Die Auswirkungen der visuellen Arbeitsgedächtnisbelastung auf die Erkennung und neuronale Verarbeitung aufgabenunabhängiger Hörreize

Während vorgeschlagen wurde, dass die Wahrnehmungsbelastung die Verarbeitung aufgabenunabhängiger Reize verringert, sind theoretische Argumente und empirische Erkenntnisse für andere Formen der Aufgabenbelastung nicht schlüssig. Hier untersuchten wir systematisch die Erkennung und neuronale Verarbeitung von Hörreizen unterschiedlicher Reizintensität während einer reizunabhängigen visuellen Arbeitsgedächtnisaufgabe, die zwischen niedriger und hoher Belastung wechselte. Wir fanden, abhängig von der Reizstärke, eine verringerte Reizerkennung und verringerte P3-, aber unbeeinflusste N1-Amplituden des ereignisbezogenen Potenzials für Hörreize bei hoher im Vergleich zu niedriger Belastung. Im Gegensatz dazu wurden lastunabhängige Bewusstseinseffekte sowohl im frühen (N1) als auch im späten (P3) Zeitfenster beobachtet. Die Ergebnisse deuten auf einen späten neuronalen Effekt der visuellen Arbeitsgedächtnisbelastung auf Hörreize hin, der zu einer geringeren Wahrscheinlichkeit einer gemeldeten Wahrnehmung dieser Reize führt.

Der Zusammenhang zwischen Reizintensität und Gedächtnisleistung ist Gegenstand zahlreicher Forschungen. Studien haben gezeigt, dass eine mäßige Stimulation das Gedächtnis verbessern kann, eine zu starke Stimulation jedoch zu negativen Auswirkungen führen kann.

In unserem täglichen Leben stoßen wir oft auf verschiedene Reize, wie zum Beispiel Fernsehen, Spiele spielen, Musik hören, Freunde finden und so weiter. Moderate Mengen dieser Reize können uns helfen, energiegeladen und interessiert zu bleiben, um den Tag mit Leichtigkeit und Freude zu überstehen. Gleichzeitig trägt eine moderate Stimulation auch zur Verbesserung des Gedächtnisses bei. Wenn wir auf neue Informationen stoßen, kann eine moderate Stimulation dazu beitragen, dass wir uns stärker konzentrieren und die Verarbeitungsgeschwindigkeit von Informationen sowie den Gedächtnisprozess beschleunigen.

Ist der Reiz jedoch zu extrem, kann er negative Auswirkungen haben. Stärkere Reize können zu Nebenwirkungen wie Aufmerksamkeitsdefiziten, Angstzuständen, Reizbarkeit und übermäßiger Müdigkeit führen, die alle die Wirksamkeit des Gedächtnisses beeinträchtigen können. Daher sind mäßige Stimulation und ein ausgeglichener Geisteszustand notwendige Voraussetzungen für die Aufrechterhaltung des Gedächtnisses.

Zusammenfassend ist der Zusammenhang zwischen Reizintensität und Gedächtnis sehr wichtig. Wir müssen jedoch bedenken, dass eine mäßige Stimulation uns helfen kann und eine übermäßige Stimulation zu negativen Ergebnissen führen kann. Die Aufrechterhaltung eines ausgeglichenen Lebens und die entsprechende Stimulation können das Gedächtnis effizienter und langlebiger machen. Es ist ersichtlich, dass wir unser Gedächtnis verbessern müssen. Cistanche kann das Gedächtnis erheblich verbessern, da Fleischpaste ein traditionelles chinesisches Arzneimittel mit vielen einzigartigen Wirkungen ist, darunter die Verbesserung des Gedächtnisses. Die Wirksamkeit von Hackfleisch beruht auf einer Vielzahl von darin enthaltenen Wirkstoffen, darunter Carbonsäuren, Polysaccharide, Flavonoide usw. Diese Inhaltsstoffe können über verschiedene Kanäle die Gesundheit des Gehirns fördern.

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Die Belastungstheorie 1–3 kann als die vorherrschende Theorie darüber angesehen werden, wie Aufmerksamkeit die Informationsverarbeitung beeinflusst. Es schlägt einen flexiblen Aufmerksamkeitsort vor, abhängig von der Belastung einer laufenden Aufgabe. Bei geringer Belastung können Informationen verarbeitet werden, während hohe Belastung zu einer frühen Hemmung der Distraktorverarbeitung führt. Ursprünglich wurde die Theorie im Zusammenhang mit der Manipulation von Wahrnehmungsaufgaben (d. h. Wahrnehmungsbelastung) entwickelt1,2. Spätere Versionen umfassten auch die sogenannte kognitive Belastung (d. h. Arbeitsgedächtnisbelastung)4. Ursprünglich schlug die Theorie entgegengesetzte Phänomene für die Belastung des Wahrnehmungs- und Arbeitsgedächtnisses vor4. Diese Annahme wurde jedoch später revidiert5, und empirische Arbeiten zeigen ähnliche Auswirkungen der Wahrnehmungs- und Arbeitsgedächtnisbelastung (zur Übersicht siehe).

Die Belastungstheorie legt frühe Auswirkungen einer hohen gegenüber einer niedrigen Belastung auf die Verarbeitung aufgabenunabhängiger Distraktoren nahe3. Was aus neurowissenschaftlicher Sicht jedoch unter frühen und späten Effekten zu verstehen ist, bleibt vage, kann aber weitgehend durch frühe und späte Gehirnbereiche in der Verarbeitungshierarchie und spezifische zeitliche Fenster in elektrophysiologischen Reaktionen operationalisiert werden6. Eine kürzlich durchgeführte Überprüfung unserer Gruppe6 zu Belastungseffekten auf die neuronale Aktivierung auf aufgabenunabhängige Distraktoren führte zu dem Schluss, dass Belastungseffekte in späteren Phasen der Reizverarbeitung zuverlässiger auftreten, das zeitliche Auftreten von Belastungseffekten jedoch noch spezifiziert werden muss. Elektrophysiologische Methoden bieten eine hohe zeitliche Auflösung der neuronalen Aktivität und ermöglichen die Unterscheidung zwischen Früh- und Späteffekten7–10. In der Hörmodalität ist N1 beispielsweise eine frühe ERP-Komponente, die etwa 100 ms nach Beginn des Reizes auftritt und die früheste negative Komponente darstellt, die mit Veränderungen in der Hörumgebung verbunden ist11. Im Gegensatz dazu sind späte positive Wellen ab 300 ms nach dem Reiz weniger von Reizmerkmalen abhängig, sondern mit der Verarbeitung von Reizen nach der Wahrnehmung verbunden, einschließlich der Entscheidungsfindung und Bewertung von Reizen12,13.

