Cognitive energetic mechanisms and neural basis of alertness regulation

Langner, Robert; Spijkers, Wilhelmus

doi:30370

Cognitive energetic mechanisms and neural basis of alertness regulation = Kognitiv-energetische Mechanismen und neuronale Grundlage der Alertness-Regulation

Langner, Robert (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Robert Langner

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

Umfang115 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak07

Hauptberichter/Gutachter
Spijkers, Wilhelmus (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-05-18

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-33684
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63200/files/3368.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Neuropsychologie (535000-3)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Neuropsychologie (Genormte SW) ; Kognitive Psychologie (Genormte SW) ; Bildgebendes Verfahren (Genormte SW) ; Experimentelle Psychologie (Genormte SW) ; Reaktionszeit (Genormte SW) ; Psychologie (frei) ; Aufmerksamkeit (frei) ; funktionelle Kernspintomographie (frei) ; Neuropsychology (frei) ; Experimental Psychology (frei) ; Neuroimaging (frei) ; Attention (frei) ; fMRI (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 150
rvk: CP 6000 * CZ 1300 * CZ 1000

Kurzfassung
Die menschliche Kognition wird von „energetischen” Faktoren wie Anstrengung oder Müdigkeit beeinflusst. Interessanterweise finden sich deutliche Effekte gerade bei scheinbar einfachen oder überlernten kognitiven Aufgaben, die eine andauernde Aufmerksamkeitszuwendung erfordern. Viele Leistungseinbußen und Fehler, von verminderter Effizienz bis zu katastrophalen Unfällen, lassen sich besonders bei monotonen und kognitiv wenig herausfordernden Aufgaben auf Daueraufmerksamkeitsdefizite zurückführen. Ein klassisches Paradigma, mit dem die Daueraufmerksamkeitsleistung bei gleichzeitig minimalen kognitiven Anforderungen untersucht wird, sind Einfachreaktionsaufgaben. Bei diesen soll schnellstmöglich auf vorbestimmte Reize reagiert werden, wobei die Entdeckung eines Reizes stets dieselbe Reaktion erfordert. Die einzige Unbekannte in diesem Paradigma ist der genaue Zeitpunkt des Auftretens der Reize. Die Herstellung und Aufrechterhaltung einer hohen Reaktionsbereitschaft in solchen Aufgaben wird als „Alertness” bezeichnet. Diese Arbeit beschäftigt sich zum einen mit den kognitiv-energetischen Mechanismen, die zu einer hohen Alertness beitragen bzw. ihre Abnahme über die Zeit bedingen, zum anderen mit der neurobiologischen Grundlage der Alertness-Regulation. Die erste Studie untersuchte in drei 25-minütigen Einfachreaktionsaufgaben, die via Manipulation der Stimulussalienz unterschiedlich hohe Anforderungen an die Aufmerksamkeit stellten, ob Leistungsseinbußen über die Zeit eher mit einem zunehmenden Abschweifen des Aufmerksamkeitsfokus (Distraktionshypothese) oder mit einer Erschöpfung attentionaler Ressourcen (Ermüdungshypothese) zu erklären sind. Die erhobenen Verhaltens- und Fragebogendaten sprachen überwiegend für letztere Erklärung, da Leistungseinbußen und subjektive Erschöpfung bei höheren Aufmerksamkeitsanforderungen stärker anstiegen. Die Zunahme selbstberichteter aufgabenirrelevanter Kognitionen über die Zeit lieferte aber auch einen Beleg für die Distraktionshypothese. Basierend auf diesen Befunden wird ein Ansatz entwickelt, der beide Erklärungen in einem hierarchischen Selbstregulationsmodell vereint. Die zweite Studie ging der Frage nach, inwieweit Mechanismen der zeitlichen Vorbereitung unter Unsicherheit, die zu einer optimalen Effizienz in Einfachreaktionsaufgaben beitragen, bei Daueranforderung ermüden. In einer 50-minütigen Einfachreaktionsaufgabe fand sich eine typische allgemeine Reaktionszeitverlangsamung über die Zeit, aber keine Veränderung in Parametern der zeitlichen Vorbereitung (d. h. im so genannten variablen sowie sequentiellen Vorperiodeneffekt). Das lässt zum einen den Schluss zu, dass kognitive Prozesse der zeitlichen Vorbereitung nicht wesentlich zum Leistungsabfall über die Zeit beitragen, und zum anderen, dass der zeitlichen Vorbereitung unter Unsicherheit zumindest teilweise unbewusste, wenig ermüdbare Prozesse (z. B. assoziatives Lernen) unterliegen. Die dritte Studie beschäftigte sich mit der Frage, welches Netzwerk im Gehirn der Alertness-Regulation zugrunde liegt - und zwar unabhängig von der Sinnesmodalität der Reize. Die kernspintomographische Messung der Hirnaktivität bei der Bearbeitung von Einfachreaktionsaufgaben mit auditiven, taktilen oder visuellen Reaktionssignalen ergab übereinstimmend ein Netzwerk aus vorwiegend rechtshemisphärischen kortikalen Arealen sowie mesenzephalen und zerebellären Strukturen. Dies belegt die Modalitätsunabhängigkeit früherer Befunde aus positronenemissionstomographischen Studien und zeigt, dass die bisherigen Erkenntnisse auch auf taktile Reize generalisierbar sind. Insgesamt zeigt die Arbeit, dass verschiedene - ermüdbare wie nicht ermüdbare - kognitive Prozesse zur Aufrechterhaltung einer hohen Reaktionsbereitschaft beitragen, die von einem umfangreichen supramodalen zerebralen Netzwerk geleistet werden. Weiterführend stellt sich die Frage, inwieweit das Konstrukt "Alertness" in sinnvolle Subkomponenten zerlegt werden könnte, um für diagnostische Fragestellungen einen höheren Differenzierungsgrad zu erreichen.

