Professur für Allgemeine Psychologie. Vorlesung im WS 2013/14. Lernen und Gedächtnis. Arbeitsgedächtnis. Prof. Dr. Thomas Goschke

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1 Professur für Allgemeine Psychologie Vorlesung im WS 2013/14 Lernen und Gedächtnis Arbeitsgedächtnis Prof. Dr. Thomas Goschke

2 Literaturhinweise zum Kurzzeit- und Arbeitsgedächtnis Lehrbuchkapitel Gluck, M.A., Mercado, E. & Myers, C.E. (2008). Learning and memory. From brain to behavior. New York: Worth Publ. Kapitel 5. Zur Vertiefung Baddeley, A.D. (2007). Working memory, thought and action. Oxford: Oxford University Press. Übersichtsartikel Baddeley, A.D. (2003). Nature Reviews Neuroscience, 4,

3 Überblick Baddeleys Modell des Arbeitsgedächtnisses Empirische Evidenz für die phonologische Schleife Empirische Evidenz für den visuell-räumlichen Notizblock Kognitive Neurowissenschaft des Arbeitsgedächtnisses 3

4 Rekapitulation: Atkinson und Shiffrins Mehrspeichermodell Worth Publishers Speicherung KZG Aufrechterhaltung durch Rehearsal (bewusst) LZG Permanente Speicherung (unbewusst) Format Modalitätsspezifisch Multimodal (insb. semantisch) Kapazität ca. 4-7 Chunks Keine bekannte Grenze Vergessen Interferenz; Zerfall (?) Interferenz; ineffiziente Abrufhinweise; Zerfall (?) Dauer Ohne Rehearsal sehr kurz (<1 Min.) Bis zu Jahren

5 Das Arbeitsgedächtnismodell von Baddeley Baddeley & Hitch, 1974; Baddeley, 1986 Definition Working memory : a system for temporarily holding and manipulating information as part of a wide range of essential cognitive tasks such as learning, reasoning, and comprehending (Baddeley, 1990) Betonung der Funktionen des KZG für kognitive Leistungen: Z.B. Lernen, Problemlösen, Kopfrechnen, Sprachverstehen Zentrale Annahme: modalitätsspezifische Teilsysteme zur aktiven Aufrechterhaltung räumlich-visueller und phonologischer Informationen 7

6 Neuropsychologische Evidenz für modalitätsspezifische Kurzzeitspeicher % Korrekt erinnerte Items Patient K.F. (Shallice & Warrington, 1970) Läsion des linken perisylvischen Kortex extrem schlechtes Kurzzeitgedächtnis für akustisch dargebotene Buchstaben / Zahlen Aber: intaktes Kurzzeitgedächtnis für visuelle Reize Kurzzeitgedächtnis ist kein einheitliches System Modalitätsspezifische Speicher Akustisch Visuell 1 Item 2 Items 3 Items

7 Arbeitsgedächtnismodell Baddeley & Hitch, 1974; Baddeley, 1986 Zentrale Exekutive Kontrolle der beiden anderen Subsysteme (modalitätsunspezifisch) Visuell-räumlicher Notizblock (visuo-spatial sketch pad) Aufrechterhaltung visuell-räumlicher Informationen ( imagery ) Phonologische Schleife (phonological loop) Aufrechterhaltung sprachlicher Information durch inneres Sprechen 12 Imagery Rehearsal

8 18 Phonologische Schleife

9 Aktuelles Modell der phonologischen Schleife Phonologischer Speicher Akustische Sprachinformation hat direkten Zugang zum phonologischen Speicher Ohne Rehearsal zerfällt Information innerhalb von 1,5 2 Sekunden Phonologischer Output-Buffer Information gelangt vom phonologischen Speicher in den Output-Buffer Sprachproduktion Artikulatorischer Kontrollprozess: Rehearsal Inhalt des phonologischen Speichers kann durch inneres Sprechen aufrecht erhalten werden Phonologische Rekodierung Visueller Sprachinput kann in phonologischen Kode transformiert werden Zugang zum phonologischen Speicher 19 Baddeley, A.D. (2003). Nature Reviews Neuroscience, 4,

