Wenn Sie Interesse haben, im Rahmen eines der vorgestellten Projekte eine Abschlussarbeit zu schreiben oder ein Forschungspraktikum durchzuführen, sprechen Sie einfach den/die zuständige Mitarbeiter/in an. Wir freuen uns auf Sie!


Auditive Reafferenzen in der Bewegungskontrolle? Behaviorale und neurophysiologische Effekte der Kompensation während Interferenz und Deprivation

Ansprechpartnerin: Nina Heins

Das Projekt vertieft und erweitert die Frage eines Vorgängerantrags, der im Fachkollegium Allg., Biolog. und Math. Psychologie begutachtet wurde. Hier konnten wir behavioral zeigen, inwiefern auditorische Reafferenzen (AR) für die Bewegungsbeobachtung und -kontrolle relevant sind.
Vertiefen wollen wir diese Experimente nun, indem wir die den Verhaltenseffekten zugrunde liegenden Mechanismen mit fMRT, und insbesondere die psychophysiologische Interaktion, weiter aufklären.

Erweitern wollen wir die Experimente außerdem um einen systematischen Vergleich zweier Bewegungsklassen. Ein im letzten Projekt neuer und unerwarteter Befund war, dass die untersuchten AR sich auf die Bewegungskontrolle anders auswirkten als andere auditorische Handlungsziele (wie Sprache, Musik): ihre Manipulation störte die Bewegung, jedoch nur vorübergehend. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass AR, die Ziel der Handlung sind (ARZ), anders verarbeitet werden als solche, die augenscheinlich nur Nebenprodukt der Bewegung sind (ARN). Letztere sind bislang kaum untersucht. Obwohl man nicht sagen würde, dass das Geräusch beim Laufen Teil des Handlungsziels ist, würde uns das Ausbleiben des Geräuschs irritieren. Zugleich besagt eine der einflussreichsten Handlungskonzeptionen, dass wir diese planen, indem wir ihre perzeptuellen Konsequenzen antizipieren. Sind ARN also doch ebenso Teil des Handlungsziels wie ARZ? Befunde des vorangegangenen Projekts legen Unterschiede zwischen ARN und ARZ nahe, die dies in Frage stellen.
Der Fortsetzungsantrag zielt auf folgende Fragen ab: Sind auch solche AR für die Bewegungskontrolle bedeutsam, die nicht Teil des Handlungsziels zu sein scheinen? Unterscheidet sich ihre psychophysiologische Verarbeitung prinzipiell oder partiell von auditorischen Handlungszielen?
Im letzten Projekt beobachteten wir erstmals Vorgänge der Kompensation, also eine dem Einbruch folgende Erholung der Performanz während Interferenz durch manipulierte ARN. Es sind besonders diese psychophysischen Interaktionen, deren Grundlage wir im aktuellen Projekt untersuchen wollen. Dazu verwenden wir Interferenz durch Zeitverzögerung von AR sowie ihre vollständige Deprivation. Konkret werden 3 Exp. geplant, in denen Probanden Filme ihrer eigenen Handlungen sehen, die einhergehen mit originalen (Exp. 1), zeitverzögerten (Exp. 2) bzw. deprivierten (Exp. 3) ARN und ARZ. Wir erheben Verhaltens- und fMRT-Daten. Der Einsatz graphentheoretischer Analysen eröffnet einen neuen Zugang zur Dynamik und Umsetzung kompensatorischer Mechanismen.
Der Erkenntnisgewinn des Projekts liegt in der theoretischen Erweiterung unseres Konzepts von AR: Generalisieren die existierenden neurokognitiven Modelle für auditorische Handlungsziele (Sprache, Musik) auf alle alltäglich entstehenden Handlungsgeräusche? Diese Frage hat auch direkte Implikationen für den wissenschaftlichen Begriff des Handlungsziels und den Zusammenhang zwischen bewussten und unbewussten Anteilen von Handlungszielen.

