Universität Leipzig SS 2002 - des Instituts für Psychologie an der

Universität Leipzig SS 2002
Fakultät für Biowissenschaften, Pharmazie und Psychologie
Institut für Allgemeine Psychologie
Experimentalpsychologisches
Praktikum
der Studenten:
Tina Mackrodt, Stefanie Gottwald, Katharina Thomas,
Corinna Singer und Jeannine Stiller
unter Leitung von:
Sabine Grimm (cand. psych.) und Dr. Raul Kompass
Gliederung
1. Theoretischer Hintergrund
2. Das Wahrnehmungsphänomen Double-Flash
3. Hypothese
3.1 Vorexperiment
3.2 Hauptexperiment
4. Experimentelles Design
4.1 Voruntersuchung
4.2 Hauptuntersuchung
5. Versuchsaufbau
6. Durchführung
7. Ergebnisse
8. Diskussion
9. Literatur
1. Theoretischer Hintergrund - Motivation
Schon seit vielen Jahrzehnten beschäftigen sich Psychologen und Forscher anderer
humanwissenschaftlicher Disziplinen mit der Erforschung und Analyse neuronaler
Prozesse während der Informationsaufnahme und -Verarbeitung, besonders im
Bereich der Wahrnehmung und Aufmerksamkeit. Hier hat sich in den letzten Jahren
die Annahme durchgesetzt, dass Wahrnehmungsprozesse sowohl vom Konkreten
zum Abstrakten, also „bottom-up“, als auch umgekehrt vom Abstrakten zum
Konkreten, demnach „top-down“, ablaufen (z.B. Neisser, 1976; MacKay, 1963)[1].
Weiterhin geht man nun auch davon aus, dass die Informationsaufnahme und Weiterleitung sowie Verarbeitung nicht nur in die eine oder andere Richtung zu
einem Zeitpunkt abläuft, sondern dass sie rekurrent, also in Form schleifenartiger
Aktivitätsketten geschieht. So gelangen z.B. die in den Augen eintreffenden
optischen Signale über die Sehbahn in die primären visuellen Areale des Cortex, von
da in die sekundären und letztlich in die höheren Areale des frontalen / temporalen
Cortex, werden also bottom-up verarbeitet. Nicht erst nach Vollendung sondern
schon während der Aufwärtsbearbeitung werden top-down-Prozesse gestartet, deren
Funktion die Rückkontrolle der eingehenden Informationen auf Passung mit den
abstrakten Wahrnehmungsinhalten ist. Dadurch gelangen die Informationen noch
während der Bearbeitung bottom-up durch top-down-Prozesse wieder zurück, z.B. in
den corpus geniculatum laterale, wo eine Beeinflussung durch eventuelle andere
gleichzeitig erfolgende (z.B. haptile oder akustische) Reize möglich ist (z.B. König &
Luksch, 1998; LaBerge, 1997)[1].
Talis Bachmann entwickelte 1984 ein Modell der visuellen (Rückwärts-)Maskierung,
bei welchem für die aufeinanderfolgende Darbietung eines Ziel- und
Maskierungsreizes bei SOAs von ca. 30 bis 80 ms der Maskierreiz erkannt, jedoch
der Zielreiz überhaupt erst nicht gesehen wird. Dies beruht nach Bachmann auf der
Interaktion eines spezifischen und eines unspezifischen visuellen Systems, wobei
das unspezifische für eine ausreichende Grunderregung einer bewußten
Wahrnehmung sorgt, während das spezifische für die Verarbeitung konkreter
Wahrnehmungsinhalte verantwortlich ist. Für den Maskierungseffekt sieht Bachmann
die Latenzzeitunterschiede bei der Verrechnung beider Pfade als Ursache an. Er
erklärt das Phänomen, dass gerade in dieser Differenzperiode bevorzugt eine
Rückwärts-Maskierung auftritt, damit, dass der zuerst gezeigte Zielreiz zeitlich
verzögerte bewusstseinsgenerierende unspezifische Aktivitäten hervorruft, welche
mit der Aktivität des Maskierungsreizes im visuellen Cortex zusammentreffen.
Dadurch würden die Versuchspersonen nur den Maskierungsreiz bewusst
wahrnehmen, was Bachmann als „Perzeptuelles Retuschieren“ bezeichnet ( T.
Bachmann, 1984) [2]. Zu dieser Thematik führten auch Macknick und Livingstone
eine Untersuchung durch. Nach ihnen kann ein Reiz im primären visuellen Areal des
Cortex potentiell zwei verschiedene Arten von Aktivitäten auslösen, wobei beide
Responses zur bewußten Wahrnehmung notwendig sind. Die zweite Response, die
After-discharge, welche der Onset-response nach ca. 90 bis 120 ms folgt, kann durch
einen Rückwärtsmaskierreiz unterdrückt werden (S. L. Macknick und M. S.
Livingstone, 1989) [3]. Im Sinne Bachmanns entspricht die zweite Response einer
durch das unspezifische System gesteuerten Rekurrenz der Aktivität des
spezifischen
Systems.
Diese
Resultate
legen
nahe,
dass
die
Informationsverarbeitung innerhalb spezieller und präziser Zeiten abläuft. Ein
anderes Phänomen ist der Double-Flash-Effekt, bei welchem ein einzelnes kurzes
Aufleuchten eines Lichtblitzes unter einer bestimmten Raumhelligkeit, bei peripherer
Darbietung oder eventuell gleichzeitig akustisch präsentierten kurzen Tönen zur
Wahrnehmung zweier Lichtblitze führt (Springer et al., 1975 [5]; Shams et al. [6] ,
2000; Bowen, 1988 [7]). Für den Double-Flash Effekt bei peripherer Darbietung unter
mesopischer Beleuchtung bestimmten Springer et al. einen Abstand der beiden
empfundenen Lichtblitze von ca. 104 ms. Das Double-Flash Phänomen ist
grundlegende Basis für unsere Untersuchung.
