Kernkonzepte der kognitiven Neuropsychologie

Trägt eine neuronale Struktur zu einer Fähigkeit bzw. Aufgabe bei, dann beeinträchtigt die Dysfunktion dieser Struktur die Leistung bei dieser Aufgabe

Läsionenstudien haben wichtige Erkenntnisse über die Beziehung zwischen Gehirn und Verhalten geliefert.

Die kognitive Neuropsychologie möchte Aufgaben entwerfen, mit denen bestimmte

• Hypothesen über die Beziehungen zwischen Gehirn und Funktionen

getestet werden können.

1. Erklärung von Leistungsprofilen

• Muster von vollständig oder teilweise beeinträchtigten kognitiven Leistungen (d.h. psychischen Funktionen) bei hirngeschädigten, neurologischen Patienten beschreiben

• Muster von unbeeinträchtigten, erhaltenen kognitiven Leistungen eines hirngeschädigten Patienten erkennen

• Interpretation im Sinne einer Schädigung von einer oder mehrerer Komponenten innerhalb eines (kognitiv-) psychologischen Modells

2. Rückschlüsse auf unbeeinträchtigte kognitive Prozesse bei Gesunden

• Aufstellen kognitiv-neuropsychologischer Modelle und Theorien der Informationsverarbeitung mit Hilfe von Leistungsprofilen bei Hirnschädigungen

• Kann eine Hirnschädigung tatsächlich selektiv bestimmte Funktionen “ausschalten”?

• bedeutet ähnliche Symptomatik (“Syndrome”) auch homogene funktionelle Hirnorganisation?

• macht es Sinn, Funktion losgelöst von der neuronalen Implementierung zu betrachten?

• sind theoretische Modellierungen nicht auch sehr sinnvoll?

‘Starke’ Version (Caramazza 1984, 1986):

• kognitiv-neuropsychologische Modelle lassen sich hauptsächlich aus Untersuchungen an hirngeschädigten Patienten ableiten.

  • ohne Erklärungen über die Beziehungen zwischen Gehirn und kognitiven Prozessen machen zu müssen

‘Schwache’ Version:

• Untersuchungen an hirngeschädigten Patienten sind vor allem hilfreich, um Einschränkungen/Geltungsbereich von Theorien normaler kognitiver Verarbeitung festzulegen und um Informationen/ Anregungenfür die Theoriebildung zu gewinnen.

“Why sit on a one-legged [chair] when one can use a three legged one?” (Kosslyn und Intriligator, 1992)

ABER: auch neuronale Implementierung (Neurowissenschaft) und computationale Modellierung(Informatik) dind wichtig zum Erkenntnisfortschritt!

Da ein grundlegendes Ziel der kognitiven Neuropsychologie darin besteht,

• funktionale Architekturen kognitiver Systeme zu entdecken, und da eine funktionale Architektur eine

• Konfiguration von Modulen ist,

wird die kognitive Neuropsychologie nur dann etwas erreichen, wenn kognitive Systeme tatsächlich Konfigurationen von Modulen sind.

1. Funktionale Modularität

2. Anatomische Modularität

3. Einheitliche funktionale Architektur bei Menschen

4. Subtraktivität

eine grafische, theoretische oder andere Art der Darstellung eines Konzepts oder grundlegender Verhaltens- oder Körperprozesse (z. B. einer Störung), die für verschiedene Untersuchungs- und Demonstrationszwecke verwendet werden kann, z. B. um das Verständnis des Konzepts oder Prozesses zu verbessern, Hypothesen aufzustellen, Beziehungen aufzuzeigen oder epidemiologische Muster zu erkennen.

Läsion-Symptom-Dissoziation als Werkzeug

• Läsionsstudien bauen auf der Annahme auf, dass Hirnschädigungen eliminativ sind

  • dass Hirnschädigungen die Verarbeitungsfähigkeit der betroffenen Struktur stören oder eliminieren.