10 Evidenz für die phonologische Schleife Phonemischer Ähnlichkeitseffekt pen day sup etc. big huge great etc. old late thin etc. Ähnlich klingende Worte werden kurzzeitig schlechter behalten als unähnliche Wort Fehler sind häufig ähnlich klingende Worte man mad cap etc. List A List B List C List D Information wird in einem phonologischen Kode aufrecht erhalten Ähnlich klingende Wörte haben ähnliche phonologische Repräsentation sind beim Reproduzieren schlechter zu diskriminieren 24

11 Phonemischer Ähnlichkeitseffekt und Langzeitgedächtnis Gleiche Wortlisten wurden mehrmals gezeigt Gedächtnistest nach 20 Minuten man 100 mad cap 80 etc. 60 pen day sup etc. big huge great etc. old late thin etc. LZG wird durch semantische Ähnlichkeit beeinträchtigt Fehler sind oft bedeutungsähnliche Worte 25 0 List A List B List C List D

12 Empirische Evidenz für die phonologische Schleife 1. Phonemischer Ähnlichkeitseffekt 2. Wortlängeneffekt 26

13 Evidenz für die phonologische Schleife Wortlängeneffekt 27 Baddeley et al. (1975)

14 Evidenz für die phonologische Schleife Wortlängeneffekt Je länger Worte sind umso längere Lesezeit umso kleinere Gedächtnisspanne 29 Baddeley, Thomson & Buchanan (1975)

15 Evidenz für die phonologische Schleife Wortlänge und Leserate Reproduktionsleistung steigt mit der Lesegeschwindigkeit Längere Worte benötigen mehr Zeit, umso innerlich wiederholt zu werden weniger Worte können aufrecht erhalten werden Aussprechdauer (nicht Zahl der Silben) ist entscheidend (Sprechdauer kann bei konstanter Silbenzahl variieren: z.b. bishop vs. harpoon) 31

16 Evidenz für die phonologische Schleife Sprechgeschwindigkeit Mit dem Alter steigt Lese- und Sprechgeschwindigkeit Gedächtnisspanne Beide Effekte sind hoch korreliert 32 (Hulme, Thomson, Muir & Lawrence, 1984).

17 Empirische Evidenz für die phonologische Schleife 1. Phonemischer Ähnlichkeitseffekt 2. Wortlängeneffekt 3. Lesegeschwindigkeit 4. Irrelevanter Spracheffekt 35

18 Empirische Evidenz für die phonologische Schleife Irrelevanter Spracheffekt Colle & Welsh (1976): Versuchspersonen wurde visuell eine Liste von Konsonanten dargeboten, während gleichzeitig ein irrelevanter Text in einer fremden Sprache (Deutsch) vorgelesen wurde Stille herrschte Serielle Reproduktion war schlechter, wenn der irrelevante Text vorgelesen wurde 36

19 Empirische Evidenz für die phonologische Schleife Erklärung des irrelevanten Spracheffekts Irrelevante Sprache hat direkten Zugang zum phonologischen Speicher und stört Aufrechterhaltung anderer Information Salame & Baddeley (1987): Lärm (ohne Sprachlaute) stört Reproduktion nicht! Phonologischer Speicher basiert auf phonologischem Kode 37

20 Empirische Evidenz für die phonologische Schleife 1. Phonemischer Ähnlichkeitseffekt 2. Wortlängeneffekt 3. Lesegeschwindigkeit 4. Irrelevanter Spracheffekt 5. Artikulatorische Suppression 38

