Vorlesung im WS 2013/14
Lernen und Gedächtnis
Arbeitsgedächtnis
Prof. Dr. Thomas Goschke
Professur für
Allgemeine Psychologie
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, 829-839.
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Überblick
Baddeleys Modell des Arbeitsgedächtnisses
Empirische Evidenz für die „phonologische Schleife“
Empirische Evidenz für den „visuell-räumlichen Notizblock“
Kognitive Neurowissenschaft des Arbeitsgedächtnisses
Rekapitulation: Atkinson und Shiffrins Mehrspeichermodell
KZG LZG
Speicherung Aufrechterhaltung durch Rehearsal (bewusst)
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
© 20013 Worth Publishers
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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
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Neuropsychologische Evidenz für modalitätsspezifische Kurzzeitspeicher
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
30
40
50
60
70
80
90
100
1 Item 2 Items 3 Items
% K
orr
ek
t eri
nn
ert
e
Item
s
AkustischVisuell
Kurzzeitgedächtnis ist kein einheitliches System
Modalitätsspezifische Speicher
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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
Rehearsal Imagery
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Phonologische Schleife
Aktuelles Modell der phonologischen Schleife
19 Baddeley, A.D. (2003). Nature Reviews Neuroscience, 4, 829-839.
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
24
0
20
40
60
80
100
List A
mad man cap etc.
List B
pen day sup etc.
List C
big huge great etc.
List D
old late thin etc.
• Ähnlich klingende Worte werden
kurzzeitig schlechter behalten als
unähnliche Wort
• Fehler sind häufig ähnlich
klingende Worte
• Information wird in einem
phonologischen Kode aufrecht
erhalten
• Ähnlich klingende Wörte haben
ähnliche phonologische
Repräsentation sind beim
Reproduzieren schlechter zu
diskriminieren
Evidenz für die phonologische Schleife
Phonemischer Ähnlichkeitseffekt
25
LZG wird durch semantische Ähnlichkeit beeinträchtigt
Fehler sind oft bedeutungsähnliche Worte
Phonemischer Ähnlichkeitseffekt und Langzeitgedächtnis
Gleiche Wortlisten wurden mehrmals gezeigt
Gedächtnistest nach 20 Minuten
List A List B List C List D
0
20
40
60
80
100 mad man cap etc.
pen day sup etc. big
huge great etc.
old late thin etc.
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Empirische Evidenz für die phonologische Schleife
1. Phonemischer Ähnlichkeitseffekt
2. Wortlängeneffekt
27
Evidenz für die phonologische Schleife Wortlängeneffekt
Baddeley et al. (1975)
29
Evidenz für die phonologische Schleife Wortlängeneffekt
Je länger Worte sind…
umso längere
Lesezeit
umso kleinere
Gedächtnisspanne
Baddeley, Thomson & Buchanan (1975)
31
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)
32
Mit dem Alter steigt… Lese- und
Sprechgeschwindigkeit Gedächtnisspanne
Beide Effekte sind hoch korreliert
Evidenz für die phonologische Schleife Sprechgeschwindigkeit
(Hulme, Thomson, Muir & Lawrence, 1984).
35
Empirische Evidenz für die phonologische Schleife
1. Phonemischer Ähnlichkeitseffekt
2. Wortlängeneffekt
3. Lesegeschwindigkeit
4. Irrelevanter Spracheffekt
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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
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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
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Empirische Evidenz für die phonologische Schleife
1. Phonemischer Ähnlichkeitseffekt
2. Wortlängeneffekt
3. Lesegeschwindigkeit
4. Irrelevanter Spracheffekt
5. Artikulatorische Suppression
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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
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)
41
Empirische Evidenz für die phonologische Schleife
Artikulatorische Suppression
Artikulatorische Suppression eliminiert den Wortlängeneffekt nur bei visueller Darbietung
Bei auditorischer Darbietung bleibt Effekt auch unter Suppresssion erhalten
Abb. aus
Eysenck & Keane (2010).
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).
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
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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
46
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
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
Flexible Verhaltenssteuerung
• Aktive Aufrechterhaltung ziel- und aufgabenrelevanter Information (Hinweisreize, Aufgabenregeln, Instruktionen)
• Ermöglicht es, auf gleiche Reizsituation unterschiedlich zu reagieren
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Visuell-räumliches Arbeitsgedächtnis
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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
Rehearsal Imagery
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Mentale Rotation
Sind die beiden Reize gleich oder verschieden?
60
Mentale Rotation
Sind die beiden Reize gleich oder verschieden?
61
Mentale Rotation
Sind die beiden Reize gleich oder verschieden?
62
Mentale Rotation: Ergebnisse von Shepard & Metzler (1971)
Vpn scheinen in der Vorstellung die Figuren „mental zu rotieren“, bis sie gleiche Orientierung haben
Annahme einer „analogen“ (im Unterschied zu einer propositionalen) Repräsentation
66
Image scanning (Kosslyn 1983)
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
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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 räumlich-visuellen Aufgabe geringere Interferenz
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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 8.
Brooks, L.R. (1967). The suppression of visualization by
reading. Quarterly J. of Exp. Psychol., 19, 289-299.
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Selektive Interferenz
Probanden sollten gleichzeitig mit der Matrix-Aufgabe eine visuelle Tracking-Aufgabe („pursuit rotor“) ausführen
Baddeley et al. (1975). Imagery and working memory. In P.M.A. Rabitt & S. Dornic
(Eds.), Attention and Performance V (pp. 205-217). London: Academic Press.
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.
…
74
Selektive Interferenz: Ergebnisse
75
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
*
76
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
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Ergebnisse: Selektive Interferenz Brooks (1968)
Vokal - 11.3 seconds
Tapping - 14.1 seconds
Zeigen - 28.2 seconds
Interpretation:
• Zeigen erfordert visuell-räumliche Verarbeitung interferiert visuell-
räumlichem Arbeitsgedächtnis
• Verbale oder motorische Reaktion stört visuell-räumliches Arbeitsgedächtnis nicht
• Spricht für separate Systeme zur Aufrechterhaltung verbaler u. visuell-räumlicher Information
*
83
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
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).
87
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…
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, 829-839.
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Alternative Modellvorstellungen zum Arbeitsgedächtnis
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
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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
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