-> Wir nehmen an, dass eine Schädigung des Hirngebiets X zu einer Beeinträchtigung der Leistung bei Aufgabe A führt. Eine Schlussfolgerung ist, dass das Gebiet X zur Verarbeitung von Aufgabe A beiträgt.

Eine komplexe kognitive Aufgabe besteht aus vielen Teiloperationen.

• Wenn wir nur die Gesichtserkennungsfähigkeit testen, wissen wir nicht, welche Komponentenoperation oder Operationen bei Läsionen im Bereich X beeinträchtigt sind.

Wenn eine Läsion des Hirnareals A die Fähigkeit eines Patienten beeinträchtigt, die Funktion X auszuführen, nicht aber die Funktion Y, dann können wir sagen, dass Hirnareal A und Funktion X assoziiert sind, während Hirnareal A und Funktion Y dissoziiert sind.

z.B., eine Schädigung des Broca-Areals in der linken Hemisphäre beeinträchtigt die Sprachproduktion, aber nicht das Sprachverständnis

Einfache Dissoziation

Die Probleme mit deren Interpretation

• Aus dieser Beobachtung könnten wir ableiten, dass die Funktion X und Y unterschiedliche Hirnareale nutzen. Aber mit nur einer einfachen Dissoziation würden wir voreilige Schlüsse ziehen.

Wir könnten stattdessen andere Schlüsse ziehen:

• beide Funktionen benötigen den Bereich A, aber Funktion Y benötigt nicht so viele Ressourcen aus dem Bereich A wie Funktion X,

• der schädliche Bereich A hat eine größere Wirkung auf Funktion Y als auf Funktion X,

• beide Funktionen benötigen den Bereich A, aber Funktion X benötigt sowohl die Bereiche A als auch B.

• Zwei Aufgaben A und B beanspruchen eine kognitive/neuronale „Ressource“in unterschiedlichem Ausmaß (d.h.eine Aufgabe ist schwieriger alsdie andere)

• Hirnschädigung kann dieverfügbare Menge der Ressource reduzieren

• Kann einfache Dissoziation erklären, ohne dass separate Systeme angenommen werdenmüssen

Capgras Syndrome

• ist ein sehr seltenes Syndrom, bei dem der Betroffene glaubt, nahestehende Personen seien durch identisch aussehende Doppelgänger ersetzt worden.

• Schädigung des Areals A beeinträchtigt die Fähigkeit beeinträchtigt, Aufgabe X zu erledigen, aber nicht Aufgabe Y

UND

• Schädigung des Areals B beeinträchtigt die Fähigkeit, Aufgabe Y zu erledigen, aber nicht Aufgabe X

Es wird festgestellt, dass eine experimentelle Variable eines der Systeme beeinflusst, während eine zweite Variable das andere beeinflusst.

Die differenzierenden Variablen können experimentell, pharmakologisch, neurologisch oder individuell unterschiedlich sein.

Doppelte Dissoziationen können auch beim Vergleich von Gruppen gesucht werden. D.h., wenn Gruppe 1 bei Aufgabe X (aber nicht bei Aufgabe Y) und Gruppe 2 bei Aufgabe Y

(aber nicht bei Aufgabe X) beeinträchtigt ist.

Eine doppelte Dissoziation gibt Aufschluss darüber, ob zwei kognitive Funktionen unabhängig voneinander sind - etwas, das eine einfache Assoziation nicht leisten kann.

Doppelte Dissoziationen bieten den stärksten neuropsychologischen Beweis dafür, dass ein Patient oder eine Patientengruppe ein selektives Defizit in einer bestimmten kognitiven Funktion aufweist.

Doppelte Dissoziation würde für separate Systems für die Verarbeitung von Vokalen und Konsonanten sprechen.