21 Empirische Evidenz für die phonologische Schleife Artikulatorische Suppression Probanden sollen kontinuierlich ein Wort laut aussprechen ( das-das-das-das ) verhindert inneres Sprechen Artik. Suppr. beansprucht den artikulatorischen Kontrollprozess, nicht aber den phonologischen Speicher Sollte interferieren mit: Aufrechterhaltung von verbalem Material Transformation von visueller Information in phonologischen Kode 39

22 Empirische Evidenz für die phonologische Schleife Artikulatorische Suppression Artikulatorische Suppression eliminiert den Wortlängeneffekt bei visuell dargebotenen Worten Erklärung: Artikul. Suppr. unterbindet Rehearsal Items werden in nicht-phonologischem (z.b. visuellem) Kode aufrecht erhalten Aussprechdauer spielt keine Rolle mehr 40 Baddeley et al. (1975)

23 Empirische Evidenz für die phonologische Schleife Artikulatorische Suppression Abb. aus Eysenck & Keane (2010). 41 Artikulatorische Suppression eliminiert den Wortlängeneffekt nur bei visueller Darbietung Bei auditorischer Darbietung bleibt Effekt auch unter Suppresssion erhalten

24 Empirische Evidenz für die phonologische Schleife Artikulatorische Suppression Auditorisch präsentierte Worte direkter Zugang zum phonologischen Speicher Visuell präsentierte Wörter erhalten nur indirekt (über subvokale Artikulation) Zugang zum phonologischen Speicher Artikulatorische Suppression eliminiert Wortlängeneffekt bei visueller Präsentation, weil Zugang zum phonol. Speicher verhindert wird 42 Eysenck & Keane (2010).

25 Empirische Evidenz für die phonologische Schleife Artikulatorische Suppression Unter artikulatorischer Suppression verschwindet der phonemische Ähnlichkeitseffekt bei visueller Darbietung - Erklärung: Suppresion verhindert Rekodierung der visuellen Information in einen phonologischen Kode Aber: phonemischer Ähnlichkeitseffekt bei akustischer Darbietung bleibt erhalten - Erklärung: akustisch dargebotene Sprachinformation erhält automatisch Zugang zum phonologischen Speicher 43

26 Empirische Evidenz für die phonologische Schleife Artikulatorische Suppression Neuropsychologische Evidenz: Patienten mit Läsionen im linken inferioren Parietalkortex schlechtes Kurzzeitgedächtnis für auditorisch-verbales Material beeinträchtiger phonologischer Speicher Intakte Sprachproduktion intakter artikulatorischer Kontrollprozesse Patienten mit Läsionen im linken inferioren Frontalkortex Intakter phonologischer Speicher Beeinträchtigter artikulatorischer Kontrollprozesse 44

27 Empirische Evidenz für die phonologische Schleife Zusammenfassung Phonemischer Ähnlichkeitseffekt Ähnlich klingende Worte werden kurzzeitig schlechter behaltet Wortlängeneffekt Längere Worte werden schlechter kurzzeitig erinnert als kurze Worte Lesegeschwindigkeit Korreliert positiv mit Kurzzeitgedächtnisspanne Irrelevanter Spracheffekt Irrelevante Sprachlaute stören serielle Reproduktion von Wortlisten Artikulatorische Suppression Unterdrückung des inneren Sprechens 46

28 Wichtige Funktionen der phonologischen Schleife Lesen lernen Kinder mit normaler Intelligenz und Problemen beim Lesenlernen zeigen geringere Gedächtnisspanne und schlechtere Leistung in phonologischen Aufgaben (z.b. Reim- Urteile) Sprachverstehen und Denken Verstehen komplexerer Zusammenhänge Logisches Schlussfolgern 48 Flexible Verhaltenssteuerung Aktive Aufrechterhaltung ziel- und aufgabenrelevanter Information (Hinweisreize, Aufgabenregeln, Instruktionen) Ermöglicht es, auf gleiche Reizsituation unterschiedlich zu reagieren