Mehrere Studien untersuchten neuronale Korrelate der Arbeitsgedächtnisbelastung bei aufgabenunabhängigen Reizen mittels Elektroenzephalographie und lieferten heterogene Ergebnisse. In mehreren visuellen unimodalen Studien (d. h. visuelle Belastung mit einem visuellen Ablenker) wurde berichtet, dass frühe visuelle Potenziale (d. h. P1- und N1/N170-Amplitude) durch die Belastung beeinflusst werden14–16, während zwei Studien über verringerte gesichtsbezogene N170-Amplituden berichteten hohe Belastung17,18. Spätere visuelle ERP-Amplituden (d. h. P3-Amplitude) werden in diesen Studien systematisch verringert14–19. Zur Hörmodalität liegen keine unimodalen Studien vor. Für kreuzmodale Hörablenker (d. h. visuelle Belastung mit einem Hörablenker) berichten einige Studien von verringerten N1-Amplituden20,21, während andere Studien keine Auswirkungen feststellen konnten. Hier werden auch spätere ERP-Amplituden (d. h. P3-Amplituden) auf auditive Ablenkungen systematisch verringert20,22–24, wobei nur eine Studie erhöhte P3-Reaktionen zeigt25. Obwohl Studien darauf hindeuten, dass die Speicherung im Arbeitsgedächtnis domänenspezifisch ist26, zeigt eine große Anzahl von Forschungsarbeiten kreuzmodale Auswirkungen der Arbeitsgedächtnisbelastung auf ERPs bis hin zu auditiven Ablenkungen (zur Übersicht siehe 6). Dies spricht für eine modalübergreifende gemeinsame Nutzung von Verarbeitungsressourcen durch die breiten Formulierungen der Lasttheorie (zur Übersicht siehe 6).

Darüber hinaus ist eine wichtige Vorhersage der Belastungstheorie, dass die Erkennung ablenkender Reize, zumindest Schwellenreize, unter Bedingungen hoher Belastung verringert oder sogar gehemmt sein sollte. Allerdings gibt es nur eine Studie, die die Erkennung und neuronale Verarbeitung von Distraktoren in Abhängigkeit vom Belastungsgrad der Hauptaufgabe untersucht hat. Molloy et al.27 fanden reduzierte frühe (aM100) und späte (P3) magnetoenzephalographische Reaktionen auf Geräusche bei hoher gegenüber niedriger wahrnehmungsbezogener visueller Belastung und eine verringerte Erkennung von Geräuschen bei hoher im Vergleich zu niedriger Belastung. Dies deutet darauf hin, dass verminderte neuronale Reaktionen mit einer geringeren Wahrnehmung der Geräusche verbunden sind. Allerdings wurde in keiner Studie untersucht, ob die Belastung des Arbeitsgedächtnisses die Erkennung von Distraktoren beeinflusst. Daher bleibt unklar, ob es Auswirkungen der Arbeitsgedächtnisbelastung auf die Erkennung von Distraktoren gibt, ob diese von der Reizstärke der Distraktoren abhängt und ob Belastungseffekte parallel in frühen und späten neuronalen Reaktionen und Verhaltensdaten beobachtet werden. Darüber hinaus lassen sich in den meisten Studien Belastungseffekte auf ERPs auf Distraktoren nur schwer von den Belastungseffekten der Hauptaufgabe abgrenzen. Geeignete Steuerungsbedingungen, wie z. B. Lastschwankungen ohne jeglichen Reiz, sind erforderlich (für eine ausführlichere Diskussion siehe 4).

In der aktuellen Studie haben wir systematisch die Auswirkungen der visuellen Arbeitsgedächtnisbelastung auf die Erkennung und neuronale Verarbeitung auditiver Ablenker untersucht. Um die Rolle der Reizstärke besser zu verstehen, variierten wir die Intensität der akustischen Ablenker. Darüber hinaus verglichen wir Bedingungen, bei denen ein Distraktor oder kein Distraktor präsentiert wurde, um Distraktor- und allgemeine Belastungseffekte zu unterscheiden. Wir verwendeten ERPs, um frühe und späte Auswirkungen der Belastung auf neuronale Reaktionen auf Distraktoren abzugrenzen. Auf der Verhaltensebene wurde angenommen, dass die Erkennungsrate von akustischen Ablenkern mit der Schallintensität zunimmt. Allerdings sollte die Erkennung von Hörreizen bei hoher im Vergleich zu niedriger Arbeitsgedächtnisbelastung reduziert sein, insbesondere nahe der Erkennungsschwelle. Für das ERP haben wir eine Zunahme der N1-Amplitude mit der Schallintensität und eine Verringerung der Amplitude durch eine erhöhte Arbeitsgedächtnisbelastung angenommen. In Bezug auf P3 haben wir außerdem eine Zunahme der Amplitude mit der Schallintensität und eine Verringerung der Amplitude durch eine erhöhte Arbeitsgedächtnisbelastung angenommen. In beiden Fällen stellten wir die Hypothese auf, dass Belastungseffekte bei Reizen nahe der Erkennungsschwelle am stärksten ausgeprägt sind. Es wurde angenommen, dass das Muster der Belastungseffekte den lastunabhängigen Effekten der Reizwahrnehmung ähnelt, von denen bekannt ist, dass sie im Vergleich zu bewussten Hörreizen während Erkennungsaufgaben mit verringerten Amplituden in frühen und späten Zeitfenstern für Unwahrnehmung einhergehen28–30.