ABER:

• Systeme müssen nicht anatomisch distinkt sein (könnten auch zwei überlappende Netzwerke sein)

• Die Kodierung von Vokalen bzw.Konsonanten muss nicht die einzige Funktion dieser Neuronen sein

• Spezialisierung könnte auch graduell sein

• Eine doppelte Dissoziation in der (visuellen) Verarbeitung von Objekten gegenüber Wörtern ist nicht kontrovers, da die Existenz unterschiedlicher Verarbeitungsmechanismen für beide Arten visueller Informationen gut belegt ist.

  • ABER: Nicht alle Fälle von doppelten Dissoziationen sind allgemein akzeptiert.

  • Weitaus kontroverser ist die Existenz von doppelten Dissoziationen bei‘kategoriespezifischen' semantischen Störungen (z.B. Probleme beim Benennen von Personen vs. Tieren vs. Werkzeugen)

Berichtet wurden folgende relevanten Leistungsunterschiede:

• Unterschiede im Zugriff/Abruf aus dem semantischen Speicher gegenüber Störungen des semantischen Speichers selbst

• Unterschiedliche Störungen je nach Modalität (verbal gegenüber visuell)

• Unterschiedliche Störungen je nach Art der semantischen Attribute (perzeptuell gegenüber nichtperzeptuell funktional)

• Deutliche Leistungsunterschiede im Benennen von belebten gegenüber unbelebten Objekten (‘living’ vs. ‘non-living’) -> evolutionär bedingt

Verschiedene Klassen von Theorien zur Erklärung, warum kategorie-spezifische Defizite auftreten:

• Sensorisch-funktionale Theorien:

• Korrelative Theorien

• Theorien bereichspezifischen Wissens

konzeptuelles Wissen nicht in Kategorien organisiert:

• kategorie-spezifische Defizite als Folge der relativen Wichtigkeit perzeptuellen Wissens (zur Unterscheidung von Lebewesen) gegenüber nichtperzeptuellem funktional/assoziativem Wissen (Unterscheidung von Werkzeugen)

Diese Theorien besagen, dass die kategorienbezogene Verarbeitung von Objekten auf der Grundlage der sensorischen und funktionalen Eigenschaften der Objekte erfolgt.

Korrelative Theorien:

• Items einer semantischen Kategorie mit vielen gemeinsame Eigenschaften, die wegen Implementierung in benachbarten neuronalen Strukturen auch gemeinsam von einer Hirnschädigung betroffen sein können

Theorien bereichspezifischen Wissens:

• Wissen ist in weiten, für die evolutionäre Entwicklung relevanten konzeptuellen Kategorien organisiert.

• Evolutionäre Zwänge haben zur Ausbildung hoch spezialisierter neuronaler Mechanismen zum schnellen Wiedererkennen bestimmter Wissenskategorien geführt: Zu den überlebenswichtigen Kategorien gehören Artgenossen, Tiere, Pflanzen und Werkzeuge sowie eventuell auch Körperteile.

Eine zentrale Annahme der kognitiven Neuropsychologie ist, dass der kognitive Denkapparat des Menschen modular organisiert ist: d.h. er ist in verschiedene Subsysteme untergliedert, die auf spezielle kognitive Operationen spezialisiert sind und i.d.R. autonom von anderen Subsystemen arbeiten können.

• Insbesondere für serielle Modelle als sogenanntes 'Prinzip eines modularen Designs' beschrieben (z.B. Marr 1982)

• Modularität erlaubt, dass Informationsverarbeitungsmodelle leicht modifiziert werden können: Hinzufügen/Verändern einer Teilkomponente, ohne dass alle anderen Komponenten ebenfalls verändert werden müssen.

• Neues Modul bzw. Teilkomponente leicht hinzufügbar und mit bestehenden Modulen verbindbar (Ellis, 1987)

Jerry Fodor, The Modularity of Mind (1983)

Eine sehr allgemeine Theorie der Perzeption und Kognition.

