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Eye-Tracking bezeichnet das Messen und Aufzeichnen der Blickbewegungen einer Person. Historisch gesehen basiert Eye-Tracking auf Beobachtungen des Testleiters, der das Blickverhalten der Probanden während des Versuchsablaufes oder die Videoaufzeichnung des Blickverhaltens eines Probanden in einer Testsituation kodierte. Dabei konnte allerdings nur die Blickrichtung des Probanden erhoben werden. Heutzutage ist es jedoch möglich, aufgrund neuerer, automatisierter Eye-Tracking-Techniken detailliertere Blickbewegungen, wie z.B. Fixationen und Sakkaden, zu messen. Diese Verbesserung der Eye-Tracking-Technik ermöglicht nicht nur passives Eye-Tracking, sondern auch aktives Blickkontingenz-Eye-Tracking. Passives Eye-Tracking bezeichnet das Messen und Aufzeichnen des Blickverhaltens, um herauszufinden, wo der Proband hinschaut. Im Gegensatz dazu erhebt das aktive Blickkontingenz-Eye-Tracking nicht nur, wo ein Proband hinschaut, sondern ermöglicht dem Probanden auch, die Stimuli, die auf einem Bildschirm präsentiert werden, aktiv zu verändern oder zu kontrollieren. Dabei wird das Blickverhalten online kodiert, und spezifisches Blickverhalten ist an eine kontingente Veränderung der Stimuli auf dem Bildschirm gekoppelt. Deshalb kann das aktive Blickkontingenz-Eye-Tracking eingesetzt werden, um den Probanden aktive Kontrolle über ihre visuelle Umwelt zu ermöglichen.
In der psychologischen Forschung ist Eye-Tracking ein wichtiges Forschungs-instrument, da das Blickverhalten in spezifischen Eye-Tracking-Aufgaben genutzt werden kann, um Aufschluss über kognitive Prozesse, wie z.B. Aufmerksamkeit, Lernen und Gedächtnis, zu gewinnen. Unterschiedliche passive und aktiv-blickkontingente Eye-Tracking- Aufgaben wurden entwickelt, um eine Vielzahl an kognitiven Prozessen im Erwachsenen- und Säuglingsalter zu untersuchen. Diese Aufgaben sind besonders wichtig in der Säuglingsforschung, da es in diesem Alter schwierig ist, kognitive Prozesse zu untersuchen. Dies hängt damit zusammen, dass es sich um eine präverbale Stichprobe, die nur über ein limitiertes motorisches Repertoire verfügt, handelt. Obwohl kognitive Prozesse von Erwachsenen anhand verbaler oder anderer motorischer Aufgaben untersucht werden können, werden passive und aktiv-blickkontingente Eye-Tracking-Aufgaben regelmäßig in dieser Altersgruppe eingesetzt, da sie zusätzliche Informationen über kognitive Prozesse liefern können. Neben der Möglichkeit zur Untersuchung von kognitiven Prozessen bieten aktiv-blickkontingente Eye-Tracking-Aufgaben den Probanden auch die Gelegenheit, ihre visuelle Umwelt aktiv zu kontrollieren. Dennoch werden aktiv-blickkontingente Eye-Tracking- Aufgaben nur selten eingesetzt, um Probanden visuelle Kontrolle über ihre Umwelt zu verschaffen.
Bis jetzt wurden aktiv-blickkontingente Eye-Tracking-Aufgaben zur Kontrolle der visuellen Umwelt nur bei Erwachsenen, aber noch nicht bei Säuglingen eingesetzt. Da diese Aufgaben jedoch auch für Säuglinge und Kleinkinder geeignet sind, besteht die Möglichkeit, diese Methode über die gesamte Lebenspanne hinweg anzuwenden. Somit kann das Erlernen des Kontrollierens der Umwelt durch Blickverhalten über die gesamte Lebensspanne untersucht werden.
Die vorliegende Dissertation hat sich genau dies zum Ziel gesetzt. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde eine neue aktiv-blickkontingente Eye-Tracking-Aufgabe entwickelt, die sogenannte gaze-contingent learning task (GCLT). Im Wesentlichen ist die GCLT eine operante Konditionierungsaufgabe, bei der sich Probanden Kontrolle über ihre visuelle Umwelt aneignen, indem sie eine bestimmte blickkontingente Assoziation zwischen ihrem Blickverhalten und einem visuellen Effekt erlernen. Die in dieser Dissertation verwendete GCLT umfasst zwei Hauptversionen: zum einen die sog. one disc GCLT, und zum anderen die two discs GCLT. In der one disc GCLT wird ein Kreis auf der rechten Bildschirmseite gezeigt. Jedes Mal, wenn der Proband auf diesen Kreis schaut, erscheint ein Stimulus auf der linken Bildschirmseite. Somit kommt dem Kreis eine Schalterfunktion zu. In der two discs GCLT ist sowohl am rechten als auch am linken Bildschirmrand ein Kreis zu sehen. Hier kommt nur jeweils einem der beiden Kreise die Schalterfunktion zu. Um ihre visuelle Umwelt zu kontrollieren, müssen Probanden innerhalb der one disc GCLT die blickkontingente Assoziation zwischen ihren Blicken auf den Kreis und dem Erscheinen eines Stimulus erlernen, während sie in der two discs GCLT außerdem noch lernen müssen, zwischen dem Kreis mit und dem Kreis ohne Schalterfunktion zu unterscheiden.