Methoden

Teilnehmer.

Die Fify-one-Teilnehmer wurden an der Universität Münster rekrutiert. Ein Teilnehmer brach die Studie ab und sieben Teilnehmer wurden aufgrund übermäßiger EEG-Artefakte abgelehnt, was zu einer endgültigen Stichprobengröße von 43 Teilnehmern führte (14 Männer, 29 Frauen; Mage=24,56 Jahre, SDage=3). 671 Jahre). Sie gaben eine schriftliche Einverständniserklärung ab und erhielten für ihre Teilnahme 10 Euro pro Stunde. Alle Teilnehmer hatten ein normales oder auf den Normalwert korrigiertes Seh- und Hörvermögen und keine neurologischen oder psychiatrischen Störungen in der Vorgeschichte. Bis auf einen waren alle Teilnehmer Rechtshänder. Die Studie wurde von der medizinischen Ethikkommission der Universität Münster genehmigt und alle Verfahren wurden durch diese Erklärung durchgeführt.

Reize.

Für die Stimulusanzeige wurde ein iiyama GMaster GB2488HSU-Monitor (iiyama, Nagano, Japan) mit 60 Hz und einer Auflösung von 1920×1080 Pixeln verwendet. Der Betrachtungsabstand betrug 60 cm. Visuelle Reize waren schwarz gefärbte Konsonantenbuchstaben (Höhe =2,49 Grad Sichtwinkel) auf einem grauen Hintergrund. Diese Buchstaben wurden im gleichen Abstand (3,23 Grad dazwischen) neben dem weißen Fixierungskreuz (ein „+“, bestehend aus zwei Balken von 0,373 x 0,124 Grad) in der Mitte des Bildschirms angezeigt. Zwei oder sechs Buchstaben wurden zufällig ausgewählt und im Zustand geringer oder hoher Arbeitsgedächtnisbelastung präsentiert. Auditive Reize bestanden aus zwei Komponenten: (1) Plappergeräuschen und (2) Piepreizen. Das Babble-Rauschen wurde der frei verfügbaren Signalverarbeitungsinformationsdatenbank31 entnommen, die über http://spib.linse.ufsc.br/noise.html zugänglich ist, und in einer Studie von Schlossmacher et al.28 validiert. Das Rauschen wurde weiter verarbeitet, indem derselbe Stream rückwärts zum Original abgespielt wurde. Der durchschnittliche Schalldruckpegel (SPL) während des Experiments betrug 55 dB. Piepreize waren sinusförmige Töne mit Anstiegs- und Abfallzeiten von 10 ms, einer Dauer von 100 ms und einer Frequenz von 600 Hz.

Sie wurden in drei unterschiedlichen Lautstärken (niedrige, mittlere und hohe Intensität) und zusätzlich mit Nullintensität („kein Ton“) präsentiert, jeweils mit einem Anteil von 25 %. In jedem Versuch wurde ein Piepton-Stimulus (oder der „kein Ton“-Stimulus) zu einem pseudozufälligen Zeitpunkt zwischen 200 ms nach Beginn und 200 ms vor dem Versatz der Fixierung in das Plappergeräusch eingebettet Kreuz in der Buchstabenpflegephase. Die Lautstärke wurde in einer Verhaltenspilotstudie ermittelt (n=10). Die Teilnehmer wurden gebeten, auf eine einfache visuelle Erkennungsaufgabe (Farbänderung eines Fixierungskreuzes) zu reagieren, während im Hintergrund die oben beschriebenen akustischen Reize abgespielt wurden. Nach jedem Versuch wurden die Teilnehmer gefragt, ob Piepreize wahrgenommen wurden. Der Experimentator passte die Lautstärke manuell an, bis fünf Teilnehmer in etwa 50 % der Versuche den Piepton wahrnahmen. Diese Lautstärke wurde dann mit 0,5 und 2 multipliziert, um die drei kritischen Pegel zu erhalten, die im Hauptexperiment verwendet wurden (42 dB, 45 dB und 48 dB). Auf diese Weise konnten wir untersuchen, wie Belastungsergebnisse durch Reizstärken beeinflusst werden, die von unterhalb der Erkennungsschwelle bis zur Erkennungsschwelle und oberhalb der Erkennungsschwelle variieren.

Verfahren.

