About sensorimotor learning and the relevance of workspace perception

Wang, Lei; Müsseler, Jochen

doi:999910313868

About sensorimotor learning and the relevance of workspace perception = Wahrnehmung der Handlungsumgebung und visuomotorisches Lernen

Wang, Lei (Author)

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Lei Wang

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangXI, 79 Bl. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak07

Hauptberichter/Gutachter
Müsseler, Jochen (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-07-24

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-47445
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229203/files/4744.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Arbeits- und Kognitionspsychologie (721220)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Wahrnehmung (Genormte SW) ; Handlung (Genormte SW) ; Visuomotorisches Lernen (Genormte SW) ; Psychologie (frei) ; visuomotor learning (frei) ; goal-directed movement (frei) ; perception (frei) ; internal modell (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 150

Kurzfassung
Bei zielgerichteten Handlungen - wie Greifen, Zeigen und werfen, navigieren Menschen eigene Körperteile (Effektoren) im externalen Raum, um beabsichtigte physikalische Effekte zu erzielen. Den motorischen Kontrollfunktionen liegen die sogenannten internen Modelle zugrunde. Die Modelle bezeichnen in diesem Zusammenhang neuronale Kontroller, die Sensorik und Motorik mittels festgelegter Regeln oder Algorithmen verknüpfen. Sie bestehen aus mentalen Repräsentationen der kinematischen und dynamischen Einzigartigkeiten der motorischen Bewegungen in einer bestimmten Handlungsumgebung. Die internen Modelle erfüllen im Wesentlichen zwei Funktionen: zum einen die Transformation der euklidisch repräsentierten Zielposition in motorische Kommandos, und zum anderen die Prädiktion der sensorischen Effekte durch interne Simulation der Handlung unabhängig von ihrer Ausführung. Entscheidend für die Funktionstüchtigkeit der internen Modelle sind korrekte kinematische und dynamische Parameter, welche häufig kontextabhängig sind. Aus diesem Grund müssen kontextuelle Besonderheiten registriert und berücksichtigt werden, um optimale Motorsteuerung zu ermöglichen. Die Adaptivität stellt somit eine Kernkompetenz des menschlichen sensomotorischen Systems dar. Einen Einblick in die dahinterliegenden kognitiven Prozesse macht sich die vorliegende Arbeit zum Ziel. Die Arbeit fokussiert auf die sensomotorische Adaptation an visuomotorischen Rotationen, die die Bewegungs-kinematik variieren. Der kommende Abschnitt gibt einen kurzen Überblick über die empirischen Studien, auf denen die vorliegende Arbeit basiert. In Kapitel 2 wird eine Studie (Studie 1) berichtet, die simultane Adaptation an richtungsdiskordanten visuomotorischen Rotationen (dual adaptation) untersucht. Im Vordergrund der Studie steht die Evaluation der Wirksamkeit verschiedener Kontextcues. Diese sind kontextspezifische sensorische Informationen, die die Differenzierung zwischen verschiedenen Rotationsbedingungen ermöglichen. In der Studie wurden visuelle und somatosensorische Cueing-Signale miteinander verglichen. Die Ergebnisse wurden im Zusammenhang mit früheren Studien diskutiert, die auf visuelle Dominanz in Handlungsrepräsenation und -steuerung hinweisen. Neben den oben erwähnten Kontextcues, die hohe Salienz für die Wahrnehmung besitzen, können „verborgene“ sensorische Informationen ebenfalls handlungsrelevant werden. Als eine solche ist die ganzheitliche räumliche Struktur eines visuellen Handlungsraumes zu betrachten, mit welcher sich die im Kapitel 3 berichtete Studie (Studie 2) auseinandersetzt. Die Studie basiert auf der Annahme, dass die räumliche Struktur eines visuell repräsentierten distalen Handlungsraumes die sensomotorische Adaptation maßgebend beeinflussen kann. Diese Annahme wurde in drei Experimenten untersucht, bei denen die intra- und intermanuelle Generalisierung der sensomotorischen Adaptation als abhängige Variable analysiert wurde. Ergebnisse konnten zeigen, dass die erlernte Rotation in Übereinstimmung mit der räumlichen Struktur des visuellen Handlungsraumes generalisiert wurde. Basierend auf diesem Befund, vertrete ich die Ansicht, dass visuomotorische Rotationen (und andere sensomotorischen Transformationen) als integrative Bestandteile des gesamten Handlungsraumes verstanden werden müssen, wobei die visuell repräsentierte räumliche Struktur des Handlungsraumes eine kritische Rolle spielt. Diese Annahme wurde in einer Studie (Studie 3) weiterverfolgt, die im Kapitel 4 berichtet wird. Die Studie untersuchte sensomotorische Adaptation an entgegengesetzten visuomotorischen Rotationen in einem Handlungsraum, der eine visuelle Symmetrie aufwies. Modulare Adaptation, nutzungsbedingte Plastizität (use-dependent learning) und räumliche Angleichung (spatial realignment) stehen als prinzipiell mögliche Anpassungsmechanismen zur Verfügung. Da diese Mechanismen zu unterschiedlichen Vorhersagen über das Generalisierungsverhalten führten, wurden Vergleiche zwischen den Vorhersagen und den empirischen Daten durchgeführt. Trotz vielseitiger Vorteile der modularen Adaptation, stellte das oben erwähnte Transformationsszenario einen Fall dar, in dem modulare Adaptation an Effizienz fehlte. Empirische Daten lieferten klaren Hinweis auf räumliche Angleichung als Reaktion auf die visuomotorischen Rotationen. Dieses Ergebnis war im Sinne der Hypothese. Mögliche neurologische Prozesse wurden diskutiert, die der räumlichen Angleichung zugrunde liegen. Diese Arbeit soll dazu beitragen, das Erkenntnisrepertoire im Gebiet der sensomotorischen Adaptation durch das Aufstellen neuer theoretischer Ansätze, ihre empirische Verifikation, sowie das Anregen weiterführender Arbeit zu erweitern.