Der genaue zeitliche Verlauf der neuronalen Aktivität hat außer beim Doppeltsehen
oder Nichterkennen gegebener Stimuli (Bachmann, 1984) [2] auch bei anderen
Reizmustern Einfluss auf die Wahrnehmung. So wird beim Phänomen des
Scheinbewegungssehens bei Darbietung zweier zeitlich und räumlich versetzter
kurzer Lichtblitze bei einem Interstimulusintervall oberhalb eines kritischen Zeitwertes
von ca. 110 ms eine scheinbare, dennoch physikalisch nicht wirklich vorhandene
Bewegung eines Lichtpunktes wahrgenommen (Wertheimer, 1912; Neuhaus, 1930)
[4].
Ausgehend von verschiedenartigen psychologischen Befunden entwickelte Geissler
ein Taxonomisches Quantenmodell (Geissler et al. 1999) [4] welches besagt, dass
ein System ganz bestimmter Verarbeitungszeiten im Hirn existiert. Der in den o.g.
Untersuchungen aufgetretene kritischen Zeitwert von ca. 110 ms lässt sich in dieses
System einordnen. Als Erklärungsansatz für das TQM schlug Kompass (2001) [4] die
Interaktion von Synfire Chains mit oszillatorischer Aktivität in neuronalen
Merkmalskarten vor.
Rekurrente Informationsverarbeitung entspricht neuronalen Oszillationen, bei
welchen wir annehmen, dass sie in bestimmten Intervallen von wenigen
Millisekunden ablaufen. Kontrolliert und zeitlich gesteuert werden diese Prozesse
vermutlich über den Thalamus.
Eine andere, für unser Experiment bedeutsame Annahme, geht davon aus, das der
Thalamus nicht nur die zeitliche Synchronisation der Erregung der Neurone
kontrolliert, sondern gleichfalls eine grundlegende Funktion bei der Steuerung der
Hirnrhythmen übernimmt (Birbaumer/Schmidt, 1999)[8]. So kontrolliert der Thalamus
auch die „Leerlaufaktivität“ des Gehirns, die Alpha-Perioden der Hirnströme. Dabei
nehmen wir an, das die Alpha-Ruhespindeln gleichen zeitlichen Bedingungen
unterliegen wie die Wahrnehmungsschwelle beim Double-Flash-Phänomen, welche
die Unterschiedsschwelle zwischen Erkennen zwei einzelner Blitze oder Flickern des
Lichts darstellt.
2. Das Wahrnehmungsphänomen Double – Flash
Wird einer Versuchsperson ein Lichtblitz dargeboten, so kann es unter bestimmten
äußeren Bedingungen dazukommen, dass sie meint, zwei aufeinanderfolgende
Lichtblitze oder ein mehrfach flackerndes Licht gesehen zu haben. Dieses
Phänomen ist schon länger bekannt und wird im Allgemeinen als Double-Flash-Effekt
bezeichnet.
Als erstes näher untersucht wurde es von Springer, Deutsch und Stanley 1975,
wobei sie sich auf die einfachste Variante des Phänomens beschänkten. Sie boten
den Versuchspersonen nur einen Flash dar ohne weitere zusätzliche Stimuli zu
präsentieren. Dabei gingen sie der Frage nach, welche äußeren Bedingungen den
Effekt ermöglichen würden, und untersuchten den Einfluß von Raumhelligkeit,
Stimulusgröße, Sehwinkel und der zeitlichen Dauer des Lichtblitzes auf den
empfundenen Abstand der Illusionen. Dabei stellten sie fest, dass das Phänomen
kontinuierlich unter mesophischen Bedingungen (ca. 0,5 cd/m 2) bei weißer oder
grüner Beleuchtung und bei einem peripheren Sehwinkel von 13° bis 55° auftritt. Als
mittlere Latenzzeit zwischen dem physikalisch reellen Lichtblitz und der Illusion
ermittelten sie eine Periode von ca. 104 ms. Bei einer Raumhelligkeit über 1,0 cd/m 2
oder unterhalb von 0,5 cd/m2, also unter photopischen oder skotopischen
Beleuchtungsverhältnissen war der Effekt nicht vorhanden, ebenso nicht bei direkter
Fixation der Lichtblitze. Die Forscher erklären sich das Phänomen aus
verschiedenen Verarbeitungszeiten der Informationen durch Zapfen und Stäbchen
der Retina des Auges. Der Double-Flash-Effekt sollte ihnen zufolge nur dann
auftreten, wenn Stäbchen und Zapfen gleichzeitig aktiv sind, niemals wenn nur eine
von beiden Rezeptortypen arbeitet. Ebenfalls wird eine Abhängigkeit des Effekts von
der Stärke der Erregung der Stäbchen vermutet (Robert M. Springer, J. Anthony
Deutsch, Gordon Stanley; 1975) [5].
Unabhängig von den Ergebnissen Springers, Deutsch und Stanley untersuchten
Shams et al. 2000 eine andere Variante des Double-Flash-Effekts. Sie gingen davon
aus, das auditive Informationen einen enormen Einfluss auf die Wahrnehmung
eindeutiger visueller Reize haben können. Versuchspersonen wurden vor einem
schwarzen Hintergrund Lichtblitze verschiedener Größe, Dauer und Anzahl (einer bis
vier) im Abstand von 50 ms je Durchgang dargeboten. Gleichzeitig wurden eine
variable Anzahl von kurzen Tönen, sogenannten Beeps, in einem Intervall von 57 ms
präsentiert. Die Aufgabe der Probanden war nun, zu entscheiden, wie viele Blitze sie
je Durchgang gesehen hätten. Erstaunlicherweise gaben die Versuchspersonen an,
mehrere Blitze gesehen zu haben, wann immer ein Blitz präsentiert worden war,
welcher von einer Reihe Beeps begleitet wurde. Dieser Effekt zeigte sich sowohl bei
„naiven“ Probanden als auch bei Personen, die über die Hintergründe des
Untersuchungsgegenstandes informiert waren. Das Phänomen wurde eindeutig als
eine Wahrnehmungstäuschung bzw. Illusion belegt und beruht nicht auf kognitiven
Vorurteilen oder dem Schwierigkeitsgrad der Aufgabe. Die Forscher wiesen nach,
dass der Effekt solange auftritt, wie Blitz und Beep ca. 100 ms auseinander liegen.