Die Teilnehmer beantworteten zunächst einen demografischen Fragebogen und wurden auf das EEG vorbereitet. Anschließend absolvierten sie eine Übungsaufgabe, bei der sie aufgefordert wurden, sich die vorgelegten Buchstaben zu merken. Darüber hinaus wurde ihnen mitgeteilt, dass das Hintergrundgeräusch gelegentlich Pieptöne mit unterschiedlicher Lautstärke enthalten würde. Die Anweisungen waren darauf ausgelegt, die Gedächtnisaufgabe als Hauptaufgabe und die Meldung der Hörwahrnehmungen als untergeordnete Aufgabe festzulegen. Dies wurde dadurch erreicht, dass sie für die Gedächtnisaufgabe Punkte für richtige und falsche Antworten erhielten oder verloren, während die Geräusche für die Teilnehmer keine Relevanz hatten. Darüber hinaus wurden sie angewiesen, zunächst auf die Gedächtnisaufgabe zu reagieren, dann das Punkte-Feedback zu erhalten und schließlich ihre Leistung anhand der Klangwahrnehmungen zu bewerten. Es wurde wiederholt, dass die solide Wertung weder zu einem Punktgewinn noch zu einer Punktniederlage führen würde. Darüber hinaus sollte durch das unterschiedliche Abfrageformat für die visuelle Aufgabe (d. h. explizite Ja-Nein-Abfrage) und die Klangwahrnehmung (d. h. Bewertung, siehe unten) auch die Bedeutung der Gedächtnisaufgabe hervorgehoben werden. Zehnmal startete der Hauptversuch, aufgeteilt in 12 Blöcke mit selbstgesteuerten Pausen von maximal 3 Minuten Länge. Jeder Block umfasste 32 Versuche beider Belastungsstufen, wobei die Versuche aufgrund übermäßiger Augenbewegungen am Ende eines Blocks abgebrochen wurden. Ein einzelner Versuch (siehe Abb. 1) begann mit der Präsentation des Fixationskreuzes für 500 ms. Anschließend erschienen die Buchstaben (d. h. 2 Buchstaben bei geringer Arbeitsspeicherauslastung und 6 Buchstaben bei hoher Arbeitsspeicherauslastung) 1 Sekunde lang auf dem Bildschirm. Anschließend wurde das Fixationskreuz erneut präsentiert. Während dieser 3-s-Präsentation wurden die Hintergrundgeräusche abgespielt. Daran schloss sich die Abfrage der gespeicherten Buchstaben an. Bei der Abfrage erschien ein Buchstabe in der Mitte des Bildschirms und die Probanden mussten angeben, ob dieser Buchstabe zu den Buchstaben gehörte, die man sich merken sollte oder nicht. In 50 % der Prozesse gehörte dieser Brief zu den Erinnerungsbriefen. Die Teilnehmer erhielten Feedback zu ihren Antworten zu den Buchstaben (dh Pluspunkte für richtige Antworten und Minuspunkte für falsche Antworten), die sich über das gesamte Experiment ansammelten. Nach der Gedächtnisabfrage bewerteten die Teilnehmer ihre subjektive Geräuschwahrnehmung auf einer vierstufigen Skala, die von „nein – sicher“ über „nein – unsicher“ und „ja – unsicher“ bis „ja – sicher“ reichte. Nach jedem Block wurde ihnen die erreichte Gesamtpunktzahl mitgeteilt (d. h. Sie haben bisher x Punkte von maximal y Punkten erzielt).

EEG-Aufzeichnung und Vorverarbeitung.

EEG signals were recorded from 64 BioSemi active electrodes using BioSemi's Actiview software (www.biosemi.com). Four additional electrodes measured horizontal and vertical eye movement. The recording sampling rate was 512 Hz. The software BESA research (Version 6.0, www.besa. de) was used for preprocessing. Refine data were re-referenced to average reference and filtered with a high-pass forward filter of 0.1 (6 dB/oct) and a 30 Hz low-pass zero-phase filter (24 dB/oct). Recorded eye movements were corrected using the automatic eye-artifact correction method implemented in BESA32. Noisy EEG sensors were interpolated using a spline interpolation procedure. Data were segmented from 200 ms before stimulus onset until 800 ms after stimulus presentation. Baseline correction was used 200 ms before stimulus onset. Data were re-referenced from the CMS/DLR to a common average reference. Trials were rejected based on an absolute threshold (>120 µV), signal gradient (>75 µV/δT) und niedriges Signal (d. h. die Standardabweichung des Gradienten,<0.01 µV/ δT). On average, 4.51 electrodes per participant were interpolated (SD=2.91), and 12.58 percent of all trials per participant were rejected (SD=10.57). The number of trials per load and sound volume level ranged between 27 and 49 trials (M=42.48, SD=5.207).

Eye-Tracking-Aufnahme.

Wir verwendeten einen Eye-Tracker, um die Blickposition während des Experiments kontinuierlich zu verfolgen und zu bewerten, wobei wir die experimentelle Präsentation immer dann stoppten, wenn der Blick in einem kreisförmigen Bereich um die Fixierungsmarke um mehr als 3 Grad abweichte. Abgebrochene Versuche wurden am Ende des Blocks hinzugefügt. Das Eye-Tracking wurde mit dem Eye-Tracker Eyelink 1000 von SR Research (EyeLink 1000, SR Research Ltd., Mississauga, Kanada) gemessen. Die Teilnehmer wurden gebeten, ihren Kopf auf eine Kinnstütze zu legen, und das rechte Auge wurde aufgezeichnet. Die Aufnahme-Abtastrate betrug 1000 Hz. Vor jedem Präsentationsblock wurde automatisch eine Eyetracker-Kalibrierung mithilfe eines Fünf-Punkte-Kalibrierungsverfahrens eingeleitet.

Statistische Analysen.

Verhaltensdaten wurden in MATLAB R2019b (https://de.mathworks.com) analysiert. Um die Aufgabenleistung zu messen, wurde die Erkennung von Buchstaben mit d prim (d′) für die beiden Belastungsbedingungen analysiert, gefolgt von einem t-Test mit gepaarten Stichproben. Die Erkennungsempfindlichkeit (aZ) wurde für die Bedingungen mit zwei Lasten und drei Lautstärken zur Geräuscherkennung berechnet. AZ quantifiziert die Fläche unter der ROC-Kurve (Receiver Operating Characteristic), berechnet aus dem Anteil von Treffern und Fehlalarmen pro Konfidenzniveau. Sie liegt zwischen 0,5 (zufällige Leistung) und 1 (perfekte Erkennung). Die Schallerkennungsdaten wurden unter Verwendung wiederholter Varianzanalysen (ANOVA) mit Belastung (geringe Belastung (LL) vs. hohe Belastung (HL)) und Lautstärke (geringe Lautstärke vs. mittlere Lautstärke vs. hohe Lautstärke) als Faktoren analysiert.

