Kognitive Kontrolle II

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1 Fachrichtung Psychologie Vorlesung WS 2014/15 Kognitive Neurowissenschaft Kognitive Kontrolle II Thomas Goschke 1

2 Zusammenfassung: Funktionen des präfrontalen Kortex Handlungsplanung Flexibles Wechseln zwischen Aufgaben und Zielen Aktive Aufrechterhaltung und Abschirmung von Zielrepräsentationen gegen Störreize Unterdrückung automatisierter Reaktionen Emotionsregulation 3

3 The prefrontal cortex is the anatomical basis for the function of control" Human will appears to be a frontal function (Stuss und Benson, 1986, p. 243/244). 4

4 Probleme der Idee einer zentralen Steuerinstanz Wenn der PFC eine zentrale Steuerinstanz ist, wer kontrolliert dann den PFC? Eine Theorie der kognitiven Kontrolle muss erklären, wie Kontrollprozesse kontextsensitiv mobilisiert und adaptiv reguliert werden, ohne dafür eine zentrale Kontrollinstanz zu postulieren!

5 Konflikte als Signale für Mobilisierung kognitiver Kontrolle

6 Eine integrative Theorie der kognitiven Kontrolle (Miller & Cohen, 2001, Annual Review of Neuroscience) 11 Automatische Verarbeitung beruht auf erlernten Reiz-Reaktions-Konnektionen Interferenz entsteht, wenn ein Reiz über starke Konnektionen eine automatisierte, aber inadäquate Reaktion aktiviert (z.b. im Stroop-Test) Kognitive Kontrolle beruht auf: Aktiver Aufrechterhaltung von Ziel-, Aufgaben- und Kontext-repräsentationen im PFC Top-Down -Modulation des Wettstreits konkurrierender Repräsentationen in posterioren und subkortikalen Verarbeitungssystemen durch die aktiv gehaltenen PFC-Repräsentationen, so dass aufgabenrelevante Repräsentationen höhere Priorität erhalten Als Nebeneffekt dieser Top-Down- Modulation und lateraler Inhibition in sensorischen Systemen wird irrelevante Informationen unterdrückt

7 Weiterentwicklungen: Das Leabra-Framework (O Reilly et al, 2010) 14.

8 Das Homunkulus-Problem Woher weiß der präfrontale Kortex, ob und wann kognitive Kontrolle notwendig ist? Wer entscheidet im Falle eines Konflikts, ob ein aktiviertes Ziel gegen konkurrierende Ziele oder störende Reize abgeschirmt werden sollte oder ob auf ein anderes Ziel gewechselt werden sollte?

9 Konflikt und Kontrolle Ach & Hillgruber (1910): Schwierigkeitsgesetz der Motivation Eine Erhöhung der Aufgabenschwierigkeit durch innere Widerstände oder Konflikte bewirkt unmittelbar, d.h. ohne daß sich irgendwelche seelischen Prozesse, Überlegungen oder dergleichen einschieben müßten, eine Erhöhung der Willensanspannung, um trotz der Schwierigkeit, das Ziel zu erreichen... (Ach, 1935, S. 345) Kuhl (1986): Konflikte zwischen intendierten und konkurrierenden Reaktionen sind ein Signal für die Mobilisierung von volitionalen Kontrollprozessen, durch die die aktuelle Intention gegen Störungen abgeschirmt wird

10 Conflict-monitoring theory Botvinick Braver, Barch, Carter, & Cohen (2001). Psychological Review, 108. Konfliktüberwachung (dacc) Mobilisierung Kognitiver Kontrolle Conflict Detection (ACC) Signals demand for control Cognitive Control (Goal Maintenance) (DLPFC) Conflict Performance Monitoring & Evaluation Increased top-down modulation

11 Komputationales Modell (dacc) Conflict measure = Hopfield energy in response layer: E(t) = - a i a j w ij Activation of Task Units in PFC-Layer in the next trial is adjusted depending on conflict strength: C(t+1) = C(t) + (1- )( E(t) + ) (PFC) C(t+1) Control in trial n+1 C(t) Control in current trial E(t) Conflict in current trial, Scaling parameters Mean conflict in previous trials Botvinick, Braver, Barch, Carter, & Cohen (2001). Psychological Review, 108(3),

12 Komputationales Modell Conflict measure = Hopfield energy in response layer: E(t) = - a i a j w ij Activation of Task Units in PFC-Layer in the next trial is adjusted depending on conflict strength: C(t+1) = C(t) + (1- )( E(t) + ) C(t+1) Control in trial n+1 C(t) E(t) Control in current trial Conflict in current trial, Scaling parameters Mean conflict in previous trials Examples ( = 1; = 0) Mean previous conflict 0,2 0,2 0,8 Current conflict (trial N) 0,8 0,2 0,8 Current control (trial N) 0,5 0,5 0,5 Control in trial N+1 0,74 0,26 0,56 22.