Diese Zeiten entsprechen den Integrationszeiten polysensorischer Neuronen im
Gehirn. Weiterhin ergab sich, dass der Effekt sehr robust gegenüber Variationen der
externen Bedingungen ist, wie z.B. des Sehwinkels, der zeitlichen Dauer von Ton
und Blitz oder auch des Abstandes zwischen beiden. Aufgrund der Stabilität und
Einfachheit des Phänomens gehen die Wissenschaftler davon aus, dass er ein
grundlegendes und weit greifendes Verarbeitungsprinzip der Neuronen im Gehirn
widerspiegelt (Ladan Shams, Yukiyasu Kamitani, Shinsuke Shimojo, 2000)[6].
Auch R.W. Bowens untersuchte eine Variation des Wahrnehmungsphänomens
Double-Flash. Den Probanden wurden zwei Lichtblitze mit hoher Intensität im
Abstand von 10 bis 190 ms dargeboten. Wiederum mußten die Probanden
einschätzen, wie viele Lichtblitze sie gesehen hätten. Für ISI’s bis 50ms gaben die
Versuchspersonen an, einen Blitz gesehen zu haben, für ISI’s zwischen 90 und
130ms sahen sie mit einer hohen Wahrscheinlichkeit drei Blitze. Andernfalls
berichteten sie zum größten Teil zwei Blitze wahrgenommen zu haben.
Der Wissenschaftler schlußfolgert aus den Ergebnissen, dass die zugrunde liegende
Impulsantwort multiphasisch sein muss und sich aus verschiedenen exzitatorischen
und inhibitorischen Abschnitten zusammensetzt (Richard W. Bowen, 1989)[7].
Ähnlich wie bei Bowen ist unsere Versuchsanordnung strukturiert. So wurden den
Versuchspersonen zwei aufeinanderfolgende Lichtblitze unter mesophischen
Bedingungen dargeboten, wobei die Flashes peripher mittels Fixationspunkt
oberhalb der Lichtquelle fixiert werden sollten. In einer Bedingung wurden
gleichzeitig zwei Töne (Beeps) dargeboten, in einer anderen wurden keine
zusätzlichen akustischen Signale präsentiert. Die Abstände zwischen den
Lichtblitzen wurden variiert und im gleichen Verhältnis veränderten sich ebenfalls die
Zeitintervalle zwischen den Beeps der ersten Versuchsbedingung (Siehe
Versuchsaufbau). Zielsetzung unserer Untersuchung ist die Messung einer
Unterschiedsschwelle der Wahrnehmung zwischen zwei gesehenen Blitzen oder
einem Flickern (drei oder mehr Blitze) in Abhängigkeit der ISI’s zwischen den
präsentierten Flashes.
Wir gehen davon aus, das eine abgeschlossene rekurrente Verarbeitung der
visuellen Informationen perzeptuelles Retuschieren beinhaltet. Sie ist
Vorraussetzung dafür, dass die elementaren Informationen des ersten Flashes
zusammengefasst und vollständig verarbeitet werden können und somit zwei zeitlich
voneinander getrennte Lichtblitze wahrgenommen werden. Folgen die Blitze zu
schnell aufeinander, nehmen wir an, dass eine vollständige rekurrente Verarbeitung
nicht möglich ist. Die Informationen des ersten und zweiten Flashes überlagern sich
und können nicht mehr separiert und den Einzelereignissen zugeschrieben werden.
Es kommt zur Wahrnehmung von drei Blitzen oder mehr (Flimmern).
3. Hypothesen
3.1 Vorexperiment
Aufbauend auf den Untersuchungen von Springer et al.[5], die mesophische
Beleuchtungsbedingungen für den Double-Flash postulierten, Shams et al.[6], deren
Ausführungen belegen, dass Töne die visuelle Wahrnehmung befördern, und R. W.
Bowen [7], welche besagt, dass zwei Blitze unter bestimmten Voraussetzungen als
drei gesehen werden können, strukturierten wir eine erste Anordnung von Versuchen
zum Double-Flash-Phänomen. Wenn Töne zusätzlich zu den Blitzen einen Einfluß
auf die Wahrnehmung haben, so könnte es dennoch Unterschiede in ihrer Wirkung
geben, welche von der Variation des zeitlichen Abstandes zwischen beiden Stimuli
abhängig sein könnten.
Um dies zu überprüfen entwarfen wir vier Versionen (A, B, C, D) (Siehe
Versuchsplan).
Hypothese 1:
Es gibt signifikante Unterschiede in der Schwellenfunktion der Wahrnehmung von
zwei oder drei Blitzen bzw. Flickern, für insgesamt alle Versuchspersonen bezüglich
der vier Versionen des Double-Flash.
3.2 Hauptexperiment
Auch für unser Hauptexperiment zur Erforschung der Double-Flash-Schwelle
übernahmen wir die Konzepte der Voruntersuchung. Jedoch unterscheiden wir nur
noch unter zwei Bedingungsvariationen, nämlich einer Version A mit zusätzlicher
Präsentation von zwei Tönen, und einer Version 0 ohne weiterer Darbietung
akustischer Stimuli. Wir nehmen an, dass es Effekte bezüglich der Schwellenfunktion
der Wahrnehmung von zwei Lichtblitzen zu drei oder Flickern hinsichtlich der
Bedingungsvariation gibt.
Hypothese 2:
Es gibt signifikante Unterschiede der Schwellenfunktion jeder Versuchsperson
bezogen auf die Bedingungsvariation Version A und Version 0.