EEG-Kopfhautdaten wurden mit MATLAB R2019b (https://de.mathworks.com) und SPSS (https://www.ibm.com/de-de/analytics/spss-statistics-sofware) analysiert und visualisiert. Die beiden interessierenden Komponenten (N1- und P3-Amplitude, siehe Abb. 2) wurden wie folgt ausgewählt: Wir untersuchten den zeitlichen Verlauf der Topographien des Gesamtdurchschnitts für jeden Schallpegel mit Ausnahme der „Kein-Ton“-Bedingung. Die Daten wurden über alle Teilnehmer hinweg aggregiert und über die beiden Belastungsstufen gemittelt. Bei allen Schallpegeln über Null beobachteten wir die typische bilaterale frontale Negativität, die zwischen 100 und 200 ms ihren Höhepunkt erreichte11. Für die N1-Analyse haben wir alle Sensoren ausgewählt, die bei jedem Schallpegel gemeinsam den negativen Peak zeigten (siehe Abb. 2). Dieser bilaterale Frontalcluster bestand aus den Sensoren F3, F4, F5, F6, FC3, FC4, FC5, FC6, C3, C4, C5 und C6. In ähnlicher Weise haben wir P3 identifiziert, das durch einen parietal-zentralen positiven Pol gekennzeichnet ist, der typischerweise zwischen 300 und 700 ms liegt13,34. Der allen Schallpegeln gemeinsame Cluster bestand aus den Sensoren CP1, CP2, CP3, CP4, CPz, P1, P2, P3, P4, Pz, POz, PO3 und PO4. Die interessierenden zeitlichen Intervalle wurden identifiziert, indem die über die oben genannten Sensorgruppen gemittelten ERPs untersucht wurden, getrennt für jede Lautstärke, aber der Durchschnitt über alle Belastungsstufen hinweg. Für die N1-Amplitude beobachteten wir einen Anstieg der Spitzenlatenz bei einer Lautstärke von 35,36. So wurde der Höhepunkt der N1-Amplitude für den Ton mit geringer Lautstärke im Zeitbereich von 195 bis 295 ms, für den Ton mit mittlerer Lautstärke im Zeitbereich von 157 bis 257 ms und für den Ton mit hoher Lautstärke im Zeitbereich von 195 bis 295 ms identifiziert der Zeitbereich von 130 bis 230 ms nach dem Reiz. Der Höhepunkt der P3-Amplitude wurde für alle Lautstärken im gleichen Zeitbereich von 300 bis 700 ms nach dem Reiz identifiziert. Um die Auswirkungen von Last und Lautstärke zu untersuchen, haben wir eine ANOVA mit Last (LL vs. HL) und Lautstärke (niedrig vs. mittel vs. hoch) als Differenz zum Zustand ohne Ton für die N1- und P3-Amplituden berechnet. Zur Beschreibung der Effektgrößen in allen statistischen Tests wurde das partielle Eta-Quadrat (ηp 2 ) verwendet.

In einer zusätzlichen Analyse verglichen wir auch gehörte und verpasste Geräusche unabhängig von der Belastung, um typische Signaturen der Hörreizwahrnehmung, die sogenannten neuronalen Korrelate des Bewusstseins (NCC), zu testen. Im auditiven Bereich sind die derzeit diskutierten NCC-Kandidaten frühe Negativitäten (Auditory Awareness Negativity, AAN28,30), die im N1-Zeitfenster beginnen, und späte Positivitäten (wie die P3-Amplitude23,24, aber siehe19). ). Zu diesem Zweck teilen wir die Versuche entsprechend der Reaktion auf das Hörziel pro Versuch auf (gehört: Ja vs. Nein). Um den zuverlässigsten Vergleich von gehörten und ungehörten Geräuschen zu erreichen, haben wir für jeden Teilnehmer die Lautstärkebedingung gewählt, die der Wahrnehmungsschwelle am nächsten kommt (d. h. mit aZ, gemittelt über die Belastung, am nächsten bei 0,75). Für die 36 Teilnehmer wurde die mittlere Lautstärke gewählt. Bei drei und vier Teilnehmern war die gewählte Lautstärke niedrig bzw. hoch. Die reaktionsabhängige Aufteilung der Versuche führte zu einem Durchschnitt von 21,2 Versuchen (SD=11,33) über alle Teilnehmer und Bedingungen hinweg. Allerdings wurden neun Probanden von der Analyse ausgeschlossen, weil bei ihnen eine oder mehrere Erkrankungen mit weniger Versuchen als dem ausgewählten Grenzwert von 4 auftraten, sodass eine endgültige Teilstichprobe von 34 Probanden übrig blieb. Daher haben wir eine ANOVA mit der Antwort (ja vs. nein) und der Belastung (LL vs. HL) im Zeitbereich N1 (oder AAN, 100–300 ms) und P3 (300–700 ms) für Geräusche mit einer Lautstärke berechnet nahe der Wahrnehmungsschwelle. Zur Beschreibung der Effektgrößen in allen statistischen Tests wurde das partielle Eta-Quadrat (ηp 2 ) verwendet.

Ergebnisse

Bewertungen und Verhaltensergebnisse.

Aufgabenerfüllung. Te d′ war im Niedriglastzustand (LL, M=4.47, SD=0.5; Abb. 3) höher als im Hochlastzustand (HL, M=2 .2, SD=0.87; Abb. 3). Die Antworten der Teilnehmer waren in der LL-Bedingung genauer als in der HL-Bedingung (t (42)=17.34, S<0.001; Fig. 3).

Geräuscherkennung.

Die ANOVA mit wiederholten Messungen auf aZ mit Last und Lautstärke als Faktoren zeigte einen Haupteffekt der Last (F (1,42)=11.28, S<0.01, ηp 2=0.21; Fig. 3) with lower detection sensitivity in the HL condition compared to the LL conditions. Moreover, there was a main effect of sound volume (F (2,84)=875.72, p<0.001, ηp 2=0.95; Fig. 3) as well as an interaction of load and sound volume (F (2,84)=5.64, p<0.01, ηp 2=0.12; Fig. 3). For the main effect of sound volume, post hoc tests (p values are Bonferroni-corrected for three tests) showed that the accuracy for the sound detection increased as sound volume increased (low vs. medium volume: t (42)= −26.64, p<0.001, medium vs. high volume: t (42)= −18.51, p<0.001). For the interaction of load and sound volume, planned comparisons revealed that the detection of the medium volume (t (42)=4.44, p<0.001) and the high volume sound (t (42)=2.95, p<0.01) were better under LL compared to HL, while no difference was found for the low volume sound (t (42)=0.58, p=0.56).