Funktionale Taxonomie kognitiver Strukturen bzw. Informationsverarbeitungsprozesse:

• Sinnesorgane (transducers; Deutsch: Aufnehmer/Umwandler)

• Zentrale Systeme oder Verarbeitungsinstanzen

  • Zugriff auf Informationen aus verschiedenen Bereichen (central processors)

  • bereichsunabhängig, verarbeiten eine unspezifische Art von Informationen (z.B. Gedächtnis, Aufmerksamkeit, exekutive Funktionen)

• Module

  • Input-Systeme

  • bereichsspezifisch, verarbeiten nur eine bestimmte Art von Informationen (z.B., Farbe, Form, Wörter, Gesichter)

Module sind spezialisierte Systeme, die für das Überleben und die Anpassung an die Umwelt verantwortlich sind und deren Funktion (ganz oder teilweise)

1. domänenspezifisch

2. neuronal spezifisch oder fest verdrahtet (hardwired)

3. schnell und autonom

4. immun gegen Erwartungen, oder informationell gekapselt

5. von angeborener Spezifikation

ist

Nach Fodor gibt es 9 mehr oder weniger voneinander unabhängige, typische (aber nicht notwendige!) Eigenschaften eines jeden kognitiven Moduls.

1. Bereichsspezifität (domain specificity) —> beschränkt auf spezifische Typen/Klassen von Informationen

2. Notwendige, automatische (reflexhafte) Arbeitsweise (mandatory operation)

3. Schnelle Arbeitsweise (fast operation)

4. Beschränkte Zugriffsmöglichkeit (limited central access) —> unterstehen nicht der bewussten Kontroll

5. Hermetische Abgeschlossenheit (informational encapsulation) —> Geringes Ausmaß an Interaktion zwischen Modulen

6. Oberflächlicher, einfacher Output (shallow output) —> z.B. im Sinne von ja/nein

7. Assoziiert mit einer festen neuronalen Architektur (association with fixed neural architecture)

8. Charakteristische und spezifische Schädigungsmuster etwa bei Hirnschäden (characteristic and specific breakdown patterns)

9. Charakteristisches Entwicklungsmuster (fixed ontogeny of characteristic pace and sequencing, innately specified) nach spezifischem, genetisch determiniertem Muster unter Einfluss von Umgebungsauslösern

Generelle These von Fodor:

• nur Module sind einer wissenschaftlichen Analyse zugänglich. Zentrale Verarbeitungsinstanzen entziehen sich einem strengen wissenschaftlichem Zugang im Kontext der kognitiven Neuropsychologie.

Die 9 Merkmale in Gesamtheit nicht notwendig für ein modularer System

• Coltheart (1999): v.a. Bereichsspezifität ist wichtig, d.h. Ansprechen nur auf eine bestimmte Klasse von Stimuli, z.B. Gesichter, aber nicht auf eine andere (visuell angebotene Objekte, geschriebene Wörter oder gesprochene Wörter)

Liste von 9 Eigenschaften zu restriktiv (d.h. einschränkend)

Neuropsychologische Daten können Modularität eines Systems à la Fodor nie definitiv nachweisen

• Shallice (1988): Alternativkonzept von ‘funktionellen’ oder ‘isolierbaren’ Teilsystemen praktikabler? —> Offene Frage: Bis zu welcher Verarbeitungstiefe sensorischer Stimuli gilt Bereichsspezifität und wie 'abstrakt' (d.h. nicht-sensorisch) kann ein kognitives InputSystem (d.h. Modul) sein?

  AUSSERDEM: Für traditionell als zentral angesehene Systeme (visuelle Aufmerksamkeit, semantisches Gedächtnis, Kontroll- und Exekutivfunktionen) gibt es z.B. auch Belege für selektive Beeinträchtigungen durch Hirnschädigungen.