Außerdem gehen wir davon aus, dass dem Double-Flash-Phänomen eine rekurrente
Informationsverarbeitung zugrunde liegt, welche den Perzeptuellen Retouch als
Verarbeitungsschritt beinhaltet. Des Weiteren nehmen wir an, dass Rekurrenz in
präzisen zeitlichen Intervallen verläuft und durch den Thalamus koordiniert wird.
Dieser ist ebenfalls verantwortlich für die zeitliche Steuerung der Hirnaktivität, und
damit auch für die der Ruheaktivität (Alpha – Ruhespindeln). Daher vermuten wir
einen Zusammenhang zwischen der Alpha-Ruhe-Aktivität des Gehirns und der
Verarbeitungszeit visueller Stimuli, gemessen an den Schwellenfunktionen des
Double-Flash-Effektes. Sowohl die spezifischen Gehirnaktivitäten, wie auch die
speziellen Werte der Wahrnehmungsschwelle jedes Individuums sollten sich hierbei
interindividuell unterscheiden.
Hypothese 3:
Die Unterschiedsschwelle der Wahrnehmung zweier Lichtblitze oder Flickern des
Lichts beim Double-Flash-Phänomen korreliert mit den doppelten Alpha-Perioden,
das heißt, im Verhältnis 1 : 2.
4. Experimentelles Design
Das Experiment setzt sich aus einer Untersuchung auf Basis des Double-FlashEffektes und einem Ruhe-EEG zusammen.
Zu unserem Experiment gab es eine Voruntersuchung, in welcher wir überprüft
haben, ob verschiedene Varianten des Zusammenspiels von Flash und Beep einen
signifikanten Einfluß auf die Abhängigkeit der Wahrnehmung (zweier oder mehrerer
Flashes) von der kritischen Zeitdauer t haben.
4.1 Voruntersuchung
Auf den Untersuchungen in der theoretischen Abhandlung aufbauend, wird in
unserem Experiment der Abstand von zwei Lichtblitzen variiert, um herauszufinden,
ob zwei Blitze wahrgenommen werden können oder nicht. Demnach enthält die
Voruntersuchung bezüglich des Double-Flash-Effektes als Basiselemente zwei
Lichtreize und außerdem zwei auditive Stimuli (Beeps) in verschiedenen Designs.
In vier Versionen wurde die Anordnung der Töne systematisch variiert, da vermutet
wird, dass der Einfluß der kritischen Dauer t in Abhängigkeit von den Beeps größer
ist und man sich dadurch eine genauere Messung erhofft.
In allen Versionen bleibt der Abstand von 2t zwischen ersten und zweiten visuellen
Reiz gleich. Ein illusorische Flash wird bei der Hälfte, also bei 1t, vermutet. Das
bedeutet, dass sich die vier Versionen nur durch die zeitlich variierte Darbietung der
akustischen Stimuli unterscheiden.
Symbole:
...Beep
...Flash
In der ersten Version, mit A bezeichnet, werden die Beeps einmal t/2 vor und einmal
t/2 nach der Präsentation des ersten Flashes dargeboten, bildlich verdeutlicht in
Graphik 1.
Graphik 1:
t/2
t/2
1t
2t
Version B, unser zweites Programm, zeigt den ersten Beep zeitgleich mit dem ersten
visuellen Reiz. Der zweite akustische Reiz erfolgt, nachdem t/2 vergangen ist.
Graphik 2:
t/2
2t
In der dritten Variante, Bedingung C, kommt der erste Beep zeitgleich mit dem ersten
Flash gefolgt vom zweiten akustischen Reiz nach einer Zeit von 1t an der Stelle, wo
auch der Double-Flash-Effekt zum Tragen kommen soll, dargestellt in der dritten
Graphik..
Graphik 3:
1t
2t
In Version D, der vierten Variation des Versuchsaufbaus, werden die Beeps jeweils
t/4 vor und nach dem ersten Flash präsentiert. Graphisch dargestellt entsteht die
folgende Struktur.
Graphik 4:
t/4
1t
2t
4.2 Hauptuntersuchung
Da sich andeutete, dass die vier Varianten des Zusammenspiels von Flash und Beep
keinen signifikanten Einfluß auf die Abhängigkeit der Wahrnehmung (zweier oder
mehrerer Flashes) von der kritischen Zeitdauer t haben, wurde im zweiten Teil der
Untersuchung auf die Varianten B, C und D verzichtet und eine neue ohne Ton
hinzugefügt.
Demnach wird die Wahrnehmung der Lichtblitze bei Variante A und einer neuen
Version 0 untersucht. In der hinzugekommenen Bedingungsvariation wurde zwar
kein akustischer Reiz präsentiert, dennoch liegen die Lichtblitze genau wie bei den
oben beschrieben Darbietungen 2t auseinander, wobei bei 1t der illusorische Flash
vermutet wird.
Graphik 5:
1t
2t
5. Versuchsaufbau
Sowohl die Voruntersuchung als auch das eigentliche Experiment bestehen aus 2
Sitzungen, in der jede der vier bzw. zwei beschriebenen Versionen jeweils einmal
durchgeführt werden mußten.
Um die interne Validität zu verbessern bzw. um unbekannte Einflüsse auszumitteln
damit es nicht zu Auswahlverzerrungen kommt, wurde die Reihenfolge der Versionen
im Vorversuch randomisiert, so dass jede Versuchsperson die vier Testreihen in
einer anderen Abfolge aufrufen mußte. Jede Version beinhaltete 70
Reizdarbietungen, welche sich aus zehn Wiederholungen von sieben Reizen in
zufälliger Reihenfolge ergaben, wobei sich die Reize dadurch definierten, dass es
sieben Möglichkeiten bezüglich des Zeitunterschiedes 1t gab, welcher in
Zehnerschritten zwischen 80 ms und 140 ms variierte. Dies entspricht der
Bedingungsvariation und somit der unabhängigen Variablen.