Menschliche Manipulationshandlungen

Neurophysiologische Validierung ihrer formalen Charakterisierung

Ansprechpartnerin: Jennifer Pomp

Menschliche Handlungen setzen sich aus einzelnen Handlungsschritten zusammen. Obwohl sich subjektiv für den Beobachter einer Handlung ein glattes, kontinuierliches Bewegungsmuster ergibt, kann dieser die konstituierenden Handlungsschritte ohne Mühe identifizieren und (etwa per Tastendruck) anzeigen. Unklar ist jedoch, inwiefern diese so erhaltenen Segmentierungen tatsächlich die neuronalen Prozesse wiederspiegeln, die auch bei der neuronalen Verarbeitung der beobachteten Handlung eine Rolle spielen. Um dieser Frage nachzugehen, wollen wir in diesem Projekt zunächst Handlungssegmente mit computerbasierten Methoden rein aufgrund von Objektrelationen und Bewegungstrajektorien quantifizieren. Auf dieser Grundlage untersuchen wir, inwieweit diese Segmente denjenigen entsprechen, die ein Beobachter entweder per Tastendruck anzeigt (Verhaltenskorrelat) oder die sich in seiner neuronalen Aktivität (fMRT) bei bloßer Beobachtung spontan niederschlagen (neuronales Korrelat).
Das Ziel dieser Arbeiten ist eine objektive Beschreibung von Manipulationshandlungen und deren biologische Validierung durch behaviorale und neuronale Korrelate im Menschen.

Literatur

Schubotz, R. I., Korb, F. M., Schiffer, A.-M., Stadler, W. & von Cramon, D. Y. (2012). The fraction of an action is more than a movement: Neural signatures of event segmentation in fMRI. NeuroImage, 61(4), 1195-1205.

Wörgötter, F., Aksoy, E. E.., Krüger, N., Piater, J., Ude, A. & Tamosiunaite, M. (2013). A simple ontology of manipulation actions based on hand-object relations. IEEE Transactions on Autonomous Mental Development, 5(2), 117-134.

Verarbeitung von kontextueller und räumlicher Information bei Menschen mit Asperger-Autismus

AnsprechpartnerIn: Nadiya El-Sourani, Daniel Kluger

Aktuell führt unsere Arbeitsgruppe zwei Projekte durch, die sich mit der Wahrnehmung verschiedener Arten von Informationen in Menschen mit Asperger-Autismus beschäftigen. Beide Studien finden dabei im Kernspintomographen (fMRT) statt.

In einer Studie zur Handlungsbeobachtung werden Ihnen kurze Videos präsentiert, in denen ein Akteur alltägliche Handungen durchführt (z.B. eine Zitrone auspressen, einen Bleistift anspitzen). Ihre Aufgabe besteht lediglich darin, die Videos aufmerksam zu verfolgen und zu identifizieren, welche Handlung die Person in den Videos gerade durchführt. Von Zeit zu Zeit erscheint eine Frage hinsichtlich der zuvor gesehenen Handlung, wie z.B. "War das gerade 'Zitrone auspressen?'. Per Tastendruck sollen Sie dann angeben, ob das zuvor gesehene Video der Beschreibung in der Frage entspricht. Sobald Sie die Frage beantwortet haben, erscheint das nächste Video. Insgesamt dauert die Testung ca. 2 Stunden, davon 45min liegend im MRT.

In einer anderen Studie zur Wahrnehmung räumlicher Information werden Ihnen kontinuierlich Bilder einer Anordnung von Kreispositionen gezeigt, auf denen jeweils ein Kreis aufleuchtet. Die Abfolge der aufleuchtenden Positionen ist meist zufällig - Ihre Aufgabe besteht darin, selten auftretende regelmäßige Sequenzen zu entdecken. Diese Studie wird an zwei aufeinander folgenden Tagen durchgeführt: am ersten Tag (ca. 1,5h) bearbeiten Sie die Aufgabe am Computer und beantworten einige Papierfragebögen. Am zweiten Tag (ebenfalls ca. 1,5h) findet die Aufgabe dann im MR-Scanner statt.

Sollten Sie Fragen oder Interesse an den beschriebenen Projekten haben, schreiben Sie uns gerne jederzeit eine E-Mail an bipsy[at]wwu.de oder kontaktieren Sie die verantwortlichen MitarbeiterInnen (s.o.). Gerne lassen wir Ihnen auf diesem Wege detaillierte Informationen zum Ablauf der Studien zukommen und verabreden bei Interesse einen Termin für die Teilnahme.

