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Infants' poor motor abilities limit their interaction with their environment and render studying infant cognition notoriously difficult. Exceptions are eye movements, which reach high accuracy early, but generally do not allow manipulation of the physical environment. In this study, real-time eye tracking is used to put 6- and 8-month-old infants in direct control of their visual surroundings to study the fundamental problem of discovery of agency, i.e. the ability to infer that certain sensory events are caused by one's own actions. We demonstrate that infants quickly learn to perform eye movements to trigger the appearance of new stimuli and that they anticipate the consequences of their actions in as few as 3 trials. Our findings show that infants can rapidly discover new ways of controlling their environment. We suggest that gaze-contingent paradigms offer effective new ways for studying many aspects of infant learning and cognition in an interactive fashion and provide new opportunities for behavioral training and treatment in infants.
The present study addresses the problem whether negative priming (NP) is due to information processing in perception, recognition or selection. We argue that most NP studies confound priming and perceptual similarity of prime-probe episodes and implement a color-switch paradigm in order to resolve the issue. In a series of three identity negative priming experiments with verbal naming response, we determined when NP and positive priming (PP) occur during a trial. The first experiment assessed the impact of target color on priming effects. It consisted of two blocks, each with a different fixed target color. With respect to target color no differential priming effects were found. In Experiment 2 the target color was indicated by a cue for each trial. Here we resolved the confounding of perceptual similarity and priming condition. In trials with coinciding colors for prime and probe, we found priming effects similar to Experiment 1. However, trials with a target color switch showed such effects only in trials with role-reversal (distractor-to-target or target-to-distractor), whereas the positive priming (PP) effect in the target-repetition trials disappeared. Finally, Experiment 3 split trial processing into two phases by presenting the trial-wise color cue only after the stimulus objects had been recognized. We found recognition in every priming condition to be faster than in control trials. We were hence led to the conclusion that PP is strongly affected by perception, in contrast to NP which emerges during selection, i.e., the two effects cannot be explained by a single mechanism.
This study examined the effects of a school-based instrumental training program on the development of verbal and visual memory skills in primary school children. Participants either took part in a music program with weekly 45 min sessions of instrumental lessons in small groups at school, or they received extended natural science training. A third group of children did not receive additional training. Each child completed verbal and visual memory tests three times over a period of 18 months. Significant Group by Time interactions were found in the measures of verbal memory. Children in the music group showed greater improvements than children in the control groups after controlling for children’s socio-economic background, age, and IQ. No differences between groups were found in the visual memory tests. These findings are consistent with and extend previous research by suggesting that children receiving music training may benefit from improvements in their verbal memory skills.
Magnitude processing is one of the most central cognitive mechanisms that underlie persistent mathematics difficulties. No consensus has yet been reached about whether these difficulties can be predominantly attributed to deficits in symbolic or nonsymbolic magnitude processing. To investigate this issue, we assessed symbolic and nonsymbolic magnitude representations in children with low or typical achievement in school mathematics. Response latencies and the distance effect were comparable between groups in both symbolic and nonsymbolic tasks. The results indicated that both typical and low achievers were able to access magnitude representation via symbolic and nonsymbolic processing. However, low achievers presented higher error rates than typical achievers, especially in the nonsymbolic task. Furthermore, measures of nonsymbolic magnitude explained individual differences in school mathematics better than measures of symbolic magnitude when considering all of the children together. When examining the groups separately, symbolic magnitude representation explained differences in school mathematics in low achievers but not in typical achievers. These results suggest that symbolic magnitude is more relevant to solving arithmetic problems when mathematics achievement is particularly low. In contrast, individual differences in nonsymbolic processing appear to be related to mathematics achievement in a more general manner.
Recent psychophysical research supports the notion that horizontal information of a face is primarily important for facial identity processes. Even though this has been demonstrated to be valid for young adults, the concept of horizontal information as primary informative source has not yet been applied to older adults’ ability to correctly identify faces. In the current paper, the role different filtering methods might play in an identity processing task is examined for young and old adults, both taken from student populations. Contrary to most findings in the field of developmental face perception, only a near-significant age effect is apparent in upright and un-manipulated presentation of stimuli, whereas a bigger difference between age groups can be observed for a condition which removes all but horizontal information of a face. It is concluded that a critical feature of human face perception, the preferential processing of horizontal information, is less efficient past the age of 60 and is involved in recognition processes that undergo age-related decline usually found in the literature.