Eine wichtige Eigenschaft des menschlichen Gehirns besteht in der Fähigkeit, flexibel auf eintreffende Reize zu reagieren und sich den Anforderungen und Veränderungen der Umwelt anzupassen. Anpassung oder Adaptation lässt sich in vielen Situationen beobachten. Beispielsweise kommt es in der Retina beim Übergang von einer sehr hellen Umgebung in eine dunkle Umgebung zu Anpassungsleistungen. Neuronale Adaptation wird in den Neurowissenschaften genutzt, um Aussagen über die Funktion bestimmter Hirnareale machen zu können. In sogenannten Adaptationsexperimenten werden Stimuli wiederholt dargeboten und die dadurch erzeugten neuronalen Antworten in verschiedenen Hirnarealen miteinander verglichen. Nimmt das Signal in einem Areal ab, dann wird daraus geschlossen, dass die Zellen in diesem Bereich an der Verarbeitung des Stimulus beteiligt waren. Wiederholte Reizdarbietung führte in zahlreichen Untersuchungen zu einer Abnahme der neuronalen Antwort. Daneben wurde jedoch auch der gegenteilige Effekt, eine Verstärkung der neuronalen Antwort, bei Wiederholung eines Reizes nachgewiesen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Verarbeitung frequenzmodulierter Töne im auditorischen Kortex des Menschen mit Hilfe eines Wiederholungsparadigmas untersucht. Frequenzmodulationen sind eine beim Menschen noch wenig untersuchte Reizklasse, die in natürlichen Geräuschen und besonders in der menschlichen Sprache eine wichtige Rolle spielen. Ausgangspunkt dieser Arbeit war die Frage, ob sich im auditorischen Kortex des Menschen eine Sensitivität für die Richtung einer Frequenzmodulation nachweisen lässt. Dieser Frage wurde mit drei Magnetenzephalographie-Studien nachgegangen. In Studie 1 wurde ein Zwei-Ton-Paradigma angewendet. Dabei wurde in jedem Durchgang ein frequenzmodulierter Ton jeweils zwei Mal präsentiert. Lediglich die Richtung, in der der Ton abgespielt wurde, also von den niedrigen zu den hohen oder von den hohen zu den niedrigen Frequenzen, wurde variiert. Die beiden frequenzmodulierten Töne in Studie 1 hatten eine Dauer von 500 ms und wurden in einem Abstand von 1 Sekunde präsentiert. Mit dieser Versuchsanordnung sollte untersucht werden, ob es bei Wiederholung der Frequenzrichtung zu einer Abnahme des neuronalen Signals kommt. Diese Abnahme wurde vor allem in der N1m-Komponente aber auch in späteren Komponenten wie der N2m erwartet. Der Vergleich der N1m-Amplitude für den zweiten Ton zeigte jedoch nur geringe Unterschiede zwischen den Bedingungen. Die Wiederholung derselben Frequenzrichtung bewirkte nur eine schwache Abnahme des Signals. Deutliche Adaptationseffekte konnten nicht gefunden werden. Daneben zeigten sich Hemisphärenunterschiede bei der Verarbeitung der frequenzmodulierten Töne. Über den Sensoren der rechten Hemisphäre war die Antwort signifikant stärker ausgeprägt als über der linken Hemisphäre. Als mögliche Erklärung für die schwach ausgeprägten Adaptationseffekte in Studie 1 wurde der zeitliche Aufbau des Paradigmas herangezogen. In der zweiten Studie wurde daher sowohl die Dauer der präsentierten Stimuli als auch der zeitliche Abstand zwischen den beiden Tönen reduziert. Dieses Paradigma führte zu signifikanten Unterschieden in der Reaktion auf den zweiten Reiz. Entgegen der Erwartung einer Adaptation bei Reizwiederholung bewirkte die Wiederholung derselben Frequenzrichtung eine signifikant höhere neuronale Antwort im Vergleich zu der Präsentation einer abweichenden Frequenzrichtung. Diese Unterschiede traten auf der rechten Hemisphäre über einen Zeitraum von 150 bis 350 ms nach Beginn des zweiten Stimulus auf, während sich auf der linken Hemisphäre 200 bis 300 ms nach Beginn des zweiten Tons signifikante Unterschiede zwischen gleichen und unterschiedlichen Frequenzrichtungen zeigten. In der N1m-Amplitude zeigten sich dagegen keine Wiederholungseffekte. Ähnlich wie in Studie 1 traten auch in Studie 2 Hemisphärenunterschiede auf. Für die Sensoren der rechten Hemisphäre waren die Verstärkungseffekte stärker und über einen längeren Zeitraum zu beobachten. Das unerwartete Ergebnis von Studie 2 stellte die Motivation für den Aufbau der dritten Studie dar. Mithilfe dieser Studie sollte überprüft werden, welche Rolle das Inter-Stimulus-Intervall auf die Verarbeitung eines nachfolgenden Stimulus hat. Zu diesem Zweck wurde in Studie 3 die Länge des ISIs zwischen 100 und 600 ms variiert. Damit sollte zum einen überprüft werden, innerhalb welchen zeitlichen Bereichs es zu einer Verstärkung des Signals kommt und wann beziehungsweise ob es ab einem bestimmten zeitlichen Abstand zwischen den Stimuli zu Adaptationsprozessen kommt. Bei dem kürzesten ISI von 100 ms führte die Wiederholung derselben Frequenzrichtung zu einer signifikant stärkeren N1m-Amplitude als bei der Präsentation einer abweichenden Frequenzrichtung. Bei ISIs > 100 ms zeigte sich keine höhere N1m-Amplitude mehr bei Wiederholung derselben Frequenzrichtung. Deutliche späte Effekte wie sie in Studie 2 über einen Zeitbereich von 150 bis 300 ms nachgewiesen wurden, traten in Studie 3 nicht auf. Bei einem ISI von 300 bis 500 ms waren leichte Verstärkungseffekte in einem Zeitbereich von 200 bis 400 ms zu beobachten. Bei einem ISI von 600 ms zeigten sich keine Unterschiede zwischen den Bedingungen. Durch Studie 3 konnte der in Studie 2 gefundene Effekt in einen größeren Zusammenhang gestellt werden. Zu einer Verstärkung der N1m-Komponente kommt es lediglich bei einem ISI von 100 ms. Liegen die Stimuli 200 ms auseinander, findet eine Verstärkung der späteren Komponenten statt, die bei ISIs > 200 ms immer weiter abnimmt. Offen bleibt, welche Abläufe zu der Verstärkung des Signals bei Wiederholung der Frequenzrichtung geführt haben. Um die dem Verstärkungseffekt zugrunde liegenden Prozesse zu verstehen, sind weitere Studien nötig.
