Humans actively interact with the world through a wide range of body movements. To understand human cognition in its natural state, we need to incorporate ecologically relevant body movement into our account. One fundamental body movement during daily life is natural walking. Despite its ubiquity, the impact of natural walking on brain activity and cognition has remained a realm underexplored.
In electrophysiology, previous studies have shown a robust reduction of ongoing alpha power in the parieto-occipital cortex during body movements. However, what causes the reduction of ongoing alpha, namely whether this is due to body movement or prevalent sensory input changes, was unknown. To clarify this, study 1 was performed to test if the alpha reduction is dependent on visual input. I compared the resting state alpha power during natural walking and standing, in both light and darkness. The results showed that natural walking led to decreased alpha activity over the occipital cortex compared to standing, regardless of the lighting condition. This suggests that the movement-induced modulation of occipital alpha activity is not driven by visual input changes during walking. I argue that the observed alpha power reduction reflects a change in the state of the subject based on disinhibition induced by walking. Accordingly, natural walking might enhance visual processing and other cognitive processes that involve occipital cortical activity.
I first tested this hypothesis in vision. Study 2 was performed to examine the possible effects of natural walking across visual processing stages by assessing various neural markers during different movement states. The findings revealed an amplified early visual response, while a later visual response remain unaffected. A follow-up study 3 replicated the walking-induced enhancement of the early visual evoked potential and showed that the enhancement was dependent on specific stimulus-related parameters (eccentricity, laterality, distractor presence). Importantly, the results provided evidence that the enhanced early visual responses are indeed linked to the modulation of ongoing occipital alpha power. Walking also modulated the stimulus-induced alpha power. Specifically, it showed that when the target appeared in the fovea area without a distractor, walking exhibited a significantly reduced modulation of alpha power, and showed the largest difference to standing condition. This effect of eccentricity indicates that during later visual processing stages, the visual input in the fovea area is less processed than in peripheral areas while walking.
The two visual studies showed that walking leads to an enhancement in temporally early visual processes which can be predicted by the walking-induced change in ongoing alpha oscillation likely marking disinhibition. However, while walking affects neural markers of early sensory processes, it does not necessarily lead to a change in the behavioural outcome of a sensory task. The two visual studies suggested that the behavioural outcome seems to be mainly based on later processing stages.
To test the effects of walking outside the visual domain, I turned to audition in study 4. I investigated the influence of walking in a particular path vs. simply stepping on auditory processing. Specifically, the study tested whether enhanced processing due to natural walking can be found in primary auditory brain activity and whether the processing preferences are dependent on the walking path. In addition, I tested whether the changed spatial processing that was reported in previous visual studies can be seen in the auditory domain. The results showed enhanced sensory processing due to walking in the auditory domain, which was again linked to the modulation of occipital alpha oscillation. The auditory processing was further dependent on the walking path. Additionally, enhanced peripheral sensory processing, as found in vision, was also present in audition.
The findings outside vision supported the idea of natural walking affecting cognition in a rather general way. Therefore in my study 5, I examined the effect of natural walking on higher cognitive processing, namely divergent thinking, and its correlation with the modulation of ongoing alpha oscillation. I analyzed alpha oscillations and behavioural performance during restricted and unrestricted movement conditions while subjects completed a Guilford's alternate uses test. The results showed that natural walking, as well as missing body restriction, reduces the occipital alpha ongoing power independent of the task phase which goes along with higher test scores. The occipital alpha power reduction can therefore be an indicator of a changed state that allows improved higher cognitive processes.
In summary, the research presented in this thesis highlights that natural walking can change different processes in the visual and auditory domain as well as higher cognitive processes. The effect can be attributed to the movement of natural walking itself rather than to changes in sensory input during walking. The results further indicate that the walking-induced modulation of ongoing occipital alpha oscillations drives the cognitive effects. We therefore suggest that walking changes the inhibitory state which can influence awareness and attention. Such a mechanism could facilitate an adaptive enhancement in cognitive processes and thereby optimize movement-related behaviour such as navigation. / Menschen interagieren aktiv mit der Welt durch eine breite Palette von Körperbewegungen. Um die menschliche Kognition in ihrem natürlichen Zustand zu verstehen, müssen wir ökologisch relevante Körperbewegungen in unsere Betrachtung einbeziehen. Eine grundlegende Körperbewegung im täglichen Leben ist das natürliche Gehen. Trotz seiner Allgegenwärtigkeit ist die Auswirkung des natürlichen Gehens auf die Gehirnaktivität und die Kognition weitgehend unerforscht geblieben.
In der Elektrophysiologie haben frühere Studien eine robuste Reduktion der laufenden Alpha-Leistung im parieto-okzipitalen Cortex während Körperbewegungen gezeigt. Es war jedoch unbekannt, was die Reduktion des laufenden Alpha verursacht, nämlich ob dies auf Körperbewegung oder vorherrschende sensorische Eingangsänderungen zurückzuführen ist. Um dies zu klären, wurde Studie 1 durchgeführt, um zu testen, ob die Alpha-Reduktion von visuellem Input abhängig ist. Ich verglich die Alpha-Leistung im Ruhezustand beim natürlichen Gehen und Stehen, sowohl bei Licht als auch im Dunkeln. Die Ergebnisse zeigten, dass natürliches Gehen zu einer verminderten Alpha-Aktivität über dem okzipitalen Cortex im Vergleich zum Stehen führte, unabhängig von den Lichtverhältnissen. Dies legt nahe, dass die bewegungsinduzierte Modulation der okzipitalen Alpha-Aktivität nicht durch visuelle Veränderungen während des Gehens verursacht wird. Ich argumentiere, dass die beobachtete Reduktion der Alpha-Leistung eine Veränderung des Zustands der Versuchsperson aufgrund der durch das Gehen induzierten Hemmung widerspiegelt. Natürliches Gehen könnte daher die visuelle Verarbeitung und andere kognitive Prozesse, die die Aktivität des okzipitalen Cortex umfassen, verstärken.