29 Visuell-räumliches Arbeitsgedächtnis

30 Arbeitsgedächtnismodell Baddeley & Hitch, 1974; Baddeley, 1986 Zentrale Exekutive Kontrolle der beiden anderen Subsysteme (modalitätsunspezifisch) Visuell-räumlicher Notizblock (visuo-spatial sketch pad) Aufrechterhaltung visuell-räumlicher Informationen ( imagery ) Phonologische Schleife (phonological loop) Aufrechterhaltung sprachlicher Information durch inneres Sprechen 57 Imagery Rehearsal

31 Mentale Rotation Sind die beiden Reize gleich oder verschieden? 59

32 Mentale Rotation Sind die beiden Reize gleich oder verschieden? 60

33 Mentale Rotation Sind die beiden Reize gleich oder verschieden? 61

34 Mentale Rotation: Ergebnisse von Shepard & Metzler (1971) 62 Vpn scheinen in der Vorstellung die Figuren mental zu rotieren, bis sie gleiche Orientierung haben Annahme einer analogen (im Unterschied zu einer propositionalen) Repräsentation

35 Image scanning (Kosslyn 1983) 66 Interpretation: Eigenschaften visueller Vorstellungen sind analog zu denen von Repräsentationen wahrgenommener Objekte in der Welt Aber: anhaltende Kontroverse, inwieweit die Ergebnisse Effekte der Versuchsinstruktion bzw. der Strategien der Probanden spiegeln

36 Doppelaufgaben und modalitätsspezifische Interferenz Gleichzeitige Ausführung von zwei Aufgaben führt zu Interferenz = schlechtere Leistung als wenn jede Aufgabe einzeln ausgeführt wird Interpretation: die Aufgaben beanspruchen (teilweise) die gleichen Verarbeitungssysteme Modalitätsspezifische Interferenz: Ausmaß der Interferenz hängt von der Ähnlichkeit der zu verarbeitenden Information ab: simultane Ausführung von zwei sprachlichen oder zwei räumlich-visuellen Aufgaben große Interferenz simultane Ausführung einer sprachlichen und einer räumlichvisuellen Aufgabe geringere Interferenz 68

37 Selektive Interferenz: Matrixaufgabe von Brooks (1967) Spatial material In the starting square put a 1. In the next square to the right put a 2. In the next square up put a 3. In the next square to the right put a 4. In the next square down put a 5. In the next square down put a 6. In the next square to the left put a 7. In the next square down put a 8. Nonsense material In the starting square put a 1. In the next square to the quick put a 2. In the next square to the good put a 3. In the next square to the quick put a 4. In the next square to the bad put a 5. In the next square to the bad put a 6. In the next square to the slow put a 7. In the next square to the bad put a Brooks, L.R. (1967). The suppression of visualization by reading. Quarterly J. of Exp. Psychol., 19,

38 Selektive Interferenz Probanden sollten gleichzeitig mit der Matrix-Aufgabe eine visuelle Tracking-Aufgabe ( pursuit rotor ) ausführen In the starting square put a 1. In the next square to the right put a 2. In the next square up put a Baddeley et al. (1975). Imagery and working memory. In P.M.A. Rabitt & S. Dornic (Eds.), Attention and Performance V (pp ). London: Academic Press.

39 74 Selektive Interferenz: Ergebnisse

40 Selektive Interferenz: Brooks (1967) Beginnen Sie an der markierten Ecke Umrunden sie in der Vorstellung den Buchstaben und sagen sie Ja, wenn eine Ecke ganz oben oder ganz unten liegt, ansonsten sagen Sie nein Ja-ja-ja-nein-nein-nein-nein-nein-nein-ja 75 *

41 Selektive Interferenz 3 Reaktionsmodalitäten (1) Sprechen: ja oder nein sagen (2) Tapping: linker Finger für ja und rechter Finger für nein (3) Zeigen: auf J s und N s auf Blatt Papier zeigen 76