In the present work, mismatch negativity (MMN) was used to examine the contribution of spectral vs. temporal perceptual features to vowel length discrimination in children and adults. Three age groups (adults vs. 9-10 years vs. 10-11 years olds) have been taken to examine developmental effects on vowel length perception. Natural (i.e., spectrotemporal) vowel length differences were compared with (artificially modified) stimulus pairs varying only in temporal or spectral characteristics to contrast spectral, temporal and spectrotemporal processing.
The result indicates that, while adults integrate spectral and temporal aspects of the speech signal in an additive way, children of 9-10 years of age sequentially process both features. However, vowel length processing is found to become adultlike at the age of 10-11 years.
In human neuroscientific research, there has been an increasing interest in how the brain computes the value of an anticipated outcome. However, evidence is still missing about which valuation related brain regions are modulated by the proximity to an expected goal and the previously invested effort to reach a goal. The aim of this dissertation is to investigate the effects of goal proximity and invested effort on valuation related regions in the human brain. We addressed this question in two fMRI studies by integrating a commonly used reward anticipation task in differential versions of a Multitrial Reward Schedule Paradigm. In both experiments, subjects had to perform consecutive reward anticipation tasks under two different reward contingencies: in the delayed condition, participants received a monetary reward only after successful completion of multiple consecutive trials. In the immediate condition, money was earned after every successful trial. In the first study, we could demonstrate that the rostral cingulate zone of the posterior medial frontal cortex signals action value contingent to goal proximity, thereby replicating neurophysiological findings about goal proximity signals in a homologous region in non-human primates. The findings of the second study imply that brain regions associated with general cognitive control processes are modulated by previous effort investment. Furthermore, we found the posterior lateral prefrontal cortex and the orbitofrontal cortex to be involved in coding for the effort-based context of a situation. In sum, these results extend the role of the human rostral cingulate zone in outcome evaluation to the continuous updating of action values over a course of action steps based on the proximity to the expected reward. Furthermore, we tentatively suggest that previous effort investment invokes processes under the control of the executive system, and that posterior lateral prefrontal cortex and the orbitofrontal cortex are involved in an effort-based context representation that can be used for outcome evaluation that is dependent on the characteristics of the current situation.
Cognitive flexibility and cognitive stability : neural and behavioral correlates in men and mice
(2014)
The ability to flexibly adjust behavior according to a changing environment is crucial to ensure a species' survival. However, the successful pursuit of goals also requires the stable maintenance of behavior in the face of potential distractors. Thus, cognitive flexibility and cognitive stability are important processes for the cognitive control of behavior. There is a large body of behavioral and neuroimaging research concerning cognitive control in general, but also specifically on cognitive flexibility and cognitive stability, albeit most often assessed in separate task paradigms. Nevertheless, whether cognitive flexibility and cognitive stability depend upon separate or shared neuronal bases is still a matter of debate. Complementing empirical research, computational models have become an important strategy in neuroscientific research, as they have the potential of providing mechanistic explanations of empirical observations, for example by allowing for the direct manipulation of molecular parameters in simulated neural networks. The computational model underlying the so-called Dual-State Theory contains specific hypotheses with respect to cognitive flexibility and cognitive stability. The neural networks simulated by this model exhibit multiple stable firing states, i.e., the neural network can maintain a high firing state also without continuing external input due to a network architecture consisting of recurrently connected neurons. Transitions between such network states, also called attractor states, can be induced by external input, and represent working memory contents or active task rules. Simulations showed that the stability of these attractor states, and thus of task rule representations, depend on the dopamine state of the system and can consequently vary between persons. The Dual-State Theory predicts an antagonistic relationship between cognitive flexibility and cognitive stability, as robust attractor states would facilitate the inhibition of distractors, but impair efficient task switching, while rather unstable attractor states would promote efficient transitions between representations but would also come at the cost of increased distractibility.