Vorteil der modularer Systeme = schnell, effizient und isoliert von anderen kognitiven Prozessen Module im genetischen Code festgelegt

• Domänenspezifizität ist nicht angeboren

• Nicht alle Modulare Systeme könnten angeboren sein -> z.B. das Lesen

• Module sind nicht von anderen kognitiven Prozessen isoliert - Hinweise auf Interaktivität

Informationsverarbeitungsansatz

Informationsfluss zwischen diskreten Verarbeitungskomponenten bzw. logischen Verarbeitungsschritten vom Input (Aufnahme von Information) zum Output (Reaktion/Handeln auf Basis von Information)

Transformation und Manipulation dieser Information innerhalb der verschiedenen Stufen/Komponenten durch mentale Strategien

Annahme I:

• Information ist in “Systemzuständen” repräsentiert und wird durch mentale Operationen umgewandelt

Annahme II:

• Informationsverarbeitung ist mit dem Informationsfluss eines Computers vergleichbar (sequenzielle Verarbeitung von begrenzten Informationen in Subsystemen)

• Verschiedene Arten von Repräsentation sind möglich (z.B. Symbole, Perzepte, Gedanken)

• Verschiedene Arten/Modalitäten von Informationsverarbeitungsprozessen sind möglich (z.B: visuell, auditorisch, motorisch, ... )

• Es gelten bestimmte allgemeine Regeln und Gesetzmäßigkeiten der Informationsverarbeitung

Wichtigste Methode der KONP zur Analyse der Bestandteile eines mentalen Informationsverarbeitungsprozesses

• misst nicht die Zeitdauer einzelner Stufen, sondern prüft lediglich die Unabhängigkeit (Additivität) der kognitiven Faktoren (Komponenten), die die Reaktion/Entscheidung bedingen und aus denen sich die Reaktionszeit zusammensetzt.

• Die Zeitspannen für die Verarbeitungsstufen sind in ihrem Einfluss auf die Gesamtdauer eines Prozesses additiv (additive Kombinationsregel)

• Jede Stufe (und damit ihre Zeitspanne) kann unabhängig von anderen Verarbeitungsstufen durch experimentelle Manipulation beeinflusst werden (separate Beeinflussbarkeit) —> dies spricht dann für funktionale Unabhängigkeit der beiden Prozessstufen (Modularität)

große Fülle experimenteller Belege, dass für viele mentale Prozesse serielle Verarbeitung anzunehmen ist:

• Abruf von Information aus dem Gedächtnis

• Absuchen einer visuellen Vorlage

• Vergleich von zwei visuell dargebotenen Objekten

• Entscheidung darüber, ob eine Anreihung von Buchstaben ein Wort ist

• separate und selektive Modifizierbarkeit/Beeinflussbarkeit durch jeweils einen experimentellen Faktor wird als entscheidendes Kriterium für die Existenz dieses Teilprozesses bewertet

ähnliche Logik ist auch für neuronale Prozessen in Studien mit ereigniskorrelierten Potentialen (EEG) oder funktioneller Bildgebung wie der fMRT verwendbar

nochmal nachschauen auf den Folien!!

Eine Verarbeitungsstufe wird definiert als ein unabhängig modifizierbarer Teilprozess eines komplexen gesamten Informationsverarbeitungsprozesses

• methodisches Vorgehen der experimentellen Gedächtnispsychologie

• Proband wird aufgefordert, einige Items (z.B. Ziffern) im Gedächtnis zu behalten. Die danach folgende Frage, ob sich eine bestimmte Ziffer unter den zu merkenden Items befand, soll er so schnell wie möglich beantworten.

• Wird die Zahl der Items erhöht, steigt die Reaktionszeit zum Beantworten der Frage (ausgehend von einem Schwellenwert, der nicht unterschritten wird) linear mit der Anzahl der Items an.

• Erklärt wird dieser Befund dadurch, daß eine bestimmte Zeit notwendig ist, um den Reiz zu enkodieren, dann muß der Reiz mit jedem der Vergleichsreize verglichen werden, was etwa 38 msec pro Reiz erfordert. Schließlich muß noch die Antwort generiert werden(Informationsverarbeitung).

