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Visual working memory (WM) and selective attention are fundamental cognitive mechanisms, both operating at the interface between perception and action. They are related because both are postulated to have limits with respect to how much information can be processed. Specifically, selective attention has been implicated as a limiting factor for the storage capacity of visual WM. However, visual WM and attention have been largely studied in isolation and interactions between the two have rarely been addressed. This dissertation aimed at investigating interactions between selective attention and the encoding of information into visual WM in the context of one common characteristic feature, namely their limitation in capacity. An experimental task was used that combined visual search with delayed discrimination and the demands on selective attention and WM encoding were manipulated orthogonally. In each trial participants were presented with a search array consisting of nine different grey geometric shapes. A small L-shaped item that appeared in one of four different orientations and that was coloured either blue or red was placed in the centre of each shape. Participants were instructed to search for predefined target items (Ls oriented 90°) and to memorise the shapes associated with these target items. After a delay phase a probe was presented and participants decided whether it did or did not match one of the memorised shapes. Attentional demand was manipulated by changing the search efficiency in the visual search component of the task (easy vs. difficult search) and WM load was manipulated by the number of targets (1 to 5). A behavioural study was conducted to isolate the processes that allowed participants to successfully encode complex shapes into WM while engaging spatial attention for a visual search task. The data provided evidence for a two-step encoding strategy. In the first step participants selected and memorised only the locations of all target items and only then they encoded the associated shapes at a later step. This strategy allowed them to cope with the interference between WM and attention that would otherwise take place. In the second part of this dissertation interference between visual attention and the encoding into visual WM was investigated on the level of neural activation using functional magnetic resonance imaging (fMRI). Specifically, the hypothesis was tested that the capacity limitation of visual WM is due to common limited-capacity neural resources shared by visual WM and attention. Two separate fMRI experiments were conducted that combined visual search and delayed visual discrimination for either objects (experiment 1) or locations (experiment 2). The results revealed overlapping activation for attention-demanding visual search and object WM encoding in distributed posterior and frontal regions. In the right prefrontal cortex and bilateral insula BOLD activation additively increased with increased WM load and attentional demand. Conversely, the analysis revealed an interaction effect in several visual, parietal, and premotor areas. These regions showed overlapping activation for the two task components and were severely reduced in their WM load response under the condition with high attentional demand. This interaction effect was found in similar frontal and posterior regions when combining visual search and spatial WM encoding in experiment 2. In contrast, regions in the prefrontal cortex were selectively responsive to WM load and differed to some degree depending on the WM domain. Here, activation associated with increased WM load was delayed rather than reduced under high attentional demand. The fMRI results provide convergent evidence that visual selective attention and the encoding of information into WM share, to a high degree, common neural resources. The findings indicate that competition for resources shared by visual attention and WM encoding can limit processing capabilities in distributed posterior brain regions but not the prefrontal cortex. The findings support the view that WM evolves from the recruitement of attentional mechanisms (Cowan, 2001; Wheeler und Treisman, 2002) the very same that act upon perceptual representations as well (Slotnick, 2004; Jonides et al., 2005; Pasternak and Greenlee, 2005; Postle, 2006; Ranganath, 2006). The similarity in the effects of interference between attention and the encoding of objects or locations into WM indicates that the attention-based model of WM encoding is valid across different WM domains. The capacity of visual WM can be limited at various stages of processing. The behavioural and fMRI data presented in this dissertation illustrate that one major bottleneck of information processing arises from the common demands on neural and cognitive resources shared between visual WM and selective attention during the encoding stage.
Das ereigniskorrelierte Potential (EKP) P300 ist eines der am häufigsten untersuchten Potentiale des Elektroenzephalogramms (EEG). Wegen der bedeutsamen Rolle der P300 in der kognitiven Forschung mit gesunden Probanden und psychiatrischen Patienten kommt der Suche nach ihren neuronalen Generatoren ein hoher Stellenwert zu. Man geht im Allgemeinen davon aus, dass sie kein einheitliches Potential darstellt und von mehreren weit verstreuten Quellen generiert wird. Die Fragen nach der genauen Anzahl der P300-Subkomponenten, ihrer Lokalisierung sowie den ihnen zugrunde liegenden kognitiven Prozesse sind jedoch nach wie vor ungelöst. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war, die P300 mit Hilfe der Kombination vom EEG und der funktionalen Magnetresonanztomografie (fMRT) in ihre Subkomponenten zu untergliedern und deren Quellen zu lokalisieren. Zu diesem Zweck wurden drei kombinierte EEG/fMRT-Studien durchgeführt. Die ersten beiden Studien beinhalten eine abgewandelte Form des klassischen Oddballparadigmas. Bei der dritten Studie handelt es sich um ein Arbeitsgedächtnisexperiment. Durch die Verknüpfung der fMRT-Ergebnisse mit EKP-Daten aus den beiden Oddball-Experimenten konnten die neuronalen Quellen der zwei wichtigsten Subkomponenten der P300, der P3a und P3b, lokalisiert werden. Es konnte gezeigt werden, dass inferiore und posteriore parietale (IPL bzw. PPC) und inferior temporale (IT) Areale zur Entstehung der P3b beitrugen, während hauptsächlich die präzentralen Regionen (PrCS) die P3a generierten. Die Ergebnisse des Arbeitsgedächtnisexperiments bestätigten die P3b-Quellenlokalisierung der Oddball-Untersuchung mit einr Beteiligung von PPC und IT an der Generierung der P3b-Komponente. Das Arbeitsgedächtnisexperiment verdeutlichte aber auch, dass eine komplexere Abrufanforderung (mit langen Reaktionszeiten) zu einer anhaltenden Aktivität im PPC und einer späten Antwort im ventrolateralen präfrontalen Kortex (VLPFC) führte, die eine zweite P3b-Subkomponente generierten. Durch eine umfassende zeitlich-räumliche Trennung der neuronalen Aktivität beim Arbeitsgedächtnisabruf konnten darüber hinaus die einzelnen Stufen der beteiligten Informationsverarbeitungsprozesse (mentale Chronometrie) beschrieben werden. Diese Anwendung ging über die „reine“ Quellenlokalisation der P300-Komponenten hinaus. Die Ergebnisse zeigten frühe transiente Aktivierungen im IT, die sich zeitlich mit dem Beginn einer anhaltenden Aktivität im PPC überlappten. Darüber hinaus wurden eine späte transiente Aktivität im VLPFC und eine späte anhaltende Aktivität im medialen frontalen und motorischen Kortex (MFC bzw. MC) beobachtet. Es liegt nahe, dass diese neuronalen Signaturen einzelne Stufen kognitiver Aufgabenverarbeitungsschritte wie Reizevaluation (IT), Operationen am Gedächtnispuffer (PPC), aktiven Abruf (VLPFC) und Reaktionsorganisation (MFC und MC) reflektieren. Die vorgestellten Quellenmodelle zeigten übereinstimmend, dass mehrere kortikale Generatoren das P300-EKP erzeugen. Dabei trugen neben den erwarteten parietalen interessanterweise auch inferior temporale und inferior frontale Quellen zur P3b bei, während die P3a vor allem auf anterioren Generatoren im prämotorischen Kortex basierte. Diese Ergebnisse bestätigen teilweise die bisherigen Lokalisationsmodelle, die weitgehend auf neuropsychologischen und invasiven neurophysiologischen Befunden beruhen, widersprechen ihnen aber auch zum Teil, besonders was die Abwesenheit der postulierten präfrontalen und hippocampalen Beiträge zur P3a bzw. P3b betrifft.