Abbildung 4 stellt anschaulich die mittlere Verteilung der vier Antwortkategorien dar, die in die Berechnung von aZ einfließen. Die visuelle Betrachtung von Abb. 4 lässt jedoch darauf schließen, dass sich viele „Nein-sicher“-Antworten unter geringer Last als „Nicht-unsicher“-Antworten unter hoher Last für die Tonbedingungen „kein“ und „niedrige Lautstärke“ herausstellten, und daher schien die Unsicherheit zu bestehen bei hoher Belastung erhöht werden. Um die Verhaltensprofile des Antwortverhaltens der Teilnehmer zu vervollständigen, führten wir eine zusätzliche explorative Analyse durch, in der wir die Konfidenz der Antworten verglichen (d. h. Ja-sicher+Nein-sicher-Antworten=hochkonfidente Antworten (2), Ja-sicher+nein-sicher-Antworten). unsichere + keine unsichere Antworten=geringe sichere Antworten (1)) für jede Lautstärkebedingung unter den verschiedenen Lastbedingungen. Beachten Sie, dass die Analysen von aZ und Konfidenz statistisch gesehen nicht unabhängig voneinander sind. Die ANOVA mit wiederholten Messungen zum Antwortvertrauen mit Last und Lautstärke als Faktoren zeigte die Haupteffekte der Last (F (1,42)=24.38, p < 0.001, ηp {{21 }}.37; Abb. 5) und Lautstärke (F (3,126)=55.31, S<0.001, ηp 2=0.57; Fig. 5) as well as an interaction of load and sound volume (F (3,126)=5.84, p<0.001, ηp 2=0.12; Fig. 5).

ERPs.

N1 Für die N1-Amplitude war der Haupteffekt für die Lautstärke signifikant (F (2,84)=70.56, S<0.001, ηp 2=0.63, Fig. 6). Planned comparisons revealed that the N1 amplitude was significantly higher for the medium versus low volume sound difference (t (42)=5.81, p<0.001) and the high versus medium volume sound difference (t (42)=7.62, p<0.001). The main effect for load and the interaction of load and sound volume was not significant (all p≥0.53). The additional analysis for heard vs. missed sounds showed a significant main effect of the report (F (1,33)=7.06, p<0.05, ηp 2=0.18, Fig. 7) with higher N1 amplitudes for heard vs. missed sounds. The main effect of load and the interaction of load and report remained insignificant (all p≥0.32).

P3 Für die P3-Amplitude sind die Haupteffekte für die Last (F (1,42)=3.14, S<0.1, ηp 2=0.07, Fig. 6) and sound volume (F (2,84)=52.97, p<0.001, ηp 2=0.56, Fig. 5) were significant. Figure 6 illustrates that the P3 amplitude is higher under LL than HL. For the main effect of sound volume, planned comparisons revealed that the P3 amplitude was significantly higher for the medium versus low volume sound difference (t (42)=− 6.63, p<0.001) and the high versus medium volume sound difference (t (42) = − 6.07, p < 0.001). The interaction of load and sound volume was significant as well (F (2,84)=2.89, p<0.1, ηp 2=0.06, Fig. 6). For the interaction of load and sound volume, planned comparisons revealed that the P3 amplitude was decreased under high compared to low load for the medium volume (t (42)=− 1.88, p<0.05) and high volume (t (42)=− 1.94, p<0.05), but not for the low volume sound difference (t (42)=0.04, p>0.48). Die zusätzliche Analyse für gehörte vs. verpasste Geräusche zeigte einen signifikanten Haupteffekt des Berichts (F (1,33)=17.73, S<0.001, ηp 2=0.35, Fig. 7) and load (F (1,33)=4.84, p<0.05, ηp 2=0.13; Fig. 7) with higher P3 amplitudes for heard vs. missed sounds. There was no significant interaction of load and report (p=0.45).

Diskussion

Ziel dieser Studie war es, die Auswirkungen der visuellen Arbeitsgedächtnisbelastung auf die Verarbeitung auditiver Ablenkungen zu untersuchen. Wir fanden (1) eine bessere Schallerkennungsempfindlichkeit bei niedriger als bei hoher Last für den Ton mit mittlerer und hoher Lautstärke, (2) eine höhere Antwortsicherheit bei niedriger als bei hoher Last für jede Tonbedingung, (3) eine lastunabhängige N1-Amplitude für alle Lautstärken, (4) eine verringerte P3-Amplitude bei hoher im Vergleich zu niedriger Last für den Ton mit mittlerer und hoher Lautstärke und (5) lastunabhängige Bewusstseinseffekte sowohl während des frühen (N1) als auch des späten (P3) Zeitfensters.
Die Verhaltensdaten zeigen eine verringerte Erkennung und eine geringere Antwortsicherheit für Geräusche bei hoher Arbeitsgedächtnisbelastung im Vergleich zu niedriger. Dies ähnelt der Modulation der Schallerkennung in Abhängigkeit von der visuellen Wahrnehmungsbelastung27. Allerdings wurde in beiden Studien „unaufmerksame Taubheit“ nur in einer kleinen Anzahl von Versuchen beobachtet, was darauf hindeutet, dass die Annahme von Belastungseffekten ein Alles-oder-Nichts-Phänomen darstellt, wie es in seiner strengsten Form1 beschrieben wird („irrelevante Informationen werden ausgeschlossen). Verarbeitung“, S. 195), kann nicht unterstützt werden.