The neural correlates of developmental dyslexia have been investigated intensively over the last two decades and reliable evidence for a dysfunction of left-hemispheric reading systems in dyslexic readers has been found in functional neuroimaging studies. In addition, structural imaging studies using voxel-based morphometry (VBM) demonstrated grey matter reductions in dyslexics in several brain regions. To objectively assess the consistency of these findings, we performed activation likelihood estimation (ALE) meta-analysis on nine published VBM studies reporting 62 foci of grey matter reduction in dyslexic readers. We found six significant clusters of convergence in bilateral temporo-parietal and left occipito-temporal cortical regions and in the cerebellum bilaterally. To identify possible overlaps between structural and functional deviations in dyslexic readers, we conducted additional ALE meta-analyses of imaging studies reporting functional underactivations (125 foci from 24 studies) or overactivations (95 foci from 11 studies ) in dyslexics. Subsequent conjunction analyses revealed overlaps between the results of the VBM meta-analysis and the meta-analysis of functional underactivations in the fusiform and supramarginal gyri of the left hemisphere. An overlap between VBM results and the meta-analysis of functional overactivations was found in the left cerebellum. The results of our study provide evidence for consistent grey matter variations bilaterally in the dyslexic brain and substantial overlap of these structural variations with functional abnormalities in left hemispheric regions.
Pattern recognition approaches to the analysis of neuroimaging data have brought new applications such as the classification of patients and healthy controls within reach. In our view, the reliance on expensive neuroimaging techniques which are not well tolerated by many patient groups and the inability of most current biomarker algorithms to accommodate information about prior class frequencies (such as a disorder's prevalence in the general population) are key factors limiting practical application. To overcome both limitations, we propose a probabilistic pattern recognition approach based on cheap and easy-to-use multi-channel near-infrared spectroscopy (fNIRS) measurements. We show the validity of our method by applying it to data from healthy controls (n = 14) enabling differentiation between the conditions of a visual checkerboard task. Second, we show that high-accuracy single subject classification of patients with schizophrenia (n = 40) and healthy controls (n = 40) is possible based on temporal patterns of fNIRS data measured during a working memory task. For classification, we integrate spatial and temporal information at each channel to estimate overall classification accuracy. This yields an overall accuracy of 76% which is comparable to the highest ever achieved in biomarker-based classification of patients with schizophrenia. In summary, the proposed algorithm in combination with fNIRS measurements enables the analysis of sub-second, multivariate temporal patterns of BOLD responses and high-accuracy predictions based on low-cost, easy-to-use fNIRS patterns. In addition, our approach can easily compensate for variable class priors, which is highly advantageous in making predictions in a wide range of clinical neuroimaging applications. Hum Brain Mapp, 2013. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.
Unterschiede im Denken und Verhalten zwischen Menschen empirisch zu ermitteln, hat eine lange Tradition in der Differentiellen Psychologie. Forscher dieses Fachgebiets entwickeln spezielle Tests, um Personen hinsichtlich bestimmter psychologischer Merkmale zu klassifizieren. Bekannte Bespiele hierfür sind Intelligenztests, die oft zum Einsatz kommen, um z.B. passende Mitarbeiter für bestimmte Positionen zu selektieren. Dieser differenzielle Ansatz wurde bisher im Bereich der Erforschung neuronaler Grundlagen der Wahrnehmung weitgehend ignoriert. Interindividuelle Unterschiede zwischen Personen wurden meist als Messfehler eingestuft und durch Mittelungsverfahren über die Gruppe herausgerechnet (Kanai and Rees, 2011). Neuere Ergebnisse zeigen jedoch, dass hirnstrukturelle Unterschiede zwischen Personen Unterschiede im Verhalten erklären können (siehe Kanai and Rees, 2011; Kleinschmidt et al., 2012 für einen Überblick). Dieser Ansatz wird mit den hier vorgestellten Studien weiter ausgebaut. Dabei wird der Frage nachgegangen, ob Unterschiede in der Hirnanatomie im Menschen dessen Individualität in der bewussten visuellen Wahrnehmung vorhersagen kann. Insbesondere wird untersucht, inwieweit die Integrationsleistung zwischen den Hirnhälften von spezifischen transkallosalen Faserverbindungen abhängt. Des Weiteren wird überprüft, ob die Größe der frühen visuellen Areale einen Einfluss auf die Reizverarbeitung innerhalb der Hirnhälfte hat. Als Paradigmen verwendeten wir in allen Studien mehrdeutige visuelle Reize. Das besondere an diesen Reizen ist, dass deren Interpretation trotz gleichbleibender physikalischer Darbietung ständig wechselt. Dadurch können Hirnprozesse sichtbar gemacht werden, die unabhängig vom visuellen Reiz mit der bewussten Wahrnehmung einhergehen. Zudem werden die Wechsel zwar von allen Versuchspersonen empfunden, es gibt aber diesbezüglich große Unterschiede zwischen den Beobachtern.