13 Reaktionskonflikte im Labor: Die Flankier-Reiz-Aufgabe Reagiere auf den zentralen Buchstaben! Flanker-Effekt Kongruenter Reiz (kein Konflikt) Inkongruenter Reiz (Konflikt) SSSSS SSHSS H S H S

14 Conflict-adaptation effects Gratton et al., (1992) Flanker task XXSXX Kerns et al. (2004) Stroop task BLUE GREEN Stürmer et al. (2002) Simon task Fischer, Dreisbach & Goschke (2008) Simon task CI CC II IC Current Trial Inc Con Con Inc Previous Trial Con Inc Previous Trial Reduced interference on conflict trials preceded by another conflict trial (I-I) Indicates enhanced recruitment of control following high conflict

15 Data vs. simulation: Conflict-adaptation effect in the flanker task Botvinick, Cohen & Carter (2004). Trends in Cognitive Sciences, 8(12),

16 Data vs. simulation: Frequency effects on Stroop interference Congruent Incongruent Green Red Red Blue Yellow Yellow Green Blue Color naming Interference Red Green Facilitation Blue Yellow Green Red Word reading XXXX Blue Green

17 Stroop model and congruency proportion effect (effect of conflict frequency on Stroop interference) (Neutral trial RT incongruent trial RT) High Med Low Neutral 25% 50% 75% Congruent 37,5% 25% 12,5% Incongruent 37,5% 25% 12,5%

18 An important confound: Conflict adaptation vs. repetition priming Mayr, Awh, & Laurey (2003). Nature Neuroscience, 6,

19 Two possible mechanisms for conflict-adaptation Target activation Enhanced activation of task-relevant information Distracter inhibition Inhibition of distracting information / competing task-sets

20 Conflict-adaptation and amplification of task-relevant information Task: Discriminate between actors and politicians based on (a) face or (a) name Egner & Hirsh (2005). Nature Neuroscience.

21 Conflict-adaptation and amplification of task-relevant information Parahippocampal cortex 44 Fusiform Gyrus

22 Conflict-adaptation and amplification of task-relevant information Face Target Face Distracter In the high control (II) condition subjects were faster and more accurate than in the low control (CI) condition, indicating a conflict-adaptation effect. Egner & Hirsh (2005). Nature Neuroscience.

23 Conflict-adaptation and amplification of task-relevant information FFA activation FFA and PPA activation in the face-target condition (C-I) (I-I) When faces were targets, activity in the FFA was higher on II than on CI trials No significant activity change was seen when faces were distractors. increased control amplified neural processing of task-relevant faces, but there was no inhibition of irrelevant face distracters. When faces were targets, high control trials were associated with increased activation in the face processing area (FFA) no activity change in the place processing area (PPA) Egner & Hirsh (2005). Nature Neuroscience.

24 Brain areas implicated in cognitive control during conflict adaptation [incongruent-incongruent > congruent-incongruent] Right middle & inferior DLPFC (BA 46) fmri signals in the right dlpfc, were stronger on II trials than on CI trials Right DLPFC showed increased functional connectivity with the FFA under high control (I-I > C-I) in the face-target condition

25 The continuous dynamics of control

26 Temporal dynamics of conflict-triggered goal shielding: Within-trial conflict adaptation Active control recruitment in preparation of subsequent conflict Trial N-1 Trial N Within-trial adjustments of goal shielding Mansouri, Tanaka, & Buckley (2009). Nature Reviews Neuroscience. Scherbaum, Dshemuchadse, Fischer & Goschke (2010). Psychophysiology.