In common cases of goal directed motor behavior like grasping, pointing and throwing, humans navigate their own body in the external space to achieve desired physical effects. Hereby, the so-called internal models provide the basis of human motor control. They are based on mental representations of the movement kinematics and dynamics in a given environment, and fulfill two major functions: to translate targeted Euclidean positional codes into motor program, on the one hand, to estimate the current body state, and to predict the sensory consequence of the action by simulating the action flow, on the other. Hence, sufficient specification of the kinematic and dynamic movement parameters is essential. Context-related peculiarities need to be registered and countervailed to confer optimal motor control. The present work focuses on adaptation to sensorimotor transformations imposed by visuomotor rotations. The upcoming section gives a brief overview of the studies included in the present work. Study 1 investigates dual adaptation, i.e. concurrent adaptation to opposing visuomotor rotations. Particularly interesting was the effectiveness of different contextual cues, i.e. sensory information in the movement context differing between rotation conditions, which haven found to be crucial for dual adaptation. Consequently, visual and postural cues were compared with each other. Results were discussed in connection with previous studies indicating visual dominance in movement representation and control. In contrast to the aforementioned salient contextual cues, some sensory information in an action context could be more latent, for example, the spatial structure of a visual workspace, which has been addressed in Study 2. This study focused on a novel aspect of visuomotor adaptation, and more importantly, the subsequent generalization. It is based on the assumption that the spatial structure of the distal workspace is crucial for optimal motor learning. This approach was examined in three experiments by analyzing intra- and intermanual generalization of adaptation induced by visuomotor rotation. Rotation conditions that were concordant with the global structure of the visual workspace were found more advantageous compared to conditions discordant to the visual workspace. Results were discussed in the background of the general issue concerning the relevance of contextual similarity in motor learning. Hence, according to our approach, visuomotor rotations as well as other sensorimotor transformations are not isolated occurrences and must be understood as integrative part of the entire movement context. This approach was investigated more extensively in the study reported in Study 3. The study inspected the adaptation processes to opposing visuomotor rotations in a symmetrical workspace. Modular adaptation, use-dependent plasticity and spatial realignment theoretically were possible mechanisms to deal with the rotation scenario. Since these mechanisms lead to different predictions regarding generalization behavior, comparisons between predictions and empirical data were conducted. In spite of evidential advantages of modular structures in adaptive motor control, the current work could show a particular case of visuomotor transformation, in which modularity lacks efficiency. Empirical data indicate that the adaptive motor control employed the spatial realignment to accomplish adaptation more efficiently. Possible neurological processes underlying spatial realignment in this particular case was discussed. Generally, this work aimed to extent the previous research scope concerning sensorimotor adaptation by postulating new theoretical approaches, demonstrating related behavioral phenomena and disclosing novel topics for future works.

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