Based on the Dual-State Theory, a task paradigm was designed allowing for the simultaneous assessment of cognitive flexibility, in the sense of rule-based task switching, and cognitive stability, in the sense of inhibiting irrelevant distractors. Furthermore, a behavioral measure was developed to assess the individual attractor state stability, named spontaneous switching rate (SSR). In the first study of this work, this paradigm was tested in a sample of healthy human subjects using functional magnetic resonance imaging (fMRI). An overlapping fronto-parietal network was activated for both cognitive flexibility and cognitive stability. Furthermore, behavioral as well as neuroimaging results are in favor of an antagonistic relationship between cognitive flexibility and cognitive stability. A specific prefrontal region, the inferior frontal junction (IFJ), was implied to potentially contain the relevant neural networks mediating the transitions between attractor states, i.e., task rule representations, as its activity was modulated by the SSR such that persons with rather unstable attractor states activated it less during task switching while showing better performance. Most importantly, functional connectivity of the IFJ was antagonistically modulated by the SSR: more flexible persons connected it less to another prefrontal area during task switching, while showing higher functional connectivity during distractor inhibition.
In a second study, a larger human sample was assessed and further hypotheses derived from the Dual-State Theory on variability of neural processing were tested: we hypothesized that persons with high brain signal variability should have less stable network states and thus benefit on tasks requiring cognitive flexibility but suffer from it when the task requires a higher degree of cognitive stability. Furthermore, recent fMRI-research on brain signal variability revealed beneficial effects of higher brain signal variability on cognitive performance in general. Using a novel customized analysis pipeline to measure trial-to-trial fMRI-signal variability, we indeed found differential effects of brain signal variability: higher levels of brain signal variability were found to be beneficial for effectiveness, i.e., performance in terms of error rates, for both cognitive flexibility and stability. However, brain signal variability impaired the efficiency in terms of response times of inhibiting distractors, i.e., cognitive stability.
Due to further predictions of the Dual-State Theory concerning schizophrenia and the dopaminergic system, it was considered valuable to pursue a translational approach and thus allowing for the employment of animal models of psychiatric diseases. Consequently, in a first step the human paradigm was translated for a murine population using an innovative touchscreen approach. Results showed analogous behavioral effects in wildtype mice as before in healthy humans: the antagonistic relation between cognitive flexibility and cognitive stability was replicated and also for mice, a behavioral measure for the individual attractor stability was established and validated, named the individual spontaneous switching score.
To conclude, we established a novel paradigm assessing both cognitive flexibility and stability simultaneously showing an antagonistic relationship between these two cognitive functions on the behavioral level in two different species, which supports predictions from the Dual-State Theory. This was further underlined by evidence on the activation, functional connectivity and signal variability level in the human brain.
Working memory (WM) contributes to countless activities during everyday live: reading, holding a conversation, making tea and so on. The core processes of WM comprise the phases of encoding, maintenance and retrieval. Successful recognition of stored objects requires several subprocesses such as stimulus encoding and evaluation, memory search and the organisation of a decision and a response. Much research has focused on encoding and maintenance of information but little interest has been directed to the retrieval of information. This is why the present dissertation investigated the neuronal correlates of retrieval of previously stored information and its modulation by load and probe-item similarity.
Here memory load and probe-item similarity were manipulated in order to investigate the neuronal correlates of the recognition process using electroencephalography (EEG). We tested the hypothesis recognition is influenced differently by probe-item similarity and by memory load and that these factors are re Effected by distinct neuronal correlates. Furthermore we tested whether distinct neuronal responses could be related to a summed similarity model.
The analysis of high-density ERP recordings showed both a load effect (load 1>load 3) and a similarity effect In addition, there was an interaction between load and similarity. The load effect was present during the whole epoch and did not change over time, whereas the similarity effect showed two distinct components between 300-600ms. In contrast to the load effect the similarity effect changed its sign over time. For the rest component, match probes elicited the strongest ERP responses, whereas for the second component dissimilar probes yielded the strongest ERP responses. The timing of the similarity effect corresponded well with the early and late P3b complex. The P3b complex is associated with stimulus categorisation and evaluation (early subcomponent) and memory search and criterion testing (late subcomponent).
The results suggest that the difficulty of a task is not only determined by load but also enhanced by probe-item similarity. Since increasing the number of samples (i.e. memory load) can also increase the probe-item similarity (i.e. the probability that one of the samples is perceptually similar to the probe), an independent manipulation of both factors is indispensable to disentangle their particular impact on short-term recognition. Furthermore, I propose that the two distinct neural correlates of the P3b complex reeffects different stages of task processing connected with probe-item similarity. As suggested by summed similarity VI models, these components might reflect the subprocesses of similarity summation (early P3b) and criterion testing (late P3b).