In Bezug auf frühe ERP-Daten wurde die N1-Amplitude nicht durch die Belastung beeinflusst und es gab keine Wechselwirkung zwischen Belastung und Lautstärke. Frühere Studien zur Arbeitsgedächtnisbelastung ergaben verringerte (visuelle ERPs8,9, auditive ERPs11,12) oder unbeeinflusste frühe ERP-Amplituden (visuelle ERPs5–7, auditive ERPs13) bei hoher Belastung im Vergleich zu niedriger Belastung. Diese heterogenen Ergebnisse könnten mit den Unterschieden in der Auswahl der Reize und ihrer Erwartung zusammenhängen. Beispielsweise verwendeten zwei visuelle Studien17,18 emotionale Gesichter als Ablenker und berichteten über Belastungseffekte auf die N170-Amplitude. Mehrere Studien zur Wahrnehmungsbelastung fanden jedoch keinen Einfluss der Belastung auf die N170-Amplitude37–39, was die Variabilität der Auswirkungen der N1/N170-Belastung unterstreicht. In der Studie von Yang et al.9 wurde der Distraktor in der Studie vorhersehbar präsentiert, was die unterdrückende Belastungswirkung verstärken könnte. Mehrere andere Studien zum visuellen Arbeitsgedächtnis14–16 fanden keinen Einfluss der Belastung auf die frühen Amplituden bei hoher vs. niedriger Belastung. Bei akustischen Reizen sind die Ergebnisse ebenfalls gemischt und die Ergebnisse können von analytischen Parametern, experimentellen Parametern und statistischer Aussagekraft abhängen. Simon et al.12 konnten bei hoher Arbeitsgedächtnisbelastung eine verminderte N1-Verarbeitung für auditive Ablenker nachweisen. Der Unterschied der Studie besteht jedoch darin, dass die Probanden eine Tracking-Aufgabe absolvieren und somit einer ständigen exekutiven Anforderung über die Arbeitsgedächtnisbelastung hinaus unterliegen. Darüber hinaus lassen die Studien von Mahajan et al.11 und San Miguel et al.13 Zweifel an der Zuverlässigkeit des Auftretens von Früheffekten aufkommen (siehe auch 4). Obwohl beide Studien ein identisches Paradigma verwenden, berichteten Mahajan et al.11 im Gegensatz zu San Miguel et al.13 über N1-Belastungseffekte.

Unser Vergleich zwischen gehörten und verpassten Ablenkungsgeräuschen, unabhängig von der Belastung, zeigte eine Modulation früher Negativitäten im N1-Zeitfenster durch aktuelle Theorien, was darauf hindeutet, dass das AAN ein neuronales Korrelat der auditiven Wahrnehmungswahrnehmung ist28,30. Dieses Muster wurde jedoch nur für lastunabhängige Awareness-Effekte beobachtet. Wie oben beschrieben, gab es in diesem Zeitfenster keinen Einfluss der Belastung auf das auditive ERP. Daher ist der Lasteffekt auf die Erkennung nicht auf typische bewusstseinsbedingte Amplitudenmodulationen im N1- (oder AAN-)Zeitfenster zurückzuführen, sondern hängt von späteren Prozessen ab. Daher sind in unserer Studie belastungsbedingte Modulationen der Reizwahrnehmung nicht mit einem frühen NCC verbunden.

Bei den späten ERP-Daten gab es einen Haupteffekt der Belastung auf die P3-Amplitude und eine Wechselwirkung zwischen Lautstärke und Belastung. Der Haupteffekt der Belastung auf die P3-Amplitude steht im Einklang mit früheren Studien, die zeigen, dass eine hohe Belastung des visuellen Arbeitsgedächtnisses die auditiven P3-Reaktionen verringert20,22,23,40. Unsere P3-Effekte spiegeln die Ergebnisse auf der Verhaltensebene wider, wo die Geräuscherkennung bei hoher Lautstärke im Vergleich zu niedriger Last bei mittlerer und hoher Lautstärke geringer war, nicht jedoch bei niedriger Lautstärke. Somit scheint der späte neuronale Effekt der visuellen Belastung auf Hörreize die Wahrscheinlichkeit einer gemeldeten Wahrnehmung dieser Reize zu verringern. Unsere zusätzliche Analyse zeigte auch einen lastunabhängigen Bewusstseinseffekt während der P3-Stufe. Es wurde vorgeschlagen, dass die P3-Amplitude Aufmerksamkeit, Entscheidungsfindung und Vertrauen bei Erkennungsentwürfen repräsentiert12,28,41–45. Die P3-Komponente stellt keinen notwendigen NCC dar (im visuellen Bereich28,44,46, im auditiven Bereich41,47), sondern scheint stattdessen die Tiefe der bewussten Verarbeitung, Kodierung und damit den Grad der Meldebarkeit von Reizen widerzuspiegeln41,48. In unserem Design ist es wahrscheinlich, dass diese Prozesse die spätere Erkennungsleistung beeinflussen und dass die Arbeitsgedächtnisaufgabe die mit der P3-Amplitude verbundene Verarbeitungsstufe moduliert. Zusammenfassend deuten unsere Daten darauf hin, dass die Erkennungsleistung aus einer späten Verarbeitungsphase resultieren könnte, in der lastassoziierte Erkennungseffekte von lastunabhängigen Bewusstseinseffekten getrennt werden können.

Unter Bezugnahme auf die Studie von Molloy et al.17, die unsere Studie motivierte, fanden wir ähnliche Ergebnisse auf der Verhaltensebene und unterschiedliche Ergebnisse auf der neuronalen Ebene. Beide Studien berichteten über eine verringerte Erkennung von Hörreizen bei hoher im Vergleich zu niedriger (Wahrnehmungs- oder Arbeitsgedächtnis-)Belastung, verbunden mit einem späten neuronalen Belastungseffekt auf die P3-Amplitude. Allerdings fanden Molloy et al.17 zusätzlich einen frühen neuronalen Belastungseffekt auf die aM100-Amplitude, der in unserer Studie nicht auftrat. Im Gegensatz dazu kommen wir für ERPs zu dem Schluss, dass es keine Belastungseffekte auf N1 gibt, basierend auf der relativ großen Stichprobengröße unserer Studie, gut kontrollierten Reizen und vielen Versuchen pro Bedingung. Auch wenn es wahrscheinlich erscheint, dass Wahrnehmungs- und Arbeitsgedächtnisbelastung ähnliche Effekte hervorrufen6, kann nicht systematisch ausgeschlossen werden, dass die ermittelten Unterschiede zwischen den beiden Studien auf einem allgemeinen Unterschied zwischen den Belastungsarten beruhen könnten.

