Projekte der AE Schubotz

Wenn Sie Interesse haben, im Rahmen eines der vorgestellten Projekte eine Abschlussarbeit zu schreiben oder ein Forschungspraktikum durchzuführen, sprechen Sie einfach den/die zuständige Mitarbeiter/in an. Sollten Sie sich bei der Themenwahl unsicher sein, können Sie sich gerne an Prof. Schubotz wenden. Natürlich können Sie auch mit eigenen Ideen auf uns zukommen. Wir freuen uns auf Sie!

'Alternative facts' – Wie das Gehirn stabile und flexible Vorhersagen anhand wahrer und modifizierter Erinnerungen tatsächlicher Erlebnisse gewährleistet.

Ansprechpartnerin: Sophie Siestrup

Ansprechpartner: Benjamin Jainta

Das Ziel dieses Projektes ist die neurophysiologische Unterscheidung sequentieller und nicht-sequentieller Erwartungen, welche durch einen gezielten Abruf von Episoden herbeigeführt werden.
Die Grundlage für Vorhersagen sind Erinnerungen. Unter diesem Gesichtspunkt sind Erinnerungen nicht autotelisch, sondern dienen der Antizipation zukünftiger Ereignisse und dem Planen von Handlungen. Diese Optimierung hat zur Folge, dass Erinnerungen modifiziert werden, wenn sich die Umstände tatsächlich verändert haben. In unserem Projekt triggern wir den Abruf episodischer Erinnerungen, die sequentielle (basierend auf der episodischen Gedächtnisspur) oder nicht-sequentielle Erwartungen (basierend auf semantischen Informationen) erzeugen. Im ersten Schritt werden Probanden gefilmt, während sie Alltagshandlungen entweder selbst ausführen oder nur beobachten. In der Folge führen wir drei Experimente durch, um mit Hilfe funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) die zerebralen Grundlagen episodischer Erwartungen, Erwartungsverletzungen („surprisal“), und die Re-Konsolidierung episodischer Erinnerungen während der Präsentation dieser Handlungsvideos zu untersuchen. Wir verwenden eine Reihe neuer experimenteller Faktoren, die die mnemonische Stabilität von Episoden (Abrufhäufigkeit, Verfestigung) und die Erlebnisqualität (Perspektive, eigene Handlungsausführung) betreffen, um ihren Einfluss auf sequentielle und nicht-sequentielle Überraschung zu testen. Unser Ansatz ist motiviert durch die Frage, unter welchen Bedingungen Erinnerungen einer tatsächlich erlebten Episode mehr oder weniger anfällig für spätere Modifikationen ihrer raumzeitlichen Struktur oder ihres semantischen Inhalts werden. Zudem vergleichen wir systematisch die Bedingungen, unter denen Erinnerungsmodifikationen durch Wiederverfestigung auftreten, und zwar separat für die sequentielle Episodenstruktur und ihren semantischen Inhalt. Behaviorale Analysen werden mit fMRT-Kontrasten, Representation Similarity Analysen (RSA) und graphentheoretischen Analysen kombiniert, um spezifisch die Rolle des Hippocampus und ausgewählter kortikaler Regionen in stabilen und flexiblen episodischen Erinnerungen zu bestimmen.

Dieses Projekt wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (SCHU1439-10-1)

 

Rich-Club “Chrono-Architektur” bildet die neuronale Basis für die Verarbeitung von hierarchischen Stimuli