Die Adoleszenz, d.h. die Reifungsphase des Jugendlichen zum Erwachsenen, stellt einen zentralen Abschnitt in der menschlichen Entwicklung dar, der mit tief greifenden emotionalen und kognitiven Veränderungen verbunden ist. Neure Studien (Bunge et al., 2002; Durston et al., 2002; Casey et al., 2005; Crone et al., 2006; Bunge and Wright, 2007) machen deutlich, dass sich die funktionelle Architektur des Gehirns während der Adoleszenz grundlegend verändert und dass diese Veränderungen mit der Reifung höherer kognitiven Funktionen in der Adoleszenz assoziiert sein könnten. Messungen des Gehirn-Volumens mit Hilfe der Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) zum Beispiel zeigen eine nicht-lineare Reduktion der grauen und eine Zunahme der weißen Substanz während der Adoleszenz (Giedd et al., 1999; Sowell et al., 1999, 2003). Des weiteren treten in dieser Zeit Veränderungen in exzitatorischen und inhibitorischen Neurotransmitter-Systemen auf (Tseng and O’Donnell, 2005; Hashimoto et al., 2009). Zusammen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass während der Adoleszenz ein Umbau der kortikalen Netzwerke stattfindet, der wichtige Konsequenzen für die Reifung neuronaler Oszillationen haben könnte. Im Anschluss an eine Einführung im Kapitel 2, fasst Kapitel 3 der vorliegenden Dissertation die Vorbefunde bezüglich entwicklungsbedingter Veränderungen in der Amplitude, Frequenz und Synchronisation neuronaler Oszillationen zusammen und diskutiert den Zusammenhang zwischen der Entwicklung neuronaler Oszillationen und der Reifung höhere kognitiver Funktionen während der Adoleszenz. Ebenso werden die anatomischen und physiologischen Mechanismen, die diesen Veränderungen möglicherweise zu Grunde liegen könnten, theoretisch vorgestellt. Die in Kapitel 4-6 vorgestellten eigenen empirischen Arbeiten untersuchen neuronale Oszillationen mit Hilfe der Magnetoencephalographie (MEG), um die Frequenzbänder und die funktionellen Netzwerke zu charakterisieren, die mit höheren kognitiven Prozessen und deren Entwicklung in der Adoleszenz assoziiert sind. Hierzu wurden drei Experimente durchgeführt, bei denen MEG-Aktivität während der Bearbeitung einer Arbeitsgedächtnisaufgabe und im Ruhezustand aufgezeichnet wurde. Die Ergebnisse dieser Experimente zeigen, dass Alpha Oszillationen und Gamma-Band Aktivität sowohl task-abhängig als auch im Ruhezustand gemeinsam auftreten. Darüber hinaus ergänzen die vorliegenden Untersuchungen Vorarbeiten, indem sie eine Wechselwirkung zwischen beiden Frequenzbändern aufgezeigt wird, die als ein Mechanismus für das gezielte Weiterleiten von Informationen dienen könnte. Die in Kapitel 6 vorgestellten Entwicklungsdaten weisen weiterhin darauf, dass in der Adoleszenz späte Veränderungen im Alpha und Gamma-Band stattfinden und dass diese Veränderungen involviert sind in die Entwicklung der Arbeitsgedächtnis-Kapazität und die Entwicklung der Fähigkeit, Distraktoren zu inhibieren. Abschliessend werden in Kapitel 7, die in dieser Dissertation vorgestellten Arbeiten, aus einer übergeordneten Perspektive im Gesamtzusammenhang diskutiert.
In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, wie das Gehirn Bewusstsein erzeugt. Diese Frage wird als eines der größten Rätsel der heutigen Wissenschaft angesehen: Wie kann es sein, dass aus der Aktivität der Nervenzellen unsere subjektive Welt entsteht? Es ist offensichtlich nicht einfach, diese Frage wissenschaftlich zu untersuchen. Eine der vorgeschlagenen Strategien für die Untersuchung von Bewusstsein behauptet, dass man zunächst die neuronalen Korrelate des Bewusstseins finden sollte (Koch, 2004). Einer Definition zufolge sind die neuronalen Korrelate des Bewusstseins die kleinste Menge neuronaler Prozesse, die hinreichend für eine bestimmte bewusste Erfahrung sind (zum Beispiel für die bewusste Erfahrung des Blaubeergeschmacks). Manche behaupteten, die Entdeckung der neuronalen Korrelate des Bewusstseins würde es erlauben, dem Rätsel des Bewusstseins näher zu kommen (Crick & Koch, 1990). Nur wie soll man die neuronalen Korrelate des Bewusstseins finden? Eine relativ einfache Strategie dafür wurde schon vor mehr als 20 Jahren beschrieben. Es sollten einfach experimentelle Bedingungen erschaffen werden, in welchen ein Reiz manchmal bewusst wahrgenommen wird und manchmal nicht (Baars, 1989). Solche Analysen, die Bedingungen mit und ohne bewusste Wahrnehmung vergleichen, werden als „Kontrastierungsanalyse“ bezeichnet (da zwei Bedingungen miteinander kontrastiert werden). Es existieren viele verschiedene experimentelle Paradigmen, bei welchen man den Reiz unter denselben Bedingungen präsentieren kann, so dass er bei manchen Versuchsdurchgängen bewusst wahrgenommen wird, bei anderen nicht (Kim & Blake, 2005). Mit solchen experimentellen Paradigmen kann man angeblich die neuronalen Korrelate des Bewusstseins finden, wenn man a) bei jedem Durchgang die Versuchsperson fragt, ob oder was die Versuchsperson bei dem Durchgang wahrgenommen hat und b) gleichzeitig die neuronalen Prozesse misst (zum Beispiel mit EEG, MEG oder fMRT). Anschließend kann man die erhobenen neuronalen Daten unter den Bedingungen mit und ohne bewusste Wahrnehmung vergleichen.
Mittlerweile gibt es viele Studien, in denen solche experimentelle Paradigmen – und damit die Kontrastierungsanalyse – angewendet wurden. Insofern könnte man glauben, die neuronalen Korrelate des Bewusstseins seien schon gefunden worden. Allerdings ist dies nicht der Fall. Es existiert in der Literatur weiterhin Uneinigkeit darüber, ob die Korrelate des Bewusstseins früh oder spät in der Zeit liegen, und ob die Korrelate in sensorischen Arealen oder eher im hierarchisch höheren fronto-parietalen Kortex zu finden sind.
Nach unserer Meinung sind die experimentellen Paradigmen, die üblicherweise zum Auffinden der neuronalen Korrelate des Bewusstseins verwendet werden, nicht spezifisch genug, um diese eindeutig zu lokalisieren. Eher glauben wir, dass die klassische Kontrastierungsanalyse auch andere Prozesse als Ergebnisse hervorbringt und uns deshalb prinzipiell nicht zu den neuronalen Korrelaten des Bewusstseins führen kann.
