesunden Personen zu untersuchen. Sie hat drei konkrete Aufgaben: (i) die Wirkung von etablierten Raummodulationsmethoden auf Zeitdefizite bei Neglect-Patienten zu untersuchen, (ii) Zeit-Raum-Interaktionen im Sinne eines sogenannten horizontalen mentalen Zeitstrahls weiter aufzuklären und (iii) mögliche interkulturelle Unterschiede in der Zeitwahrnehmung und der Empfindlichkeit für herkömmliche sensorische Stimulationsmethoden aufzudecken.

In diesem Rahmen wurden drei Studien durchgeführt, bei denen konventionelle Raummodulationsmethoden in verschiedenen Zeitaufgaben angewendet wurden. In Studie 1 wurden die Auswirkungen horizontaler Kopf- und Rumpfdrehung auf die Zeitreproduktion von Neglect-Patienten und gesunden Personen untersucht. In Studie 2 wurde der Einfluss von Galvanisch-vestibulärer Stimulation (GVS) auf Entscheidungen über zeitliche Reihenfolgen (temporal order judgments) in rechtshirngeschädigen Patienten mit und ohne manifesten Neglect analysiert. In der dritten Studie wurde die Wirkung von optokinetischer Stimulation (OKS) auf temporal order judgments in gesunden chinesischen und deutschen Teilnehmern erforscht.

Die Ergebnisse dieser Arbeit sind folgende: (i) Neglect-Patienten zeigten schwerwiegende Beeinträchtigungen bei der Wiedergabe von Zeitintervallen und temporal order judgments. Diese Defizite konnten durch seitliche Kopf- und Rumpfdrehung sowie Galvanisch-vestibulärer Stimulation vermindert werden. Langanhaltende Effekte nach Beendigung der GVS-Behandlung deuten ein Therapiepotential dieser Methode an. (ii) Bei gesunden Probanden wurde die Zeitwahrnehmung sowohl durch Rumpfrotation als auch optokinetische Stimulation moduliert. Das Verhalten der Probanden unter Rumpfrotation widersprach jedoch der erwarteten Modulationsrichtung gemäß einer Orientierung im Raum – das Ergebnis kann daher die Hypothese einer automatischen Aktivierung eines von links-nach-rechts orientierten Zeitstrahls nicht unterstützen. (iii) Es wurden keine interkulturellen Unterschiede bei der Modulation von temporal order judgments durch OKS gefunden. Die Leistung der Probanden war jedoch von der persönlichen Feldabhängigkeit abhängig, einem Maß der individuellen Raumverarbeitung.

Zusammenfassend bestätigt die vorliegende Dissertation frühere Studien über die Existenz von Raum-Zeit-Interaktionen. Sie zeigt, dass drei herkömmliche sensorische Stimulationstechniken diese Interaktionen wirksam modulieren können und empfiehlt sie für die weitere Erforschung der Zeitwahrnehmung.