Should I stay or should I go? Dopaminerge Modulation kognitiver Stabilität und Flexibilität

Ansprechpartnerin: Ima Trempler

Im Alltag ist es notwendig, unser Verhalten den ständigen Veränderungen in unserer Umwelt anpassen zu können, ohne zugleich unsere Handlungsziele aus den Augen zu verlieren. Zum einen müssen wir hierzu unsere Erwartungen vor dem Hintergrund irrelevanter Ablenkungen stabilisieren, zum anderen diese stabilen Erwartungen auch flexibel an veränderte Gegebenheiten anpassen. Neuere physiologische und computergestützte Modelle legen nahe, dass diese Balance zwischen kognitiver Stabilität und Flexibilität durch Dopamin vermittelt wird: Während das an D1-Rezeptoren bindende Dopamin im präfrontalen Kortex womöglich eine Rolle für die Stabilität des Arbeitsgedächtnisses spielt (Durstewitz & Seamans, 2008), könnte das an D2-Rezeptoren bindende Dopamin im Striatum für kognitive Flexibilität von Bedeutung sein (Friston et al., 2012). Motorische wie kognitive Dysfunktionen, die durch einen Verfall des dopaminergen Systems im idiopathischen Parkinson-Syndroms resultieren, könnten sich demnach als spezifische Beeinträchtigungen der kognitiven Stabilität bzw. Flexibilität beschreiben lassen. Um diese Hypothese zu testen, untersuchen wir die explizite und implizite Vorhersage-Stabilität und -Flexibilität im Rahmen einer modifizierten Seriellen Prädiktions-Aufgabe (Sequenz-Wechsel-Detektion) bei Parkinson-Patienten im dopaminergen „on“ und „off“ und bei gesunden Kontrollprobanden mittels Verhaltensmaßen (Reaktionszeiten und Fehlerraten) und physiologischer Marker (Elektrodermale Antwort (EDA) und funktionelle Magnet-Resonanz-Tomographie). In einer weiteren Studie wird der Einfluss des Genotyps des Katabolismus von Dopamin (COMT-Polymorphismus) und der Dopamin-Rezeptordichte (DRD2-Polymorphismus) auf kognitive Stabilität und Flexibilität bei gesunden Probanden und Patienten untersucht.

Literatur

Durstewitz, D. & Seamans, J. (2008). The dual-state theory of prefrontal cortex dopamine function with relevance to catechol-o-methyltransferase genotypes and schizophrenia. Biol Psychiatry, 64, 739-749.

Friston, K. J., Shiner, T., FitzGerald, T., Galea, J. M., Adams, R., Brown, H., ... Bestmann, S. (2012). Dopamine, affordance and active inference. PLoS Comput Biol 8(1, e1002327.

Schubotz, R. I. & von Cramon D.Y. (2004). Anterior-posterior functional gradient within premotor fields: fMRI on memory-driven versus stimulus-driven sequencing. Neuroimage, 22 (1), 33.

Ich sehe was,  was du nicht siehst: Der Einfluss von kontextuellen Objekten auf die Handlungserkennung