Im Kapitel 2 wird erklärt, wieso die typischen experimentellen Paradigmen nicht die neuronalen Korrelate des Bewusstseins ausfindig machen können. Wir behaupten, dass der Vergleich neuronaler Daten aus experimentellen Bedingungen mit und ohne bewusste Wahrnehmung auch die neuronalen Prozesse widerspiegeln könnte, die bewussten Wahrnehmungen entweder vorausgehen oder folgen. Es ist beispielsweise bekannt, dass neuronale Prozesse vor Auftreten des Reizes darüber bestimmen können, ob der Reiz bewusst wahrgenommen wird oder nicht (Busch, Dubois, & VanRullen, 2009; Mathewson, Gratton, Fabiani, Beck, & Ro, 2009). Wenn man experimentelle Bedingungen mit und ohne bewusster Wahrnehmung miteinander vergleicht, werden auch solche Prozesse als Ergebnis auftauchen, obwohl diese zeitlich klar vor dem Reiz stattfinden und deshalb keine neuronalen Korrelate des Bewusstseins sein können. Es ist natürlich einfach zu entscheiden, dass diese Prozesse, die schon vor dem Reiz stattfinden, der bewussten Wahrnehmung vorausgehen müssen, aber es ist unmöglich zu sagen, ob ein neuronaler Prozess 100 oder 200 Millisekunden nach der Präsentation des Reizes immer noch ein Vorläuferprozess ist schon ein neuronales Korrelat des Bewusstseins darstellt. Deshalb ist die typische Kontrastierungsanalyse nicht spezifisch genug und wir wissen nicht, ob neuronale Prozesse, die durch die Kontrastierungsanalyse aufgedeckt werden, direkt die neuronalen Korrelate des Bewusstseins oder eher Prozesse vor der bewussten Wahrnehmung widerspiegeln.
Nicht nur die Vorläuferprozesse der bewussten Warnehmung stellen ein Problem dar. Auch Konsequenzen der bewussten Verarbeitung werden durch die Kontrastierungsanalyse gefunden. Beispielsweise wurden im medialen Temporallappen Neurone gefunden, die nur dann feuern, wenn ein Patient eine Person auf einem Bild bewusst erkennt, aber nicht feuern, wenn der Patient die Person auf dem Bild nicht bewusst wahrnimmt (Quiroga, Mukamel, Isham, Malach, & Fried, 2008). So könnte man vorerst meinen, dass das Feuern dieser Neurone das neuronale Korrelat des Bewusstseins sein könnte. Nach einer Läsion, sprich neuronalen Schädigung des medialen Temporallappens kann man die Welt jedoch weiterhin bewusst wahrnehmen (man hat jedoch Probleme mit dem Gedächtnis und Wiedererkennen). Insofern kann das Feuern dieser Neurone nicht das neuronale Korrelat des Bewusstseins sein und ist eher ein Beispiel für die Konsequenz der bewussten Verarbeitung. Wir behaupten, dass es noch viele andere solcher Vorläuferprozesse und Konsequenzen gibt, die notwendigerweise als Ergebnis bei der Kontrastierungsanalyse auftauchen, und also ist die typische Kontrastierungsanalyse extrem unspezifisch bezüglich der neuronalen Korrelate des Bewusstseins. In anderen Worten: Die typische Kontrastierungsanalyse, bei welcher man experimentelle Bedingungen mit und ohne bewusste Wahrnehmung miteinander vergleicht, wird uns nicht helfen die neuronalen Korrelate des Bewusstseins zu finden.
Wir glauben, dass neue experimentelle Paradigmen entwickelt werden sollten, um die neuronalen Korrelate des Bewusstseins ausfindig zu machen. Wahrscheinlich gibt es kein einfaches Experiment, mit dem man die Vorläuferprozesse und Konsequenzen vollständig vermeiden kann, um damit direkt die neuronalen Korrelate des Bewusstseins zu bestimmen. Eher braucht man viele verschiedene Experimente, die Schritt für Schritt unser Wissen über die neuronalen Korrelate des Bewusstseins erweitern.
In der vorliegenden Arbeit (in Kapiteln 3, 4 und 5) wird ein neues experimentelles Paradigma angewandt. Dieses Paradigma wird nicht alle oben erwähnten Probleme lösen, wird aber hoffentlich erlauben, einige Vorläuferprozesse der bewussten Wahrnehmung von den neuronalen Korrelaten des Bewusstseins auseinanderzuhalten. Der Vorteil unseres experimentellen Paradigmas besteht darin, dass die bewusste Wahrnehmung durch zwei verschiedene Vorläuferprozesse beeinflusst wird. Die Versuchspersonen müssen auf schnell präsentierten und mittels Rauschens undeutlich gemachten Bildern eine Person detektieren. Die experimentellen Bedingungen sind derart gestaltet, dass die Versuchspersonen nicht bei jedem Durchgang die Person auf dem Bild wahrnehmen können. Damit können wir den Wahrnehmungsprozess manipulieren. Bei einer Manipulation variieren wir den Anteil des Rauschens auf dem Bild und damit die sensorische Evidenz. Je weniger Rauschen, desto besser können die Versuchspersonen die Bilder wahrnehmen und desto öfter sehen sie auch bewusst die Person auf dem Bild. Bei der anderen experimentellen Manipulation der Wahrnehmung werden einige Bilder den Versuchspersonen vorher klar und ohne Rauschen gezeigt. Damit erschafft man Wissen über bestimmte Bilder, die später mit Rauschen präsentiert werden. Man kann zeigen, dass solch bestehendes Wissen tatsächlich die Wahrnehmung beeinflusst. Wenn die Versuchspersonen bestehendes Wissen über ein Bild haben, ist es wahrscheinlicher, dass sie die Person auf dem Bild bewusst wahrnehmen. Damit haben wir zwei verschiedene Vorläuferprozesse – sensorische Evidenz und bestehendes Wissen, die beide die bewusste Wahrnehmung beeinflussen. Beide Vorläuferprozesse erhöhen den Anteil der Durchgänge, in welchen die Versuchspersonen die Person auf dem Bild bewusst wahrnehmen.