Ansprechpartner: Falko Mecklenbrauck

Nicht nur unsere Umwelt besteht aus einer Vielzahl von genesteten und nicht-genesteten hierarchischen Strukturen, auch unser Gehirn kann mithilfe von strukturellen und funktionellen Hierarchien beschrieben werden. Daher entstand die Theorie das die neuronale Verarbeitung von hierarchischen Stimuli sich ebenfalls in einer hierarchischen Weise verhält. Evidenz von Studien zur Zytoarchitektur und Frequenzanalyse sowie verschiedene Theorien zum Frontallappen gehen von einer anterioren-posterioren Hierarchie der Verarbeitungsschritte aus (z.B. Badre & Nee, 2018). Jedoch bleibt es ungeklärt, welches Organisationsprinzip die Stimuli strukturiert. Einen vielversprechenden Ansatz, auf den wir uns fokussieren wollen, ist die zeitliche Persistenz der Stimuli. Regionen nahe der höchsten Hierarchieebene integrieren und halten Information über eine längere Zeit aufrecht (Koechlin & Summerfield, 2007). Die strukturelle Grundlage dieser zeitlichen Hierarchie könnte durch die Rich-Club Organisation des zerebralen Netzwerks. Nach dieser Theorie könnte die hierarchisch höhere und damit stabilere Verarbeitung näher an Rich-Club Knoten und die hierarchisch niedrigere, eher transiente Verarbeitung näher and peripheren Knoten eine Achse von „Chrono-Architektur“ (Gollo et al., 2015) bilden die möglicherwiese ein sehr generelle Theorie von Informationsverarbeitung darstellt. Daher möchten wir funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) und graphentheoretische Analysen kombinieren, um die funktionellen Prozesse mit der Netzwerkarchitektur zu verbinden. Im ersten Experiment werden den Teilnehmenden Zahlenfolgen präsentiert, die hierarchische Strukturen verschiedener Level und Länge enthalten. Dieses Paradigma dient der Identifikation von „zeitlichen rezeptiven Feldern“ (Hasson et al., 2008) verschiedener kortikaler Regionen, die dann auf das ebenfalls bestimmten strukturellen Netzwerk übertragen werden, um die Beziehung zwischen hierarchischen Stimuli, ihrer zeitlichen Persistenz und der zugrundeliegenden neuronalen Organisation zu untersuchen.

Literatur:

Badre, D., & Nee, D. E. (2018). Frontal Cortex and the Hierarchical Control of Behavior. In Trends in Cognitive Sciences (Vol. 22, Issue 2, pp. 170–188). Elsevier Ltd. https://doi.org/10.1016/j.tics.2017.11.005

Gollo, L. L., Zalesky, A., Matthew Hutchison, R., Van Den Heuvel, M., & Breakspear, M. (2015). Dwelling quietly in the rich club: Brain network determinants of slow cortical fluctuations. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 370(1668). https://doi.org/10.1098/rstb.2014.0165

Hasson, U., Yang, E., Vallines, I., Heeger, D. J., & Rubin, N. (2008). A hierarchy of temporal receptive windows in human cortex. Journal of Neuroscience, 28(10), 2539–2550. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.5487-07.2008

Koechlin, E., & Summerfield, C. (2007). An information theoretical approach to prefrontal executive function. Trends in Cognitive Sciences, 11(6), 229–235. https://doi.org/10.1016/j.tics.2007.04.005

 

TUJOTA - Turn Taking at the Joint Action Table

Ansprechpartnerin: Rosari Naveena

In this collaborative project between Prof. Florentin Wörgötter (head of Computational Neuroscience department at the University of Göttingen) and our lab, we aim to investigate the cognitive architecture of action perception. Our particular focus of interest is the neurocognitive basis of a behavior or function called ‘turn taking’ that has been first described in conversations. Here, taking turns means that while the listener still decodes what s/he hears, s/he already prepares the own upcoming utterance so that the average transition time between the two conversational partners is no more than 200 msec. Since the planning of an utterance itself takes considerably longer, it becomes obvious that turn taking entails several coincident anticipatory processes: predicting the approximate content of the so far unspoken, predicting the timing of the other’s current utterance and hence the most probable point in time where a reply is suitable, and preparing the own utterance. Turn taking is also evident in joint action but has been rarely investigated. In the current project, we measure brain responses, hand movements, and eye movements of an action observer getting reading for turn taking. Using computer vision at the Göttingen lab, we will assess cues that an observer derives from an observed object manipulation performed by an actor/actress and measure the observer’s eye movements as well as the point in time where s/he starts turn taking. Using these data points to model entropy and surprisal in an fMRI study in Münster, we will examine the brain activity in action observers presented with videos from the same actions. Our findings may contribute to the development of robots that can engage in joint action with human beings.