27 The challenge How can we tap into the online dynamics of cognitive control adjustments during response selection?? Stimulus Choice/ Response

28 Online (within-trial) dynamics of goal shielding Scherbaum, Fischer, Dshemuchadse, & Goschke (2011) Psychophysiology. Flanker Task Compatible Incompatible Stefan Scherbaum

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30 Online (within-trial) dynamics of goal shielding Scherbaum, Fischer, Dshemuchadse, & Goschke (2011). Psychophysiology Frequency Tagging & Steady-State Visual Evoked Potentials (SSVEPs) Visual stimulation at a specific frequency elicits activity in the encephalogram at the same frequency Hypothesis: Within-trial control adjustment Wavelet Transformation Target enhancement Distractor inhibition Stimulus Response

31 Online (within-trial) dynamics of goal shielding Target Target activation: Conflict trial > no conflict trial Conflict Distracter Stimulus Distractor activation Conflict trial < no conflict trial

32 Results: Conflict-triggered intention shielding within a trial Scherbaum, Fischer, Dshemuchadse, Goschke (2011). Psychophysiology. Difference between SSVEP-amplitudes on conflict vs. no-conflict-trials Target activation: (Conflict - no conflict) Distractor activation (Conflict - no conflict) Zeit (%)

33 Conflict adaptation as passive carry-over of control settings from the previous trial? Conflicts trigger within-trial control adjustments If the control state at the end of a conflict trial persists until the next trial no control readjustments are needed in case of subsequent conflict SSVEP contrast enhancement should disappear on trials following conflict

34 Conflict adaptation as passive carry-over of control settings from the previous trial SSVEP contrast enhancement on conflict trials is only present on incongruent trials following congruent trials SSVEP contrast enhancement disappears on conflict (incongruent) trials following incongruent (conflict) trials control state at the end of a conflict trial persists until the next trial no further control adjustments are needed in case of conflict Previous trial congruence

35 The role of the ACC in conflict-monitoring and cognitive control

36 Anterior cingulate cortex (ACC) Anterior cingulate cortex

37 Figure 13.3 Connectivity of the prefrontal cortex Textmasterformat bearbeiten Zweite Ebene Dritte Ebene Vierte Ebene Fünfte Ebene

38 Cortical projections to regions of dacc Areas 24a b in yellow, areas 24c d in orange, and more posterior regions of dorsomedial PFC Supplementary and primary motor cortices in pink and purple in the macaque. Projections to dacc are widespread and include regions of orbital and rostrolateral PFC, temporal and parietal cortices, and insula 71.

39 Konflikt-Überwachungs-Theorie Mobilisierung Dorsolateraler Präfrontalkortex Konfliktentdeckung (ACC) Bewertung Regulation Kognitive Kontrolle (PFC) Konflikt Der anteriore cinguläre Cortex (ACC) registriert Konflikte und Fehler und sendet ein Kontrollsignal an den DLPFC, wodurch eine verstärkte Mobilisierung kognitiver Kontrolle ausgelöst wird Anteriorer cingulärer Kortex (ACC) Botvinick et al. (2001). Psychological Review.

40 ACC-Aktivierung durch Konflikte oder Fehler: Metaanalyse von 38 fmrt-studien ( ) Activations cluster in the dorsal medial frontal cortex in the region where areas 8, 6, 32, and 24 border each other Ridderinkhof, Ullsperger, Crone, & Nieuwenhuis (2004). Science, 306(5695),

41 Anterior cingulate cortex and conflict-adaptation (Kerns et al. 2004, Science) Stroop-Farb-Wort-Aufgabe Konfliktadaptation Reduzierte Stroop-Interferenz nach einem Reaktionskonflikt

42 Anterior cingulate cortex and conflict-adaptation (Kerns et al. 2004, Science) Erhöhte ACC Aktivierung in inkongruenten (Konflikt) Durchgängen Je stärker die ACC-Aktivierung im vorhergehenden Konflikt-Durchgang, umso größer der Konflikt- Adaptations-Effekts im aktuellen Durchgang (Große KA = schnelle RZ in I-I- Durchgängen Niedrige KA = langsame RZ in I-I- Durchgängen) Erhöhte Aktivierung im rechten lateralen PFC in Durchgängen mit starker Konflikt-Adaptation ACC Aktivierung in inkongruenten Durchgängen korreliert positiv mit der DLPFC Aktivierung im nächsten Durchgang