Mit diesem experimentellen Paradigma möchten wir einige Aussagen über die neuronalen Korrelate des Bewusstseins testen. Wenn über einen neuronalen Prozess behauptet wird, dass er einem neuronalen Korrelat des Bewusstseins entspricht, müsste dieser Prozess von den beiden manipulierten Vorläuferprozessen in ähnlicher Weise beeinflusst werden, da bewusste Wahrnehmung durch beide manipulierten Vorläuferprozessen in ähnlicher Weise erleichtert wird. Wenn aber der Prozess, über den behauptet wird, er sei ein neuronales Korrelat des Bewusstseins, nicht durch beide Manipulationen geändert wird, kann dieser Prozess kein neuronales Korrelat des Bewusstseins sein, da er nicht beeinflusst wird, obwohl die bewusste Wahrnehmung geändert wurde.
Mit diesem experimentellen Paradigma und dieser Logik haben wir zwei unterschiedliche neuronale Prozesse getestet, von denen behauptet wird, dass sie den neuronalen Korrelaten des Bewusstseins entsprechen könnten. In Kapitel 3 wurde untersucht, ob lokale kategorienspezifische Gammabandaktivität die neuronalen Korrelate des Bewusstseins reflektieren könnte. In Kapitel 4 wurde mit diesem experimentellen Paradigma untersucht, ob die neuronale Synchronisierung dem neuronalen Korrelat des Bewusstseins entsprechen könnte.
Unsere Arbeit im Kapitel 3 baut auf der von Fisch und Kollegen (2009) auf. Fisch und Kollegen (2009) zogen aus ihrer experimentellen Arbeit den Schluss, dass lokale kategorienspezifische Gammabandaktivität die neuronalen Korrelate des Bewusstseins reflektieren könnte. Sie hatten Elektroden auf dem visuellen Kortex von Epilepsiepatienten implantiert und von diesen Elektroden die Gammabandaktivität abgeleitet. Im ersten Schritt suchten sie nach Elektroden, die kategorienspezifische Antworten zeigen. Bei den kategorienspezifischen Elektroden ist die Gammabandaktivität abhängig vom präsentierten Stimulusmaterial. Zum Beispiel kann man bei einer Elektrode auf dem Fusiform Face Area starke Gammabandaktivität nur dann messen, wenn ein Gesicht auf dem Bild zu sehen ist. Die Autoren benutzten solche kategorienspezifischen Elektroden, um nach den neuronalen Korrelaten des Bewusstseins zu suchen. Sie zeigten den Patienten Bilder von Gesichtern, Häusern und Objekten, die direkt nach der kurzen Präsentation maskiert wurden, so dass die Patienten nur bei manchen Durchgängen erkannten, was auf dem Bild war, bei anderen Durchgängen nicht. Dies entspricht der typischen Kontrastierungsanalyse. Die Ergebnisse haben klar gezeigt, dass bei diesen kategorienspezifischen Elektroden die Gammabandaktivität erhöht wurde, als die Patienten bewusst wahrnahmen, was auf dem Bild zu sehen war. Aus diesen Ergebnissen zogen die Autoren den Schluss, dass lokale kategorienspezifische Gammabandaktivität dem neuronalen Korrelat des Bewusstseins entspricht. Diese Aussage wollten wir mit unserem experimentellen Paradigma testen.
Um diese Behauptung zu untersuchen, erhoben wir sehr ähnliche Daten wie Fisch et al. (2009) und analysierten die Daten auf ähnliche Weise. Unsere experimentelle Frage war, ob die lokale kategorienspezifische Gammabandaktivität durch unsere beiden Manipulationen – sensorische Evidenz und bestehendes Wissen – in ähnlicher Weise erhöht wird. Dies sollte der Fall sein, wenn die lokale kategorienspezifische Gammabandaktivität dem neuronalen Korrelat des Bewusstseins entspricht, da sensorische Evidenz und bestehendes Wissen beide den Anteil der Durchgänge, in welchen die Versuchsperson die Person auf dem Bild bewusst wahrnimmt, erhöhen. Dieses Ergebnis wurde nicht gefunden. Stattdessen fanden wir, dass die lokale kategorien-spezifische Gammabandaktivität nur durch sensorische Evidenz erhöht wurde, bestehendes Wissen aber keinen Effekt auf diese Aktivierung hatte. Da bestehendes Wissen auch den Anteil der Durchgänge mit bewusster Wahrnehmung erhöht, die kategorienspezifische Gammabandaktivität aber nicht durch bestehendes Wissen erhöht wurde, kann man schlussfolgern, dass die kategorienspezifische Gammabandaktivität nicht die neuronalen Korrelate des Bewusstseins reflektieren kann.