42 Ergebnisse: Selektive Interferenz Brooks (1968) Vokal seconds Tapping seconds Zeigen seconds Interpretation: Zeigen erfordert visuell-räumliche Verarbeitung interferiert visuellräumlichem Arbeitsgedächtnis Verbale oder motorische Reaktion stört visuell-räumliches Arbeitsgedächtnis nicht Spricht für separate Systeme zur Aufrechterhaltung verbaler u. visuellräumlicher Information * 77

43 Visuelles vs. räumliches Arbeitsgedächtnis Baddeley & Lieberman (1980) Brooks Matrixaufgabe wurde mit zwei verschiedenen Zusatzaufgaben kombiniert: Visuell: Beurteilung der Helligkeit eines Bildschirms Räumlich: Akustisches Tracking (Vp soll mit verbundenen Augen mit einem Lichtstift ein Pendel verfolgen und erhält akustische Rückmeldung) Ergebnisse: Gedächtnis für räumliche Matrix wurde am stärksten durch Pendel-Tracking beeinträchtigt Gedächtnis für verbale Matrix wurde am stärksten durch Helligkeitsbeurteilung beeinträchtigt 83

44 Visuelles vs. räumliches Arbeitsgedächtnis Klauer & Zhao (2004) Primäraufgabe: Räumlich: Lokation eines Punkts merken Visuell: Chinesisches Schriftzeichen merken Zusatzaufgabe: Bewegungsdiskrimination Farbdiskrimination Keine Aufgabe 84 Abb. aus Eysenck & Keane (2010).

45 Offene Fragen Entsteht selektive Interferenz durch Belastung modalitätsspezifischer Systeme oder wird bei Doppelaufgaben auch die zentrale Exekutive beansprucht? Beruhen visuelle Vorstellungen tatsächlich auf analogen mentalen Repräsentationen oder werden alle (phonologische, visuelle, semantische) Gedächtnisinhalte in einem abstrakten (propositionalen) Kode repräsentiert? Ist das Arbeitsgedächtnis ein vom Langzeitgedächtnis getrenntes System oder lediglich der jeweils aktivierte Teil des Langzeitgedächtnisses? Die zentrale Exekutive 87

46 Erweiterte Version von Baddeleys Arbeitsgedächtnismodell Episodic buffer Integration ( binding ) von Informationen aus verschiedenen Teilsystemen (visuell, auditorisch etc.) zu einer integrierten Episode Erklärt u.a. Chunking 88 Baddeley, A.D. (2003). Nature Reviews Neuroscience, 4,

47 89 Alternative Modellvorstellungen zum Arbeitsgedächtnis

48 Cowans (1998) Modell: Arbeitsgedächtnis als aktivierter Teil des Langzeitgedächtnisses Inhalte im Langzeitgedächtnis sind mehr oder weniger aktiviert Arbeitsgedächtnis = aktivierter Teil des LZG Ohne Rehearsal zerfällt Aktivierung sehr schnell Teilmenge (max. 4) der aktivierten LZG-Inhalte fallen in Fokus der Aufmerksamkeit und werden bewusst In den Fokus kommen z.b. Reize, die sich verändern oder auf die wir intentional unsere Aufmerksamkeit richten 91

49 Cowans (1998) Modell: Vorhersagen im Unterschied zu Baddeleys Modell Hirnregionen, die Langzeitgedächtnisinhalte speichern sollten identisch mit denen sein, die Inhalte im Arbeitsgedächtnis aktiv halten Die Aufrechterhaltung von Inhalten im Arbeitsgedächtnis sollte je Inhalt (visuell, sprachlich, räumlich, semantisch) mit Aktivierung in kortikalen Assoziationsregionen einhergehen, in denen die Inhalte auch langzeitig gespeichert sind Keine getrennten Systeme für Speicherung und Rehearsal 92