Demnach mußte innerhalb jedes Durchganges 70 mal beurteilt werden, ob zwei oder
mehr Blitze wahrgenommen wurden, was durch einen Tastendruck zum Ausdruck
gebracht werden konnte. Diese Beurteilung ist die abhängige Variable, welche hier
ein dichotomes Merkmal repräsentiert.
Demnach gab es in der ersten Variante 560 mal mindestens 2 Reizdarbietungen,
welche ein Urteil erforderten und in der zweiten 280 mal mindestens zwei
Reizdarbietungen.
In beiden Versuchen war die Leuchtdichte des Hintergrunds 0,02 cd/m 2, realisiert
durch eine kleine Lampe ( Vorversuch: ca. 1,4 lux, Experiment: ca. 1,2 lux) und die
Flash-Box, 4cm x 8cm groß, bot Flashes dar mit einer Leuchtdichte von 6,2 cd/m 2.
Ein rote Punkt, welcher beim Vorversuch über der Flash-Box und im Experiment 2“
nach unten und 2“ nach links verschoben in ca. 2 m Entfernung zum Urteilenden
hängt, dient als Fixationspunkt. Es war jedoch auch eine direkte Fixation möglich,
was über beide Sitzungen beibehalten und im Versuchspersonencode festgehalten
wurde, unter welchem auch die entstandenen Daten bei den Versuchsdurchläufen,
getrennt nach erster und zweiter Sitzung gespeichert wurden.
Das Spontan-EEG, der zweite Teil unseres Experimentes, wurde mit Silber- bzw.
Silberchloridelektroden gemessen. Von 8 Positionen auf der Kopfhaut wurden die
Informationen im erweiterten 10-20 System abgeleitet. Die für uns relevanten
Informationen lieferte die Differenz von O1 und von O2 jeweils bezüglich der
Referenzelektrode Nase.
6. Durchführung
Der Versuch wurde im Experimentalpraktikum, 4. Fachsemester, im SS 2002 unter
Leitung von Dr. R. Kompass und Sabine Grimm an der Universität Leipzig
durchgeführt. Es nahmen 11 Studenten der Universität Leipzig, 9 weiblich und 2
männlich an der Untersuchung teil. Fünf Versuchspersonen ( eine männliche und vier
weibliche) haben sowohl den Vorversuch als auch das Experiment absolviert. Die
anderen wurden aufgefordert, nur am eigentlichen Experiment teilzunehmen. Von
den 11 Probanden haben nur neun Personen sowohl an der Messung des SpontanEEGs als auch an der Schwellenbestimmung mittels Double-Flash teilgenommen.
Von diesen mußten nochmals 3 Personen zur Berechnung der Korrelation
ausgesondert werden, da ihre Schwellenfunktionen Unregelmäßigkeiten aufwiesen.
Jeder Proband absolvierte zwei Sitzungen, welche jeweils ca. 45 Minuten dauerte,
wobei in der Voruntersuchung jede der vier Versionen jeweils einmal und mit
Kopfhörer durchgeführt werden sollte und im Experiment insgesamt zweimal Version
a (mit Kopfhörer) und zweimal Version 0. Zwischen den Versionen konnte jeweils
eine kurze Pause gemacht werden. Die Versuchsperson saß in ca. 2 m Abstand zur
Flash-Box bzw. zum Fixationspunkt und konnte die Beine hoch legen. Die Tastatur
lag während des Versuchs auf ihrem Schoß.
Ein rote Punkt, welcher über der Flash-Box hängt, dient als Fixationspunkt. Es war
jedoch auch eine direkte Fixation möglich, was schriftlich festgehalten und über beide
Sitzungen beibehalten wurde. Innerhalb jeder Version mußte beurteilt werden, ob
zwei oder mehr Blitze wahrgenommen wurden, was durch einen Tastendruck
realisiert wurde. Die Zahl 1 mußte für „2 Flashes“ und die 3 für „mehrere Flashes“
gedrückt werden. Mit Leertastendruck wurde das Programm gestartet und wenn der
Proband mit Leertaste anstelle von 1 oder 3 antwortete, wurde dieselbe
Reizdarbietung nochmals wiederholt. Erst wenn man sich eine Bedingung zweimal
angeschaut hat, konnte man ein Urteil abgeben, durch Drücken der Leertaste war es
aber auch möglich, sich den Reiz mehrere Male darbieten zu lassen, bis man in
seiner Entscheidung, ob es zwei oder mehr visuelle Reize waren, sicher war, wobei
unter „mehr Flashes“ verstanden wird, dass deutlich 3 oder 4 Blitze oder ein
mehrfaches rhythmisches Aufblinken wahrgenommen werden konnten. Mit der Taste
q konnte das Programm im Notfall abgebrochen werden.
Der zweite Teil des Experimentes, das Spontan-EEG, wurde von der
Experimentalgruppe unter Leitung von Dr. Jacobsen innerhalb ihres Versuches
aufgezeichnet. Den Versuchspersonen wurde in diesem Rahmen eine Haube mit 25
Elektroden aufgesetzt. Für die von uns benötigten Informationen sollten die
Versuchspersonen 10 Minuten in einem ruhigen und entspannte Zustand mit
geschlossenen Augen verharren, da das Spontan-EEG ein Ruhe-EEG darstellt.
7. Ergebnisse
7.1
Zur Auswertung der Daten aus dem Flash-Experiment
Die Urteile wurden für jede Versuchsperson nichtlinear an die logistische
1
Schwellenfunktion p 2 Blitze 
x C angepasst. Dabei gingen folgende Parameter

1 e S
ein: C...Schwelle; S...Sigma
Die Modellformel der logistischen Funktion wird in dieser Form im allgemeinen bei
psychometrischen Funktionen verwendet. Sie variiert die Parameter C und S so
lange bis diese optimal eingestellt sind. Der Parameter x entspricht hier SOA/2.