 

Menschliche Manipulationshandlungen
Neurophysiologische Validierung ihrer formalen Charakterisierung

 

Ansprechpartnerin: Jennifer Pomp

Menschliche Handlungen setzen sich aus einzelnen Handlungsschritten zusammen. Obwohl sich subjektiv für den Beobachter einer Handlung ein glattes, kontinuierliches Bewegungsmuster ergibt, kann dieser die konstituierenden Handlungsschritte ohne Mühe identifizieren und (etwa per Tastendruck) anzeigen. Unklar ist jedoch, inwiefern diese so erhaltenen Segmentierungen tatsächlich die neuronalen Prozesse wiederspiegeln, die auch bei der neuronalen Verarbeitung der beobachteten Handlung eine Rolle spielen. Um dieser Frage nachzugehen, wollen wir in diesem Projekt zunächst Handlungssegmente mit computerbasierten Methoden rein aufgrund von Objektrelationen und Bewegungstrajektorien quantifizieren. Auf dieser Grundlage untersuchen wir, inwieweit diese Segmente denjenigen entsprechen, die ein Beobachter entweder per Tastendruck anzeigt (Verhaltenskorrelat) oder die sich in seiner neuronalen Aktivität (fMRT) bei bloßer Beobachtung spontan niederschlagen (neuronales Korrelat).
Das Ziel dieser Arbeiten ist eine objektive Beschreibung von Manipulationshandlungen und deren biologische Validierung durch behaviorale und neuronale Korrelate im Menschen.

Dieses Projekt wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (SCHU1439-8-1)
Literatur

Schubotz, R. I., Korb, F. M., Schiffer, A.-M., Stadler, W. & von Cramon, D. Y. (2012). The fraction of an action is more than a movement: Neural signatures of event segmentation in fMRI. NeuroImage, 61(4), 1195-1205.

Wörgötter, F., Aksoy, E. E.., Krüger, N., Piater, J., Ude, A. & Tamosiunaite, M. (2013). A simple ontology of manipulation actions based on hand-object relations. IEEE Transactions on Autonomous Mental Development, 5(2), 117-134.

 

PEGI - Learning from quantified episodic prediction errors: Individual biases in gist revision

Ansprechpartnerin: Nina Liedtke

Ansprechpartner: Marius Böltzig

Erinnerungen enthalten nicht nur Informationen über die Vergangenheit. Stattdessen helfen sie uns auch, die Zukunft vorherzusagen und Erwartungen zu generieren, was in einer Situation als Nächstes passieren wird. Wenn eine Erinnerung abgerufen wird, um Vorhersagen zu treffen, kann sie verändert werden, beispielsweise wenn die Vorhersage falsch war (prediction error; PE). Wir interessieren uns dafür, in welchem Ausmaß und auf welche Weise PEs Erinnerungen verändern können, und welche Eigenschaften episodische PEs haben, die solche Veränderungen auslösen.
Aufbauend auf einem früheren Projekt, in dem die Art der PEs (qualitativ) manipuliert wurde, werden wir episodische PEs quantitativ manipulieren. Zudem werden wir soziale Interaktionen als naturalistische, persönlich bedeutsame Stimuli nutzen. Wir verwenden dafür ein mehrstufiges Paradigma, bei dem die Gehirnaktivität der Versuchspersonen sowohl während der Enkodierung als auch während des Abrufs von Episoden im MRT gemessen wird.

 

The interplay of positive and negative prediction error signals during expectation violations of visual stimuli

Ansprechpartnerin: Lena Schliephake

Surprising scenarios can have different behavioural and neuronal consequences depending on the violation of the expectation. On the one hand, previous research has shown that the omission of a visual stimulus results in a robust cortical response representing that missing stimulus, a so-called negative prediction error. On the other hand, a large amount of studies revealed positive prediction error signals, entailing an increased neural response that can be attributed to the experience of a surprising, unexpected stimulus. However, it still remains unclear how and when these prediction error signals co-occur. In this project, we investigate whether positive and negative prediction error signals evoked by unpredicted cross-category stimulus transitions can temporally coincide. Moreover, we seek to clarify the relationship between the effects of positive and negative predictions errors and stimulus transition effects caused by equal or unequal stimulus category presentations. We use event-related fMRI and forced-choice decision tasks in which participants have to respond to individual visual images presented in a continuous stream with sequential contingencies.