Ich habe diese Hypothese zuerst im Bereich der Vision getestet. Studie 2 wurde durchgeführt, um die möglichen Auswirkungen des natürlichen Gehens auf verschiedene neurale Marker in verschiedenen Bewegungszuständen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten eine verstärkte frühe visuelle Reaktion, während eine spätere visuelle Reaktion unverändert blieb. Eine Nachfolgestudie 3 replizierte die durch das Gehen induzierte Verstärkung des frühen visuellen ereigniskorrelierten Potenzials und zeigte, dass die Verstärkung von spezifischen stimuliabhängigen Parametern abhängig war (Exzentrizität, Lateralität, Vorhandensein von Störreizen). Die Ergebnisse lieferten wichtige Hinweise darauf,dass die verstärkten frühen visuellen Reaktionen tatsächlich mit der Modulation der laufenden Alpha-Leistung im okzipitalen Cortex zusammenhängen. Das Gehen modulierte auch die stimuliinduzierte Alpha-Leistung. Insbesondere zeigte sich, dass bei Erscheinen des Ziels im fovealen Bereich ohne Störreiz das Gehen eine signifikant reduzierte Modulation der Alpha-Leistung aufwies und den größten Unterschied zum Stehzustand zeigte. Dieser Exzentrizitätseffekt deutet darauf hin, dass während späterer visueller Verarbeitungsstadien die visuelle Eingabe im Fovealbereich weniger verarbeitet wird als in peripheren Bereichen während des Gehens.
Die beiden visuellen Studien zeigten, dass Gehen zu einer Verstärkung früher visueller Prozesse führt, die durch die durch das Gehen verursachte Veränderung der laufenden Alpha-Oszillation wahrscheinlich markiert werden. Allerdings beeinflusst Gehen zwar neuronale Marker früher sensorischer Prozesse, führt aber nicht zwangsläufig zu einer Veränderung des Verhaltensergebnisses einer sensorischen Aufgabe. Die beiden visuellen Studien legen nahe, dass das Verhaltensergebnis hauptsächlich auf späteren Verarbeitungsstadien beruht.
Um die Auswirkungen des Gehens außerhalb des visuellen Bereichs zu testen, wandte ich mich in Studie 4 der Auditierung zu. Ich untersuchte den Einfluss des Gehens auf einen bestimmten Pfad im Vergleich zum einfachen Schritt auf die auditive Verarbeitung. Die Studie testete speziell, ob eine verbesserte Verarbeitung aufgrund des natürlichen Gehens in der primären auditorischen Hirnaktivität gefunden werden kann und ob die Verarbeitungspräferenzen vom Gehpfad abhängen. Darüber hinaus habe ich getestet, ob die in früheren visuellen Studien berichtete veränderte räumliche Verarbeitung auch im auditiven Bereich beobachtet werden kann. Die Ergebnisse zeigten eine verbesserte sensorische Verarbeitung aufgrund des Gehens im auditiven Bereich, die erneut mit der Modulation der okzipitalen Alpha-Oszillation in Verbindung stand. Die auditive Verarbeitung war auch vom Gehpfad abhängig. Darüber hinaus wurde eine verbesserte periphere sensorische Verarbeitung, wie sie in der Vision gefunden wurde, auch in der Auditierung beobachtet.
Die außerhalb des visuellen Bereichs gefundenen Ergebnisse unterstützen die Idee, dass natürliches Gehen die Kognition auf eher allgemeine Weise beeinflusst. Daher habe ich in meiner Studie 5 die Wirkung des natürlichen Gehens auf höhere kognitive Prozesse untersucht, nämlich das divergente Denken, und seine Korrelation mit der Modulation der laufenden Alpha-Oszillation. Ich analysierte Alpha-Oszillationen und Verhaltensleistungen während eingeschränkter und uneingeschränkter Bewegungsbedingungen, während Versuchspersonen einen Guilford-Test für alternative Verwendungsmöglichkeiten absolvierten. Die Ergebnisse zeigten, dass natürliches Gehen sowie das Fehlen von Körperbeschränkungen die laufende Alpha-Leistung im okzipitalen Bereich unabhängig von der Aufgabenphase reduziert, was mit höheren Testergebnissen einhergeht. Die Reduktion der okzipitalen Alpha-Leistung kann daher ein Indikator für einen veränderten Zustand sein, der eine Verbesserung der höheren kognitiven Prozesse ermöglicht.
Zusammenfassend hebt die in dieser Arbeit präsentierte Forschung hervor, dass natürliches Gehen verschiedene Prozesse im visuellen und auditiven Bereich sowie höhere kognitive Prozesse verändern kann. Die Wirkung kann auf die Bewegung des natürlichen Gehens selbst zurückgeführt werden, und nicht auf Veränderungen im sensorischen Input während des Gehens. Die Ergebnisse deuten weiterhin darauf hin, dass die durch das Gehen verursachte Modulation laufender Alpha-Oszillationen im okzipitalen Bereich die kognitiven Effekte antreibt. Daher schlagen wir vor, dass Gehen den hemmenden Zustand verändert, der das Bewusstsein und die Aufmerksamkeit beeinflussen kann. Ein solcher Mechanismus könnte eine adaptive Verbesserung in kognitiven Prozessen fördern und somit verhaltensbezogene Bewegungen wie die Navigation optimieren.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:35295 |
| Date | January 2024 |
| Creators | Chen, Xinyu |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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