(Nonlinear Regression in SPSS: Dependent: result; Modell Expression: 1/(1+EXP(-(X-C)/S))
Parameters: C(110) S(10); Loss Function: (result>0.5)*(-LN(PRED_))+(result<0.5)*(-LN(1-PRED_))
Bootstrap
„Loss Function“ minimiert bei der Anpassung der Kurve an die Daten den Stress. „Bootstrap“
passt die Kurve mit Zufallsdaten an.)
Hypothese 1 - Einfluß der Version
1,2
1,0
,8
95
%
CI
Re
sul
t
Version
,6
A
,4
B
,2
C
0,0
-,2
Abbildung
6
zeigt
die
angepaßten
Schwellenfunktionen für die vier
Varianten des Vorversuchs
(siehe
4.
Experimentelles
Design).
Die x-Achse beschreibt die
SOA, den halben Blitzabstand.
Die y-Achse zeigt die Häufigkeit
der Urteile, wobei 1 „zwei Blitze“
und 0 „drei Blitze bzw.
Flimmern“ gesehen bedeutet.
D
80
90
100
110
120
130
140
SOA_b(Tx)
Abbildung 6: Einfluß der Version auf die Schwellenfunktion
Es
lassen
sich
keine
deskriptiven
Unterschiede
zwischen den vier Versionen
feststellen.
Auch die
inferenzstatistische
Prüfung durch eine
univariate
Varianzanalyse ergab
mit einem
Konfidenzniveau von
p = ,34 > ,05 keine
signifikanten
Hauptwirkungen der
Versionen A,B,C,D.
Tests der Zwischensubjekteffekte
Abhängige Variable: RESULT
Quelle
Korrigiertes Modell
Konstanter Term
VERSION
Fehler
Gesamt
Korrigierte
Gesamtvariation
Quadratsum
me vom Typ III
,837a
1053,023
,837
959,652
2013,000
df
3
1
3
3846
3850
960,489
Mittel der
Quadrate
,279
1053,023
,279
,250
F
1,118
4220,205
1,118
Signifikanz
,340
,000
,340
3849
a. R-Quadrat = ,001 (korrigiertes R-Quadrat = ,000)
Tabelle 1: Interaktion zwischen den Versionen A, B, C, D
Damit ist gezeigt, dass in diesem Experiment die Variation der Pieptöne vor und nach
der Präsentation von Blitzen keinerlei Einfluß hat.
Einfluß der Sitzungswiederholung
Wahrsc heinlichkeit (3Blitz e; 95% CI
)
1,2
Tests der Zwischensubjekteffekte
Abhängige Variable: RESULT
1,0
Quelle
Korrigiertes Modell
Konstanter Term
SITZUNG
Fehler
Gesamt
Korrigierte
Gesamtvariation
,8
,6
,4
Sitzung
,2
1
0,0
-,2
Quadratsum
me vom Typ III
,329a
1052,840
,329
960,159
2013,000
960,489
df
1
1
1
3848
3850
Mittel der
Quadrate
,329
1052,840
,329
,250
F
1,320
4219,435
1,320
Signifikanz
,251
,000
,251
3849
a. R-Quadrat = ,000 (korrigiertes R-Quadrat = ,000)
2
80
90
100
110
120
130
140
SOA_b(tx)
Tabelle 2: Interaktion zwischen Sitzung 1 und 2
Abbildung 7: Schwellenfunktionen für Sitzung 1 und 2
Die Varianzanalyse zeigt weiterhin keine signifikanten Schwellenunterschiede
zwischen Sitzung und Sitzungswiederholung mit p=,251>,05. Damit kann ein
eventueller
Lerneffekt
ausgeschlossen
werden.
Die
Schwellen
der
Versuchspersonen variieren nicht signifikant zwischen Sitzung 1 und Sitzung 2.
Zur Hauptuntersuchung
Datenselektion:
Wahrscheinlichkeit (3 Blitze; 95% CI)
Vpn: 8
In die Datenauswertung
gingen die Daten von 3 der
9 Probanden nicht mit ein,
aufgrund unregulärer
Schwellenfunktion. Warum
der Verlauf so untypisch ist,
konnte nicht explizit geklärt
werden. Einige
Vermutungen werden im
Punkt 8. Diskussion näher
erörtert.
1,0
,8
,6
,4
V ERSION
,2
0
0,0
a
80
90
100
110
120
130
SOA
Abbildung 8: Beispiel für einen untypischen Verlauf
einer Schwellenfunktion
140
Hypothese 2
Tests der Zwischensubjekteffekte
Abhängige Variable: RESULT
Quelle
Korrigiertes Modell
Konstanter Term
VERSION
SOA
VP
VERSION * SOA
VERSION * VP
SOA * VP
VERSION * SOA * VP
Fehler
Gesamt
Korrigierte
Gesamtvariation
Quadratsum
me vom Typ III
223,140a
212,860
5,952E-02
199,457
4,805
,290
1,890
12,979
3,660
162,000
598,000
385,140
df
83
1
1
6
5
6
5
30
30
1596
1680
Mittel der
Quadrate
2,688
212,860
5,952E-02
33,243
,961
4,841E-02
,378
,433
,122
,102
Wahrsch. (3 Blitze; 95% CI)
Um die Daten der Hauptuntersuchung auszuwerten, werden die Schwellen (CParameter) für die Versionen „A“ (mit Tönen) und „0“ (ohne Töne) berechnet. Sie
lagen bei 99,93 ms für Version „A“ und 98,68 ms für Version „0“.
Dieser geringfügige Mittelwertunterschied wurde mittels Varianzanalyse auf
Signifikanz überprüft. Dabei interessierte die Varianzaufklärung der Unabhängigen
Variablen: SOA, Version und Vpn.