Ansprechpartnerin: Nadiya El-Sourani

Im Alltag ist es für uns notwendig, die Handlungen unserer Mitmenschen beobachten, nachvollziehen und verstehen zu können. Doch selbst ganz alltägliche Handlungen wie etwa das Auspressen einer Zitrone stellen tatsächlich äußerst komplexe Reize dar, die eine große Menge verschiedenster Informationen beinhalten. Interessanterweise ist bilang noch kaum geklärt, welche Information während der Beobachtung von solchen Handlungen zu deren Verständnis genutzt werden und wie diese gewonnene Information dem Beobachter hilft, Erwartungen in der Handlungsbeobachtung zu bilden. Neben der obligatorischen Information, welche sowohl das zu manipulierende Objekt als auch die dazugehörige Bewegung beinhaltet, kann auch die fakultative Information während der Handlungsbeobachtung ausgeschöpft werden. Hierbei  handelt es sich um Information, die nicht zwingend notwendig ist, um die Handlung als solche zu erkennen, z.B. Information über den Akteur und die kontextuelle Umgebung, in der die Handlung stattfindet. Beide  Informationstypen werden spontan und ohne explizite Instruktionen verarbeitet - auch unabhängig davon, ob sie womöglich in Konflikt zueinander stehen (z.B. Wurm et al, 2012). Daher lässt sich annehmen, dass während der Handlungsbeobachtung verschiedene Informationsquellen berücksichtigt werden, um sie in ein kohärentes Szenario zu integrieren, wenn auch ggf. zum Preis von weniger plausiblen Erwartungen. Mit Blick auf die Hirnaktivität konnte der linke inferiore frontale Gyrus (IFG) mit der semantischen Integration entsprechender Informationen in Zusammenhang gebracht werden. Eine hohe Aktivität des linken IFG deutet demnach auf einen Konflikt zwischen den verfügbaren Informationen hin, die also nicht den Erwartungen des Handlungsbeobachters entsprechen. Das aktuelle Projekt beschäftigt sich mit der fakultativen Information während der Handlungsbeobachtung, insbesondere mit kontextuellen Objekten. Unter kontextuellen Objekten versteht man Objekte, die Teil der Szene sind, jedoch selbst nicht in die Handlung einbezogen werden. Wir untersuchen, ob diese Objekte Einfluss auf das Erkennen der zu beobachtenden Handlung haben, und wenn ja, wie sich diese im Einzelnen bemerkbar macht. Um diese Fragen zu beantworten, werden Transkranielle Magnetstimulation (TMS) und  die funktionelle Magnet-Resonanz-Tomographie (fMRT) als Methoden verwendet.

Literatur

Wurm, M. F., von Cramon, D. Y., & Schubotz, R. I. (2012). The context-object-manipulation triad: cross talk during action perception revealed by fMRI. Journal of Cognitive Neuroscience, 24(7), 1548-59.

Measures of Content and Dynamics of Anticipation in the Brain

Ansprechpartnerin: Marlen Roehe


Wir leben in einer hochdynamisch Umwelt, die uns dennoch kontinuierliche sensorische Regelmäßigkeiten präsentiert. Dies erlaubt uns, implizit und explizit Regelmäßigkeiten und Assoziationen aus unserer Umwelt zu extrahieren und interne Repräsentationen der Außenwelt zu etablieren (Clark, 2013). Sobald diese Repräsentationen aufgebaut sind, um ein hierarchisches generatives Modell zu bilden, können zeitliche Regularitäten durch top-down-Vorhersagen antizipiert werden. Dies bedeutet, dass weniger Zeit und Aufmerksamkeit benötigt wird, um diese Sinnesreize zu verarbeiten. Neurophysiologische Studien postulieren, dass diese top-down-Vorhersagen durch Beta/Alpha-Oszillationsdominanz repräsentiert werden, während die feedforward-Projektion von neuartiger Information durch dominierende Gamma-Oszillationen repräsentiert wird (Cao et al., 2017). Um den bidirektionalen Informationstransfer zu optimieren, tritt dieses Wechselspiel der Oszillationen nicht gleichzeitig auf, sondern wird in Phasen von dominierenden Beta/Alpha oder dominierenden Gamma-Oszillationen unterteilt (Fontolan et al., 2014). Was jedoch spekulativ bleibt, ist der Erzeugungsprozess von impliziten Vorhersagen, d. h. wir wissen wenig über die elektrophysiologischen Grundlagen, die den Aufbau von Vorhersagen beschreibt, und wie diese Vorhersagen durch den konstanten Strom von konkurrierendem interozeptiven und exterozeptiven Input beeinflusst werden. Mit dieser Studie beabsichtigen wir daher, die elektrophysiologischen Grundlagen visuellen statistischen Lernens zu untersuchen.


References

Cao, L., Thut, G., & Gross, J. (2017). The role of brain oscillations in predicting self-generated sounds. NeuroImage, 147, 895-903.

Clark A. (2013). Whatever next? Predictive brains, situated agents, and the future of cognitive science. Behav Brains Sci, 36, 181-204.

Fontolan, L., Morillon, B., Liegeois-Chauvel, C., & Giraud, A.-L. (2014). The contribution of frequency-specific activity to hierarchical information processing in the human auditory cortex. Nature Communications, 5, 1-10.