Human cognition is influenced by "energetic" factors like effort or fatigue. Interestingly, seemingly easy or well-practiced tasks that still require a continuous attentional engagement, have been found especially susceptible to the effects of such energetic variables. Particularly in monotonous and cognitively little challenging tasks, impaired performance, from reduced efficiency to catastrophic errors, often results from temporary deficits in sustaining attention. A classic paradigm with minimal cognitive demands that is used for examining the most basic form of sustained attention is simple reaction-time tasks. These tasks require a rapid motor response to predefined stimuli. The reaction upon stimulus detection is always the same, and the only unknown variable is the exact moment of stimulus occurrence. Attaining and maintaining a state of readiness to respond in such tasks has been termed "alertness." This thesis investigates cognitive-energetic mechanisms that contribute to alertness and its decrease over time as well as the neurobiological basis of alertness regulation. The first investigation (Study 1) examined in three 25-min simple reaction-time tasks, which posed different demands on attention via manipulations of stimulus salience, whether performance decrements with time on task can be better explained with increasing drifts of the attentional focus away from the task (distraction hypothesis) or with a depletion of attentional resources (mental-fatigue hypothesis). The performance and questionnaire data largely corroborated the latter explanation, since decrements and subjective fatigue increased more with higher attentional demands. The increase of self-reported task-unrelated thoughts over time, however, provided some evidence for the distraction hypothesis as well. Based on these findings, an approach is developed that incorporates both explanations in a hierarchical model of self-regulation. Study 2 examined the question as to what extent the mechanisms of temporal preparation under time uncertainty, which contribute to optimal performance in simple reaction-time tasks, suffer from exhaustion after prolonged continuous demands. In a 50-min simple reaction-time task, we found the typical reaction-time slowing with time on task but no change in parameters of temporal preparation (i.e. the so-called variable and sequential foreperiod effects, respectively). This suggests (a) that cognitive processes of temporal preparation do not significantly contribute to alertness decrements with time on task and (b) that the mechanisms underlying temporal preparation are processes that are hardly susceptible to mental fatigue, such as nonintentional associative learning. The third experiment (Study 3) investigated the brain network subserving alertness regulation - independent of the sensory modality of the response signals. We used functional magnetic resonance imaging to measure brain activity during simple reaction-time performance in tasks with auditory, tactile or visual stimuli. The results revealed a supramodal (i.e. modality-independent) brain network consisting of predominantly right-lateralized cortical areas as well as brainstem and cerebellar structures. This corroborates the modality independence of previous findings from single-modality studies that used positron emission tomography and demonstrates that the notion of a right-lateralized network for alertness regulation can be generalized to tactile stimuli. Taken together, the results of the thesis show that a variety of - fatigable as well as non-fatigable - processes contribute to maintaining response readiness in simple reaction-time tasks, which appear to be subserved by a widespread supramodal brain network. These findings raise the question for future research and application to what extent the construct "alertness" may be segregated into useful subcomponents to achieve a refined differentiation in diagnostic contexts.

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