Neuronale Oszillationen und ihre Bedeutung für Wahrnehmung und Kognition

Das Gehirn ist niemals in völliger Ruhe. Selbst ohne externe Stimulation kann stets spontane, selbst-generierte Hirnaktivität beobachtet werden. Im EEG manifestiert sich diese spontane Aktivität als Oszillationen in verschiedenen Frequenzbändern. Seit längerem wird bereits untersucht, wie das Ausmaß spontaner Oszillationen zum Zeitpunkt einer Stimuluspräsentation mit der der Wahrnehmung des Stimulus‘ zusammenhängt. Von besonderem Interesse hierbei sind Oszillationen im Alpha Frequenzband (8-12 Hz), welche mit der Verarbeitung visueller Stimuli interferieren. Diese Interferenz kann Verhaltensleistung in Aufmerksamkeits- oder Gedächtnisaufgaben verbessern, in denen aufgabenirrelevante Information unterdrückt werden muss. In Wahrnehmungsaufgaben allerdings führt diese Interferenz zu einer verschlechterten Leistung. Trotz zahlreicher Studien zu diesem Thema ist unser Verständnis dieser Interferenz zwischen spontanen Oszillationen und Stimulusverarbeitung sehr begrenzt, da nicht verstanden ist, auf welchen Mechanismen diese Interferenz beruht. Wir  untersuchen den Effekt neuronaler Oszillationen mittels Psychophysik und mathematischer Modellierung. Eine Grundidee bei der Modellierung kognitiver und perzeptueller Prozesse ist, dass funktionelle Mechanismen (z.B. „Verstärkung“ oder „Filterung“) theoretische Konstrukte sind, die nicht direkt in empirischen Daten (z.B. Trefferraten oder Mikrovolt) beobachtet werden können. Stattdessen können sie identifiziert werden, indem empirische Daten modelliert werden mit Modellen, die den Zusammenhang zwischen funktionellen Mechanismen, Versuchsbedingungen und Verhaltensdaten mathematisch erklären. Mit diesen Methoden untersuchen wir den Zusammenhang neuronaler Oszillationen und visueller Wahrnehmung, Aufmerksamkeit und Gedächtnis.

Busch, N. A., Dubois, J., & VanRullen, R. (2009). The phase of ongoing EEG oscillations predicts visual perception. The Journal of Neuroscience,29(24), 7869-7876.

Busch, N. A., & VanRullen, R. (2010). Spontaneous EEG oscillations reveal periodic sampling of visual attention. Proceedings of the National Academy of Sciences, 107(37), 16048-16053.

Chaumon, M., & Busch, N. A. (2014). Prestimulus neural oscillations inhibit visual perception via modulation of response gain. Journal of Cognitive Neuroscience.

Looking for the English version? [en]

Die Erinnerungswürdigkeit von Visueller Information in Geist und Gehirn

 

Unsere Wahrnehmung und unser Erinnerungsvermögen von natürlichen Szenen und Fotografien ist scheinbar endlos und unfassbar effizient. Tagtäglich werden wir mit Tausenden von Bildern konfrontiert, mit essenzieller oder irrelevanter Information, die wir für unseren alltäglichen Umgang mit unserer Umwelt verarbeiten. Tatsächlich können sich Menschen Tausende von Bildern einprägen, die sie erst einmal gesehen haben (Standing, 1973). Unlängst wurde herausgefunden, dass Fotografien in ihrer Erinnerungswürdigkeit dramatisch variieren (Bainbridge, Isola, & Oliva, 2013; Isola, Xiao, Parikh, Torralba, & Oliva, 2014). An manche Bilder können sich ein Großteil der Beobachter erinnern, an manche Bilder nicht.  Die Erinnerungswürdigkeit eines Bildes ist also ein implizites Konstrukt des Bildes, so wie die Farbstruktur oder die semantische Information. Welche Bildcharakteristiken spielen eine Rolle, damit sich der Betrachter an das Bild erinnert? Inwiefern beeinflusst die Erinnerungswürdigkeit von Bildern unsere Betrachtung des Bildes? Gibt es verschiedene Strategien des visuellen Systems nach denen es Bildinformation verarbeitet, abhänging von der Erinnerungswürdigkeit der Information?  Was ist die neuronale Signatur bildlicher Erinnerungswürdigkeit? Wir untersuchen diese Fragen mit neurowissenschaftlichen Methoden und Psychophysik (Eye-Tracking, Elektroenzephalogramm), maschinellem Sehen und behavioralen Experimenten.

 

Broers, N., Potter, M.C., Nieuwenstein, M.R. (in revision). Memorable in a Glimpse: Enhanced Recognition of Memorable Pictures in ultra-fast RSVP.

