Selektive Farbkanalstimulation des menschlichen visuellen Systems

The objective of this thesis was to examine the interaction between the model-based excitation of the human color perception system and technical aspects of the necessary stimulators. Therefore, a novel integrative model for selective color channel stimulation was designed. Many methodological approaches were developed in this thesis, such as the classification and evaluation of color models, the inclusion of technical stimulator characteristics, the identification of an optimal stimulator, the development of compensation mechanisms for insufficient stimulators, the adaptation-based verification of the cone isolation technique, and the implementation of fundus-controlled selective color channel stimulation.Using an integrative model, three different studies were conducted. Two studies considered the validation of the new model. The third study focused on a newly established scientific field. First, the visual evoked potentials after selective S- and LM-cone stimulation were analyzed for validation. Significant differences between the konio- and parvocellula systems were identified as evidence of successful cone isolation. Based on these findings, a novel technique for simulating color vision deficiency in healthy volunteers was engineered using a bleaching approach. The absence of typical response signals after bleaching and the observed regeneration dynamic of the cones confirmed the integrative model. The major drawbacks of common electrophysiological examination methods are the inability to reveal the exact stimulus position on the retina and the absence of information about the individual fundus morphologies related to the area. By combining optical imaging, functional color channel stimulation, and electrophysiological investigation, a fundus-controlled stimulation technique was created. The novel technique has been published under the name “optoelectrophysiology” and overcomes the existing drawbacks. Within this thesis and in particular by conducting these studies, a new perspective on the unavoidable interactions between stimulators and color perception models has been demonstrated. This perspective can be subsumed into the integrative model developed. By using the model in future more efficient stimulations, more accurate fitting paradigms and novel multimodal stimulators will be possible.Die vorliegende Arbeit thematisiert die kombinierte Betrachtung der modellbasierten Reizung der farbprozessierenden Kanäle unter Einbezug wesentlicher technischer Aspekte des Stimulators. Hieraus wurde ein integratives Modell zur selektiven Farbkanalstimulation des menschlichen visuellen Systems erarbeitet und zur Anwendung gebracht. Im Rahmen der Arbeit konnte eine Vielzahl methodischer Herangehensweisen entwickelt werden. Diese bezogen sich u.a. auf die Klassifizierung und Bewertung von Farbmodellen, die Beachtung technischer Gesichtspunkte bzgl. einer Stimuluswirkung, die Frage nach dem optimalen Stimulator, die Möglichkeiten von Kompensationen unzureichender Stimulatoreigenschaften, auf Alternativen zur Nachweiserbringung der Wirkung von Farbmodellen sowie auf die Umsetzung einer funduskontrollierten selektiven Zapfenstimulation.Die Anwendungen beinhalteten drei abgeschlossene Studien. Die ersten beiden adressierten die Fragestellung der Validierung des neuentwickelten integrativen Modells. Durch die dritte Studie konnte die erstmalige Bearbeitung eines neu gegründeten Wissenschaftsfeldes realisiert werden. Zur Validierung wurden zunächst visuell evozierte Potenziale nach selektiver S- und LM-cone-Stimulation ausgewertet. Die gefundenen signifikanten Unterschiede zwischen koniozellulärem und parvozellulärem Kanal stellten Evidenzen einer erfolgreichen Modellanwendung dar. Darauf aufbauend erfolgte die Entwicklung einer adaptationsbasierten Methodik zur zeitlich terminierten Simulation von Farbfehlsichtigkeiten bei gesunden Probanden. Durch das Ausbleiben bestimmter Antwortsignale und die gefundene Regenerationsdynamik der Zapfen konnte der Nachweis einer selektiven Modellwirkung erbracht werden. Das bislang nicht besetzte Wissenschaftsgebiet der Optoelektrophysiologie resultierte aus der zu konstatierenden Unkenntnis über die individuelle Fundusmorphologie und eventuell vorhandene pathologische Auffälligkeiten, die zu Beginn einer jeden Untersuchung existiert. Dies lässt sich unter der Begrifflichkeit der fehlenden Funduskontrolle zusammenfassen. Durch die Kombination optischer Bildgebung, funktioneller Farbkanalstimulation und elektrophysiologischer Datengewinnung gelang es, eine funduskontrollierte Stimulationsmethodik zu schaffen.Innerhalb der Arbeit und insbesondere durch die Anwendungsfälle wurde eine neue Sichtweise auf unvermeidbare Wechselwirkungen zwischen Stimulator und eingesetztem Farbverarbeitungsmodell dargelegt. Diese lässt sich unter der Begrifflichkeit des integrativen Modells subsummieren und verfügt über das Potenzial, effizientere Stimulationen, passgenauere Paradigmen und neue multimodale Stimulatoren zu ermöglichen