F
26,486
2097,060
,586
327,504
9,467
,477
3,725
4,262
1,202
1,0
Signifikanz
,000
,000
,444
,000
,000
,826
,002
,000
,209
,8
,6
,4
Variante
,2
0
1679
a. R-Quadrat = ,579 (korrigiertes R-Quadrat = ,557)
a
0,0
80
Tabelle 3: Haupt- und Wechselwirkungen der
Unabhängigen Variablen
90
100
110
120
130
140
SOA (ms)
Abbildung 9: Schwellenfunktionen für die
Varianten A und 0
Während die Hauptwirkungen „SOA“ (mit F=327,5; df=6; p=,00<,05) und „Vp“ (mit
F=9,5; df=5; p=,00<,05) sich wie angenommen als signifikant erwiesen, war die
Hauptwirkung der Variable „Version“ (F= ,586; df=1; p=,444>,05) nicht signifikant.
Eine noch geringere Varianzaufklärung zeigt die Wechselwirkung aus den Variablen
„SOA“ und „Version“ (mit F= ,477; df=6; p=,826>,05).1
Dies bedeutet bezüglich der Hypothese: Das Antwortverhalten der
Versuchspersonen unterschied sich nicht zwischen den Versionen. Die Präsentation
von Pieptönen hatte keinerlei Auswirkung auf die 2/3-Blitz-Schwelle.
7.2 Zur Auswertung der Daten aus dem EEG
Um die Alpha Perioden zu ermitteln, wurde das EEG von den Occipitalelektroden O 1
und O2 aufgezeichnet. Als Referenzelektrode diente die Nasenelektrode. Die Daten
wurden bandpassgefiltert zwischen 7 und 15 Hertz und visuell ausgewertet. Je
Versuchsperson wurden 50 typische Spindeln ausgewertet. Dabei wurde die
Periodenanzahl und die Spindeldauer ermittelt, wobei Artefaktbereiche ausgelassen
wurden. Die mittlere Periodenanzahl betrug 5, wobei die Spindeln zwischen 2 und 13
Perioden variierten.
Aus den Daten wurde für jede Versuchsperson die mittlere Periodendauer berechnet.
1
Auf weitere signifikante Wechselwirkungen soll in dieser Untersuchung nicht weiter eingegangen werden.
Tests der Zwischensubjekteffekte
Abhängige Variable: ZEIT
Quelle
Korrigiertes Modell
Konstanter Term
NUMMER
Fehler
Gesamt
Korrigierte
Gesamtvariation
Quadratsum
me vom Typ III
1,244E-02a
4,264
1,244E-02
1,463E-02
4,291
df
8
1
8
441
450
2,708E-02
Mittel der
Quadrate
1,555E-03
4,264
1,555E-03
3,318E-05
F
46,870
128484,1
46,870
Signifikanz
,000
,000
,000
449
a. R-Quadrat = ,460 (korrigiertes R-Quadrat = ,450)
Tabelle 4: Varianzanalyse, Einfluß der Versuchsperson auf mittlere Periodendauer
Alphaperiode (s)
Eine Varianzanalyse bestätigte die Vermutung, dass sich die Versuchspersonen in
ihrer Alphaperiode unterscheiden und zwar signifikant mit F=46,87; df= 8;
p=,00<0,05.
,12
161
159
,11
326
69
51
,10
173
96
,09
4
180
,08
,07
,06
1
2
3
4
6
7
8
9
10
VP
Abbildung 10: Boxplots der Alphaperioden der Versuchspersonen
Hypothese 3
Korrelation zwischen dominanter Alpha-Periode und 2/3-Blitz-Schwelle
Da sich die Versionen „A“ und „0“ nicht signifikant unterschieden, wurde eine
gemeinsame Parameteranpassung berechnet. Gemäß der Hypothese wurde dann
ein Korrelationsrechnung nach Kendall vollzogen um den Zusammenhang zwischen
Korrel ationen
Kendall-Tau-b
Korrelationskoeffizient
Sig. (2-seit ig)
N
ALPHA_MW Korrelationskoeffizient
Sig. (2-seit ig)
N
GES_SW
1,000
,
6
-,333
,348
6
ALPHA_MW
-,333
,348
6
1,000
,
6
Tabelle 4: Varianzanalyse, Einfluß der Versuchsperson auf mittlere Periodendauer
dominanter Alpha-Periode und 2/3-Blitz-Schwelle zu klären.
Die Korrelation nach Kendall zwischen der Schwelle der Versuchspersonen für
„2vs.3 Blitze sehen“ und der mittleren Alphaperiode war =-0,333 mit p=,348>0,05
nicht signifikant. Dies spricht weder für noch gegen die Hypothese.
Damit konnte kein Zusammenhang zwischen der Schwelle und der dominanten
Alpha-Periode nachgewiesen werden.
Auch im Streudiagramm (Abbildung 11) lässt sich kein Zusammenhang erkennen.
106
104
102
100
98
96
94
92
,08
,09
,10
,11
Mittlere Dominante EEG-ALPHA Periode (s)
Abbildung 11: Streudiagramm von 2/3-Blitz-Schwelle und mittlerer dominanter Alphaperiode
8. Diskussion
In unserer ersten Hypothese postulieren wir einen signifikanten Unterschied der
Schwellenfunktionen bzgl. der vier Bedingungen des Versuchdesigns gemessen am
Double-Flash. Diesen konnten wir anhand der Auswertung der Ergebnisse der
Voruntersuchung nicht nachweisen.
Ausgehend von der Annahme, dass rekurrente Informationsverarbeitung visueller
Stimuli über bottom-up und top-down Prozesse verläuft, gehen wir davon aus, dass
gleichzeitig eingehende akustische Zusatzinformationen die Rekurrenzschleifen der
visuellen Reize indoktrinieren und somit die Wahrnehmung der visuellen Reize
befördern können[1].
Auf Basis dieser Vermutung und der Untersuchung von Shams et. al.[6], versuchten
wir durch die zeitliche Variation der Beeps in Version A bis D das beste
Zusammenspiel von Flash und Beep zu finden, welches eine möglichst präzise
Schwellenbestimmung erlauben könnte.
Eine Varianzanalyse ergab jedoch keine signifikanten Unterschiede der vier
Versionen.