In Kapitel 2 wurden Reize verwendet, die eine Scheinbewegung verursachen (Wertheimer, 1912). Ein passendes Beispiel für dieses Phänomen ist das Daumenkino, bei dem durch die schnelle Abfolge von Standbildern der Eindruck einer Bewegung entsteht. Wir verwendeten in unserer Studie eine spezielle Form der Scheinbewegung, das „Motion Quartet“ (Neuhaus, 1930; Chaudhuri and Glaser, 1991). Bei dieser Form löst die rechteckige Anordnung vierer weißer Quadrate den Eindruck von Bewegung aus. Die Anordnung besteht aus zwei alternierenden Bildern mit jeweils zwei Paaren von diagonal gegenüberliegenden Quadraten (oben links und unten rechts vs. oben rechts und unten links). Die Beobachter sehen entweder eine waagrechte oder eine senkrechte Bewegung. Interessanterweise weiß man aus früheren Studien, dass meistens vertikale Bewegungen wahrgenommen werden, wenn der Abstand zwischen den vier Quadraten gleich ist und die Beobachter den Mittelpunkt des Quartetts fixieren (Chaudhuri and Glaser, 1991). Aufgrund der Organisation des visuellen Systems muss die Sehinformation für waagrecht erscheinende Bewegung über beide Hirnhälften integriert werden, während die senkrecht erscheinende Bewegung nur von einer Hemisphäre verarbeitet wird. Das Quartett erzeugt deshalb in erster Linie senkrechte Bewegung, denn die Kommunikation zwischen den beiden Gehirnhälften braucht länger oder ist aufwändiger als die innerhalb einer Hemisphäre. Allerdings gibt es große Unterschiede zwischen Versuchspersonen, welche Bewegungsrichtung wahrgenommen wird. Chaudhuri und Kollegen hatten bereits zuvor gezeigt, dass jeder Teilnehmer einen individuellen Gleichgewichtspunkt (parity ratio) hat, an dem er beide Bewegungsrichtungen gleich oft wahrnimmt. Dieser Gleichgewichtspunkt spiegelt wieder, wie gut jemand die Informationen aus beiden Hirnhälften integrieren kann. Bei den meisten Teilnehmern muss der waagrechte Abstand kleiner sein als der senkrechte, nur dann ist die Wahrnehmung sowohl waagrechter als auch senkrechter Bewegung ausgeglichen. Unsere Ergebnisse in Kapitel 2 bestätigen die Befunde von Chaudhuri und Glaser (1991) indem sie zeigen, dass der Gleichgewichtspunkt stark zwischen Versuchspersonen variiert. Darüberhinaus zeigen unsere Ergebnisse, dass der individuelle Gleichgewichtspunkt über Monate stabil und damit eine konstante Eigenschaft von Personen ist. Zudem sprechen unsere Befunde dafür, dass der Gleichgewichtspunkt eng mit der Struktur bestimmter Faserverbindungen zusammenhängt. Wie bisherige Studien gezeigt haben, sind jene visuelle Areale, die Bewegung verarbeiten (hMT/V5), hauptsächlich für die Verarbeitung von Scheinbewegung zuständig (Sterzer et al., 2002; Sterzer et al., 2003: Sterzer and Kleinschmidt, 2005; Rose and Büchel, 2005). In unserer Untersuchung fanden wir, dass der geschätzte Durchmesser der Faserverbindungen im Corpus Callosum von eben diesen Regionen den individuellen Gleichgewichtspunkt vorhersagen konnte. Dieser Zusammenhang scheint auf die Bewegungszentren des Sehsystems begrenzt zu sein. Benachbarte kallosale Faserbündel des Sehsystems, die andere visuelle Gebiete miteinander verbinden, sind nicht mit dem Gleichgewichtspunkt assoziiert.