Es ist jedoch wahrscheinlicher, dass andere Studienparameter diese Unterschiede erklären. MEG und EEG reagieren auf unterschiedliche Dipole elektromagnetischer Felder, was erklären könnte, warum MEG Effekte zeigt, die bei EEG-Daten nicht beobachtet werden. Idealerweise kann eine Kombination verschiedener neurowissenschaftlicher Methoden dieses Problem lösen. Darüber hinaus gibt es (neben den unterschiedlichen Belastungsarten) Unterschiede im eigentlichen Studiendesign. In der Studie von Molloy et al.17 traten Belastungs- und Ablenkungsreize gleichzeitig auf, was einen entscheidenden Unterschied zu unserem Arbeitsgedächtnis-Belastungsdesign darstellt, bei dem Ablenkungsreize präsentiert werden, nachdem Belastungsreize bereits vom Bildschirm verschwunden sind. Zukünftige Studien könnten daher direkt testen, ob das Timing von Distraktoren im Verhältnis zur Belastungsaufgabe (Kodierung, Aufrechterhaltung von Informationen, Beibehaltung/Entscheidungsfindung) zu unterschiedlichen Effekten führt. Darüber hinaus verglich unsere Studie die Reaktionen auf Distraktorreize mit Belastungsbedingungen ohne Distraktoren, um allgemeine Belastungseffekte zu kontrollieren. Mit anderen Worten: Ohne diese Kontrolle ist es schwierig zu entscheiden, ob es sich bei den Effekten um Effekte auf die Distraktorverarbeitung oder um Effekte von Aufgaben/Zielen handelt, insbesondere in Fällen, in denen sich Ziele/erforderliche Aufgabenreaktionen und Distraktoren überschneiden.

Wir möchten auf einige Einschränkungen unserer Studie hinweisen. Selbst wenn die Sehaufgabe als Hauptaufgabe festgelegt wurde, führte die Anweisung, auf die Hörreize zu reagieren, zu einer Doppelaufgaben-ähnlichen Situation. Dies war für den aktuellen Entwurf unvermeidbar, bei dem uns sowohl die Sensibilisierungsbewertung als auch die Untersuchung von ERPs am Herzen lagen. Daher könnten multisensorische Aufgabenwechseleffekte die Ergebnisse beeinflusst haben50 und sollten in zukünftigen Studien mit tatsächlichen aufgabenirrelevanten Hörreizen untersucht werden. Darüber hinaus konnten wir nur zwei Laststufen realisieren. Zukünftige Forschungen sollten den Bereich der Belastungsstufen38 erweitern, um besser zu verstehen, wie sich die Wahrnehmungsbelastung parametrisch auf die Erkennung und ERP-Reaktionen auswirkt. Zukünftige Studien könnten auch einen breiteren Bereich individueller Schallpegel verwenden. Schließlich verwendeten wir eine spezifische Operationalisierung des Arbeitsgedächtnisses. Zukünftige Studien könnten die Methode und die Position der Präsentation von Geräuschen in Bezug auf verschiedene Phasen der Aufgabe (Kodierung, Speicherung, Sondierung) variieren. Ein weiterer Punkt ist, dass unsere Studie ein modalübergreifendes Design verwendet. Während es in Load Teory51 kein theoretisches Argument für oder gegen uni- oder kreuzmodale Experimente gibt, bedarf diese Frage weiterer empirischer Forschung. Zukünftige Studien mit ausreichender Leistung könnten uni- und multimodale Designs direkt vergleichen. Schließlich könnten andere Analysestrategien wie die multivariate Musteranalyse52 oder die Analyse speziell vordefinierter Elektroden auf der Grundlage früherer Arbeiten subtile Effekte in frühen Zeitfenstern aufdecken, die in der aktuellen Studie nicht beobachtet wurden.

Abschluss

We investigated the detection and neural processing of auditory stimuli varying in stimulus intensity during a continuous stimuli-unrelated visual load condition alternating between low and high load. We found, depending on stimulus strength, decreased detection and late ERP responses (>300 ms) auf akustische Reize bei hoher im Vergleich zu niedriger Belastung. Die Ergebnisse deuten auf einen späten neuronalen Effekt der visuellen Belastung auf Hörreize hin, der mit einer verringerten Wahrscheinlichkeit einer gemeldeten Wahrnehmung dieser Reize einhergeht. Dieser Effekt ist von allgemeinen frühen und späten ERP-Bewusstseinseffekten trennbar.

Datenverfügbarkeit

Die während der aktuellen Studie generierten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

Verweise

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3. Lavie, N., Beck, DM & Konstantinou, N. Von der Belastung geblendet: Aufmerksamkeit, Bewusstsein und die Rolle der Wahrnehmungsbelastung. Philos. Trans. R. Soc. B Biol. Wissenschaft. 369, 20130205 (2014).

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6. Brockhof, L., Schindler, S., Bruchmann, M. & Straube, T. Auswirkungen der Wahrnehmungs- und Arbeitsgedächtnisbelastung auf Gehirnreaktionen auf aufgabenirrelevante Reize: Rückblick und Implikationen für zukünftige Forschung. Neurosci. Bioverhalten. Rev. 135, 104580 (2022).

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15. Freeman, SM, Itthipuripat, S. & Aron, AR Eine hohe Arbeitsgedächtnisbelastung erhöht die intrakortikale Hemmung im primären motorischen Kortex und verringert den motorischen Affordance-Effekt. J. Neurosci. 36, 5544–5555 (2016).

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