• Additive Faktorenmethode vorwiegend bei der Analyse von mentalen Prozessen in Experimenten mit Reaktionszeit als abhängige Variable (AV)

  
  

• beschränkt auf Nachweis von Komponenten oder Teilprozessen, die seriell als eine Abfolge von Verarbeitungsstufen (stages) angeordnet sind bzw. ablaufen

s. unser Beispiel: visuelle Verarbeitung (Notation) —> Zahlenverarbeitung (numerischer Vergleich) —> Umsetzung in Reaktion (Antwortseite)

• nicht alle Informationsverarbeitung ist darstellbar als sequentielle Abfolge von Informationsverarbeitungsschritten

• viele kognitive Modelle enthalten zum Beispiel ein Element der Interaktivität und der parallelen Verarbeitung.

• Problematisch: es wird angenommen, dass Prozesse rein seriell (nacheinader) ablaufen;parallel (zeitlich überschneidend) ablaufende mentale Prozesse bleiben unberücksichtigt, obwohl diese durchaus existieren

Computational und Konnektionistische Modelle

Interaktivität

• Verarbeitungsphasen sind nicht streng voneinander getrennt

• Spätere Phasen der Bearbeitung können beginnen, bevor frühere Phasen abgeschlossen sind.

• Spätere Phasen können das Ergebnis früherer Phasen beeinflussen (Top-down-Verarbeitung, im Gegensatz zur Bottom-up-Verarbeitung).

  
  

Parallele Verarbeitung:

• Informationsverarbeitung, bei der zwei oder mehr Abfolgen von Operationen gleichzeitig von unabhängigen Prozessoren ausgeführt werden.

• Die Repräsentation von Informationen sind als Aktivierungsmuster über eine reichlich verbundene Menge hypothetischer neuronaler Einheiten verteilt, die interaktiv und parallel zueinander funktionieren.

Top-Down vs Bottom-up Verarbeitung

Es gibt zwei allgemeine Prozesse, die an der Sensorik und der Wahrnehmung beteiligt sind.

Die Bottom-up-Verarbeitung bezieht sich auf die Verarbeitung von Sinnesinformationen, die gerade eintreffen.

Bottom-up bezieht sich auf die Art und Weise, wie sie aus den kleinsten sensorischen Informationen aufgebaut wird.

Top-down-Verarbeitung hingegen bezieht sich auf die Wahrnehmung, die durch Kognition gesteuert wird. Unser Gehirn wendet an, was es weiß und was es zu erkennen erwartet und füllt sozusagen die Lücken aus.

• gehen davon aus, dass Wissen durch die Verbindungen zwischen den im Gehirn gespeicherten Repräsentationen kodiert wird und

  = nicht durch die Repräsentationen selbst

• Wissen ist nicht lokalisiert, sondern verteilt ist & wird durch die Verteilung der Aktivierung zwischen den Verbindungen abgerufen

• Das Konzept des konnektionistischen Modells wurde auf die künstliche Intelligenz ausgeweitet, insbesondere auf die neuronalen Netzwerkmodelle zur Problemlösung.

Architektonischen Merkmalen

• Sie bestehen aus Reihen einfacher informationsübertragender Einheiten = die Knoten (nodes)

• Knoten: Die Grundeinheiten von neuronalen Netzwerkmodellen, die als Reaktion auf die Aktivität in anderen Teilen des Netzwerks aktiviert werden.

• Die Reaktionsfähigkeit eines Knotens hängt davon ab, wie stark er mit anderen Knoten im Netzwerk verbunden ist (das "Gewicht" der Verbindung) und wie aktiv die anderen Knoten sind.

• Es ist möglich, mathematisch zu berechnen, wie der Ausgang eines jeden Knotens aussehen würde, wenn man eine Reihe von Eingangsaktivierungen und eine Reihe von Gewichten hätte.

Argumente und Gegenargumente

Vorteile

• Das Modell kann sich entwickeln und lernen - Verarbeitung großer Datenmenge - Parallele Verarbeitung

Aber... Haben Sie "neuronale Plausibilität" ?