Als nächstes (Kapitel 4) haben wir die Hypothese getestet, dass Synchronizität dem neuronalen Korrelat des Bewusstseins entspricht. Um diese Idee zu testen, maßen wir mittels Magnetoenzephalographie die magnetischen Felder des Gehirns, schätzten aus diesen Daten mittels Beamforming die neuronalen Aktivitätsquellen und quantifizierten die Synchronizität zwischen diesen Quellen. Wenn die interareale Synchronizität dem neuronalen Korrelat des Bewusstseins entspräche, sollte die Synchronizität für Bedingungen mit mehr sensorischer Evidenz und mit bestehendem Wissen erhöht sein. Dies wurde nicht beobachtet. Wir fanden, dass Synchronizität (gemittelt über die Quellen) nur bei den Bildern erhöht war, für die bestehendes Wissen vorlag. Ein ähnlicher Effekt für sensorische Evidenz wurde nicht gefunden. Insofern können wir sagen, dass unsere Befunde dagegen sprechen, dass neuronale Synchronizität den Mechanismus für Bewusstsein darstellt. Allerdings können wir das in diesem Fall auch nicht völlig ausschließen, denn Synchronizität könnte die Informationsverarbeitung auf einem kleineren Maßstab koordinieren als wir es mit dem MEG messen können (Singer, in press).
Im Kapitel 5 untersuchten wir, wie schnell bestehendes Wissen bewusste Verarbeitung beeinflussen kann. Um dies herauszufinden machten wir uns die intraindividuellen Unterschiede der perzeptuellen Leistung zu Nutze. Wir fanden, dass bestehendes Wissen bewusste Verarbeitung schon innerhalb der ersten 100 Millisekunden nach der Präsentation des Reizes beeinflusst. Wir beobachteten auch, dass ein größerer perzeptueller Effekt des bestehenden Wissens in geringerer neuronaler Aktivität in Durchgängen mit bestehendem Wissen hervorruft. Diese Ergebnisse sind im Einklang mit Theorien, die besagen, dass unsere Wahrnehmung bestehendes Wissen nutzt, um vorherzusagen, wie die visuelle Welt sich ändert und um die neuronalen Antworten zu verringern (Friston, 2010).
In der vorliegenden Arbeit wurde diskutiert, warum die typische Kontrastierungsanalyse uns nicht zu den neuronalen Korrelaten des Bewusstseins führen kann. Wir schlugen vor, dass neue experimentelle Paradigmen nötig sind, um näher an die neuronalen Korrelate des Bewusstseins heranzukommen. Es wurde ein neues Paradigma benutzt, um zwischen Vorläuferprozessen und neuronalen Korrelate des Bewusstseins zu unterscheiden. Mit diesem Paradigma wurden zwei sehr unterschiedliche Hypothesen getestet und gefunden, dass die kategorienspezifische Gammabandaktivität nicht die neuronalen Korrelate des Bewusstseins widerspiegeln kann. Wir hoffen, dass unsere Experimente eine Entwicklung von vielen weiteren und besseren experimentellen Paradigmen stimuliert, die zwischen den Vorläuferprozessen, den Konsequenzen und den eigentlichen Korrelaten des Bewusstseins unterscheiden können. Wenn man über die Kontrastierungsanalyse hinausgeht, kann man die gegenwärtigen Theorien des Bewusstseins testen und damit Schritt für Schritt näher an die neuronalen Grundlagen des Bewusstseins kommen.
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.
Which factors determine whether a stimulus is consciously perceived or unconsciously processed? Here, I investigate how previous experience on two different time scales – long term experience over the course of several days, and short term experience based on the previous trial – impact conscious perception. Regarding long term experience, I investigate how perceptual learning does not only change the capacity to process stimuli, but also the capacity to consciously perceive them. To this end, subjects are trained extensively to discriminate between masked stimuli, and concurrently rate their subjective experience. Both the ability to discriminate the stimuli as well as subjective awareness of the stimuli increase as a function of training. However, these two effects are not simple byproducts of each other. On the contrary, they display different time courses, with above chance discrimination performance emerging before subjective experience; importantly, the two learning effects also rely on different circuits in the brain: Moving the stimuli outside the trained receptive field size abolishes the learning effects on discrimination ability, but preserves the learning effects on subjective awareness.
This indicates that the receptive fields serving subjective experience are larger than the ones serving objective performance, and that the channels through which they receive their information are arranged in parallel. Regarding short term experience, I investigate how memory based predictions arising from information acquired on the trial before affect visibility and the neural correlates of consciousness. To this end, I vary stimulus evidence as well as predictability and acquire electroencephalographic data.
A comparison of the neural processes distinguishing consciously perceived from unperceived trials with and without predictions reveals that predictions speed up processing, thus shifting the neural correlates forward in time. Thus, the neural correlates of consciousness display a previously unappreciated flexibility in time and do not arise invariably late as had been predicted by some theorists.
Admittedly, however, previous experience does not always stabilize perception. Instead, previous experience can have the reverse effect: Seeing the opposite of what was there, as in so-called repulsive aftereffects. Here, I investigate what determines the direction of previous experience using multistable stimuli. In a functional magnetic resonance imaging experiment, I find that a widespread network of frontal, parietal, and ventral occipital brain areas is involved in perceptual stabilization, whereas the reverse effect is only evident in extrastriate cortex. This areal separation possibly endows the brain with the flexibility to switch between exploiting already available information and emphasizing the new.
Taken together, my data show that conscious perception and its neuronal correlates display a remarkable degree of flexibility and plasticity, which should be taken into account in future theories of consciousness.