Visuelles Arbeitsgedächtnis und neuronale Oszillationen

Visuelles Arbeitsgedächtnis ist der Mechanismus und die Fähigkeit Dinge, die nicht mehr da sind, weiterhin „mental“ bearbeiten zu können. Dieser Mechanismus ist so wichtig für die menschliche Kognition, dass die Leistungsfähigkeit des visuellen Arbeitsgedächtnisses einer der wichtigsten Prädiktoren für Intelligenz und kognitive Fähigkeit ist. Die Kapazität des visuellen Arbeitsgedächtnisses ist allerdings klar beschränkt. So können in der Regel nicht mehr als 3-4 Dinge gleichzeitig behalten werden. Die genaue Natur dieser Beschränkung wird allerdings kontrovers diskutiert.   

Ferner weißt aktuelle Forschung darauf hin, dass die Informationen im visuellen Arbeitsgedächtnis über andauerndes neuronales Feuern aktiv gehalten werden. Der Rhythmus mit welchem das Feuern der Neuronen synchronisiert ist, spielt hier eine besondere Rolle. In unserer Forschung beschäftigen wir uns mit dem Datenformat, mit welchem Informationen im visuellen Arbeitsgedächtnis gespeichert werden. In diesem Zusammenhang erörtern wir auch ob neuronale Filtermechanismen die Aufnahme und das Erhalten von Informationen im visuellen Arbeitsgedächtnis begünstigen können.

Visuelle Maskierung, Rückkopplung und visuelles Bewusstsein

Visuelle Information wird in mehreren hierarchisch organisierten und zunehmend komplexer werdenden Prozessen verarbeitet. Doch diese Verarbeitung ist keine Einbahnstraße. Viele Wahrnehmungsaufgaben, aufmerksame Verarbeitung und vermutlich auch visuelles Bewusstsein erfordern zudem einen Rückkopplungsprozess, wodurch Information von höheren zurück zu niedrigeren Verarbeitungsstufen gesendet wird.

Wir untersuchen solche Rückkopplungsprozesse mit einer Kombination aus Elektroenzephalographie und Psychophysik mithilfe visueller Maskierung. Das Phänomen visueller Maskierung wird häufig damit erklärt, dass die Maske neuronale

Rückkopplungsschleifen unterbricht, und damit den visuellen Stimulus unsichtbar macht. Wir verwenden insbesondere Objekt-Substitutionsmaskierung, die hauptsächlich Rückkopplungsprozesse stört. Mit dieser Technik untersuchen wir die Funktionsweise der verschiedenen visuellen Verarbeitungsstufen. So konnten wir beispielsweise zeigen, dass frühe Verarbeitungsstufen ausreichen, um einfache motorische Reaktionen zu steuern, selbst wenn die Maskierung die weitere Verarbeitung unterbricht und so die Stimuli unsichtbar erscheinen.

Crouzet, S. M., Overgaard, M., & Busch, N. A. (2014). The fastest saccadic responses escape visual masking. PloS one, 9(2), e87418.

        

Veränderungsblindheit (Change Blindness), bewusstes Sehen und visuelles Gedächtnis

Wie viel Information über die Dinge, die wir in der Welt „dort draußen“ sehen, ist wirklich in unserem Geist repräsentiert? Wie kann das visuelle System seine Repräsentationen über eine sich beständig verändernde Umwelt immer wieder aktualisieren? Finden solche Aktualisierungen überhaupt statt?

Viele Experimente zeigen, dass selbst große Veränderungen in Filmen und Bildern von Beobachtern nicht bewusst erkannt werden. Diese so genannte Veränderungsblindheit (Change Blindness) macht deutlich, dass unser visuelles System nicht alle Details „dort draußen“ detailliert repräsentiert und dass diese Repräsentationen nur eingeschränkt aktualisiert werden können. Aber worin besteht genau die Beschränkung? Welche Information wird ausgeblendet, was wird repräsentiert, und welches „Datenformat“ haben diese Repräsentationen?

Ball, F., & Busch, N. A. (2015). Change detection on a hunch: Pre-attentive vision allows “sensing” of unique feature changes. Attention, Perception, & Psychophysics, 77(8), 2570-2588.

Ball, F., Bernasconi, F., & Busch, N. A. (2015). Semantic relations between visual objects can be unconsciously processed but not reported under change blindness. Journal of Cognitive Neuroscience.

Busch, N. A., Fründ, I., & Herrmann, C. S. (2010). Electrophysiological evidence for different types of change detection and change blindness. Journal of Cognitive Neuroscience, 22(8), 1852-1869.