Dies könnte sich darin begründen, dass lediglich die Präsenz von Tönen für die
Beförderung der Wahrnehmung relevant ist. Allerdings dürfen die Töne maximal 100
ms vor oder nach dem Flash dargeboten werden [6]. Innerhalb dieses Intervalls ist
die zeitliche Variation der Beeps für die Beeinflussung der Wahrnehmung nicht
ausschlaggebend.
Daraus resultierte unsere zweite Hypothese, bei welcher wir eine Version mit und
eine Version ohne Beeps vergleichen. Entgegen unserer Vermutung ergaben sich
keine signifikanten Unterschiede, was sich wahrscheinlich auf die Zusammensetzung
des Versuchsaufbaus zurückführen lässt. So haben wir von Springer et al. [5] die
mesophischen Lichtverhältnisse übernommen, von Shams et al. [6] die zusätzliche
Darbietung von akustischen Reizen und von Bowen [7] die Idee, zwei Blitze zu
präsentieren. Demnach finden sich in unserem Design die bisher bekannten
Bedingungen, die den Double-Flash unterstützen, vereint. Somit sind alle
Voraussetzungen für die Variation der Wahrnehmung des Double-Flashs kontrolliert
und daraus ergab sich für jede Versuchsperson eine relativ konstante
Schwellenfunktion.
Jedoch mussten wir 3 Probanden wegen Unregelmäßigkeiten im Schwellenverlauf
herausnehmen, da kein Kriterium erkennbar war. Dies führen wir aber vor allem auf
motivationale Defizite und Schwankungen der Aufmerksamkeitsleistung zurück.
Weiterhin
könnten
Mißverständnisse
bei
Instruktionsvorgaben
variable
Interpretationen des Urteilskriteriums verursacht haben.
Das Hauptanliegen unseres Experiments war, einen Zusammenhang zwischen den
Verarbeitungszeiten visueller Prozesse, gemessen an der Wahrnehmungsschwelle
des Double-Flash, und der Ruheaktivität des Gehirns (Alpha-Ruhe-Spindeln) zu
finden. Wir vermuteten, dass die Zeiten vom Umschalten der Wahrnehmung von
zwei zu drei Blitzen im Verhältnis 1:2 mit den Alpha-Perioden korrelieren. Unsere
dritte Hypothese konnte jedoch statistisch nicht belegt werden.
Die berechnete Korrelation zwischen den beiden Maßen wies nur eine geringe
Signifikanz auf, welche weder für noch gegen die Hypothese spricht, dass gleiche
Prozesse für die beiden Phänomene verantwortlich sind. Die geringe Signifikanz
könnte in erster Linie auf dem geringen Stichprobenumfang der Untersuchung
beruhen. Des Weiteren führen wir einen großen Teil der nicht geklärten Varianz auf
unzureichende Motivation sowie auf Aufmerksamkeitsdefizite zurück. Ein großer
Kritikpunkt ist ebenfalls die mangelnde Objektivität des Urteilskriteriums, welche
Unsicherheiten bei den Versuchspersonen ausgelöst haben könnte. Außerdem
könnten Probleme durch die zeitliche Abfolge der Teilexperimente entstanden sein.
So war erstens die Reihenfolge der Messungen unterschiedlich, da das DoubleFlash-Experiment zweigeteilt war und die EEG-Sitzung entweder davor, dazwischen
oder danach durchgeführt wurde und zweitens der Abstand zwischen den
Meßzeitpunkten interindividuell variierte.
Implikation:
In fortführenden Untersuchungen müsste darauf geachtet werden, dass mit einer
wesentlich größeren Stichprobe gearbeitet wird. Um Fehlerquellen so gering wie
möglich zu halten, sollte man Störfaktoren systematisch in Versuchsbedingungen
umwandeln. Eine Befragung der Versuchspersonen bezüglich ihrer Motivation,
aktuellen physischen Verfassung (z.B. Aufmerksamkeit, Müdigkeit) und der
Einschätzung des Urteilskriteriums wäre eine Möglichkeit dafür. Weiterhin erachten
wir es als wichtig, den Abstand zwischen Messung des Ruhe-EEGs und der
Wahrnehmungsschwelle so gering wie möglich und konstant zu halten. Eine
Alternative zu unserem Versuchsaufbau wäre, die EEG-Messung mit dem DoubleFlash-Experiment zeitlich zu koppeln, da auch im aktiven Zustand des Individuums
Alpha-Spindeln erkennbar sind.
9. Literatur
[1]
Informationen entnommen aus: Theoretisches Hintergrundmaterial zum Exp.-Prakt.:
Double Flash Effekt, Dr. Raul Kompass 2002, Universität Leipzig
[2]
Bachmann, T. (1984). The process of perceptual retouch: Nonspecific afferent
activation dynamics in explaining visual masking. Perception & Psychophysics, 35
(1), 69-84.
[3]
Macknick, S. L. and Livingstone, M. S. (1998). Neuronal correlates of visibility and
invisibility in the primate visual system. Nature neuroscience, 1 (2), 144-149.
[4]
Kompass, R.(2001), Analyse diskreter zeitlicher Strukturen perzeptiver Prozesse.
Psychologia Universalis, Neue Reihe, 25.
[5]
Springer, R. M., Deutsch, J. A. and Stanley, G. (1975). Double flashes from single
pulses of light. Perception & Psychophysics, 18 (6), 398-400.
[6]
Shams, L., Kamitani, Y. & Shimojo, S. (2000). What you see is what you hear.
Nature, 408, 788
[7]
Bowen, R. W. (1989). Two pulses seen as three flashes: A superposition analysis.
Vision research, 29 (4), 409-417.
[8]
Birbaumer, N. & Schmidt, R. F. (1999). Biologische Psychologie, Springer-Verlag
Berlin Heidelberg, Lehrbuch, Kapitel 20.2, Seiten 461-463, Kapitel 22.2, s. 525, 526,
Kapitel 22.3., S. 529-533