In Kapitel 3 und 4 verwendeten wir einen weiteren mehrdeutigen Stimulus. Hier wurden die Messungen mit dem Phänomen der „Binokularen Rivalität“ (engl. „Binocular Rivalry“) durchgeführt. Dabei werden den beiden Augen sehr unterschiedliche Bilder dargeboten, von denen zu jedem Zeitpunkt nur eine Interpretation bewusst wahrgenommen werden kann. Bei einer bestimmten Variation der Binokularen Rivalität wird die Präsentation der Reize so kontrolliert, dass sich die Änderung des subjektiven Erlebens von einem Bild zum anderen wellenartig ausbreitet (Wilson et al., 2001). Wilson (2001) und Kollegen zeigten bereits in ihrer Studie, dass es bei der Übertragung der Wanderwelle zwischen den Hirnhälften zu einer Verzögerung kommt. Unsere Ergebnisse in Kapitel 3 bestätigen diese Befunde und zeigen zusätzlich, dass diese Verzögerung stark zwischen Beobachtern variiert. Ähnlich wie für den Gleichgewichtspunkt von Kapitel 2 fanden wir auch für diese Verzögerung eine hohe zeitliche Stabilität. Es wurde bereits in vorherigen Studien gezeigt, dass die Ausbreitung der Wanderwelle eng mit der Aktivität im primären visuellen Kortex zusammenhängt (Lee et al., 2005, 2007). Unsere Ergebnisse in Kapitel 3 zeigen, dass die Varianz zwischen Personen für die Verzögerung zum großem Teil durch den Durchmesser der transkallosalen Faserverbindungen des V1 vorhergesagt werden kann. Auch hier bestand kein Zusammenhang zwischen Faserverbindungen benachbarter visueller Areale.Neben der Verzögerung zwischen den Hirnhälften zeigte auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wanderwelle innerhalb der Hemisphären eine hohe zeitliche Stabilität. Es stellt sich somit die Frage, ob strukturelle Eigenschaften von bestimmten visuellen Arealen die Ausbreitungsgeschwindigkeit vorhersagen kann. Wie in Kapitel 4 dargestellt, konnten wir einen starken Zusammenhang zwischen der Größe von V1 und der Ausbreitung der Wanderwelle feststellen. Dieser Zusammenhang ist positiv und, wie sich bei Hinzunahme anderer Areale in die Analyse zeigte, spezifisch für den primären visuellen Kortex. Demnach breitet sich die durch den binokularen Wettbewerb erzeugte Wanderwelle umso langsamer über das Sehfeld aus, je größer das Areal bei der entsprechenden Person ist. Die Darstellung in der Abbildung auf der Seite 123 bietet noch einmal einen grafischen Überblick über die oben beschriebenen Ergebnisse dieser Doktorarbeit. Zusammengefasst zeigt diese Arbeit exemplarisch am Beispiel der inter- und intrahemisphärischen Integration auf, wie eng Struktur und Funktion des Gehirns miteinander verknüpft sind. Bei Parametern, die sich experimentell nicht von uns als Forscher variieren lassen, griffen wir auf den Ansatz der differentiellen Psychologie zurück. Dabei nutzten wir die bei Individuen bereits gegebenen Unterschiede aus, um Rückschlüsse auf ganz allgemeine Gesetzmäßigkeiten, wie z. B. der Einfluss der kallosalen Faserdurchmesser und die Oberflächengröße spezifischer Areale auf die Wahrnehmung zu ziehen. Wie wir aufzeigen, formen also schon ganz grundlegende Eigenschaften früher sensorischer Areale unsere Wahrnehmung. Der von uns gewählte Ansatz könnte in zukünftiger Forschung auch auf höhere Funktionen, die uns als Menschen ausmachen, angewandt werden.
Previous studies on European robins, Erithacus rubecula, and Australian silvereyes, Zosterops lateralis, had suggested that magnetic compass information is being processed only in the right eye and left brain hemisphere of migratory birds. However, recently it was demonstrated that both garden warblers, Sylvia borin, and European robins have a magnetic compass in both eyes. These results raise the question if the strong lateralization effect observed in earlier experiments might have arisen from artifacts or from differences in experimental conditions rather than reflecting a true all-or-none lateralization of the magnetic compass in European robins. Here we show that (1) European robins having only their left eye open can orient in their seasonally appropriate direction both during autumn and spring, i.e. there are no strong lateralization differences between the outward journey and the way home, that (2) their directional choices are based on the standard inclination compass as they are turned 180° when the inclination is reversed, and that (3) the capability to use the magnetic compass does not depend on monocular learning or intraocular transfer as it is already present in the first tests of the birds with only one eye open.