Veranstaltungsprogramm

Sitzung
Neuronale Korrelate kindlicher Kognitionen
Zeit:
Freitag, 04.06.2021:
14:45 - 16:15

Chair der Sitzung: Stefanie Peykarjou, Universität Heidelberg
Ort: Perspectives in neuroscience

Zusammenfassung der Sitzung

In der frühen und mittleren Kindheit wird die Basis für spätere kognitive Fähigkeiten gebildet. Ein entscheidender Prozess besteht dabei darin, auditorische und visuelle Information zu verarbeiten und zu integrieren. In diesem Symposium werden 5 Beiträge präsentiert, die neuronale Grundlagen dieser Lernprozesse mittels Ereigniskorrelierter Potentiale (EKPs) und Frequenzmessungen erfassen. Die Beiträge befassen sich mit Reaktionen auf auditorische, visuelle und crossmodale Oddballs sowie mit Objekt-Wort-Verknüpfungen und intermodalem Handlungsverständnis bei Säuglingen und Kindern.

Der erste Beitrag untersucht unter Verwendung des Oddball-Paradigmas die auditorische Diskriminationsfähigkeit bei 7 – 12 Monate alten Säuglingen. Selten präsentierte Klaviertöne lösten eine P3a-ähnliche Komponente aus, welche sich mit dem Alter verstärkte (Wienke et al.).

Der zweite Beitrag misst kategoriales Lernen unvertrauter Stimuli bei 7 Monate alten Säuglingen. Gewöhnungseffekte während einer EKP-Familiarisierung waren mit späterer Kategorisierungsleistung in einem Fast Periodic Visual Stimulation Paradigma verbunden und reflektieren eine high-level visual processing (Peykarjou et al.).

Der dritte Beitrag demonstriert, dass 18 Monate alte Kleinkinder verbale Cues mit visueller Handlungsinformation integrieren (Patzwald et al.). An somatosensorischen Messpunkten war Mu reduziert für kongruente verglichen mit inkongruenter verbaler und visueller Information.

Im vierten Beitrag werden Gedächtnisprozesse während des Wortlernens bei 4-jährigen untersucht (Brehm et al.). Hierbei wurde die Stärke des Theta-Rhythmus kurz vor Benennung eines neuartigen Objektes mit dem späteren Lernerfolg assoziiert.

Im fünften Beitrag wurden EKPs bei 5- bis 6-jährigen Kindern für häufig auftretende audiovisuelle Reizkombinationen mit selten auftretenden Rekombinationen dieser Reize verglichen (Schlesinger-Zweckerl et al.). EKP-Effekte für seltene crossmodale Reizkombinationen wurden unabhängig von der Aufgabenrelevanz der statistischen Regelmäßigkeiten gefunden.


Präsentationen

Elektrophysiologische Verarbeitung akustischer Reizänderung von Säuglingen

Annika S. Wienke, Carina Bauer, Birgit Mathes

Universität Bremen, Deutschland

Diese Studie untersucht die entwicklungsbedingten Aspekte akustischer Verarbeitung sich wiederholender Töne für gesunde Säuglinge zwischen sieben und zwölf Monaten durch den Einsatz ereigniskorrelierter Potentiale (EKPs) in einem passiven auditorischen Oddball. Die neuronale P3a‐Komponente steht im Zusammenhang mit dem unwillentlichen Lenken der Aufmerksamkeit auf abweichende, seltene Reize und indiziert eine Diskrimination dieser Reizkategorie.
Als Teil‐Stichprobe der BRISE‐Studie (Bremer Initiative zur Förderung frühkindlicher Entwicklung) wurden 71 wachen Säuglingen wiederholt Klaviertöne mit 466,6Hz als häufigen Standardton (N=200) und 550,5Hz als abweichenden, seltenen Ton (N=48) präsentiert. Die Amplitude einer P3a‐ähnlichen Komponente wurde 280‐330ms nach Stimuluspräsentation für die zentrale Gehirnregion gemessen.
Es zeichnete sich ein Verarbeitungsunterschied beider Reizkategorien über die gesamte Altersspanne ab (F1,69=19,1, p<0,001). Eine lineare Regression legt einen Anstieg der prominenten P3a‐ähnlichen Amplitude bei Verarbeitung der abweichenden Reizkategorie mit dem Alter dar (F1,69=8,8, p=0,004).
Die Ergebnisse verdeutlichen, dass Säuglinge bereits mit sieben Monaten Tonunterschiede wahrnehmen und eine deutliche P3a‐ähnliche Komponente generieren. Diese neuronale Antwort verstärkt sich mit dem Alter. Dies kann auf strukturelle Veränderungen des Gehirns mit dem Alter zurückzuführen sein, welche eine koordiniertere Verarbeitung durch eine zeitlich präzisere neuronale Kommunikation ermöglichen. Es verbessert sich ‐ vermutlich im Zusammenhang mit diesen neuronalen Entwicklungsprozessen ‐ auch die Fähigkeit der Säuglinge der Aufmerksamkeitskontrolle.
Einfache Paradigmen, wie ein akustischer Oddball, sind vielversprechende Werkzeuge zur längsschnittlichen Untersuchung basaler kognitiver Fähigkeiten. Sie bieten Möglichkeiten, beispielsweise im Rahmen von BRISE, den Einfluss des sozioökonomischen Status auf Entwicklungsprozesse von Kindern zu untersuchen.



Frühkindliche neuronale Kategorisierung unvertrauter Reize: Kombinierte EKP und FPVS Reaktionen

Stefanie Peykarjou, Sabina Pauen

Universität Heidelberg

Kategorisierung hilft, Erfahrungen zu strukturieren, doch bisher ist wenig über neuronale Grundlagen der Entwicklung dieser Fähigkeit bekannt. In dieser Studie wurden Ereigniskorrelierte Potentiale (EKPs) und Frequenzreaktionen auf Fast Periodic Visual Stimulation (FPVS) während der Kategorisierung bei 7 Monate alten Säuglingen gemessen. Säuglinge sahen unvertraute Stimuli, die sich in der Form einzelner Teile (rund/eckig) und der Farbe (rot-gelb/blau-grün) unterschieden. Die Kategorisierungsleistung wurde mithilfe eines FPVS Paradigmas (Rossion, 2014) gemessen. In Experiment 1 sah eine Gruppe nur die Kategorisierungsaufgabe (N = 26), eine andere Gruppe nahm vorher an einer EKP-Familiarisierung statt (N = 32). Während der Familiarisierung wurden 50 Exemplare der eckig-roten Stimuli für 1 Sekunde präsentiert. Die Amplitude der Nc Komponente (Aufmerksamkeit) nahm von der ersten zur zweiten Präsentationshälfte ab, BF = 3.71. Im FPVS Paradigma wurden eckig-rote Standard Stimuli mit einer Frequenz von 6 Hz präsentiert. An jeder 5. Position erschien ein rund-blauer Oddball (1.2 Hz). Starke Kategorisierungsreaktionen bei 1.2 Hz und Harmonischen (2.4, 3.6…) auf okzipitalen Elektroden wurden in beiden Gruppen gemessen (SNRs > 1.4, Z-scores > 3.74). Eine Bayes ANOVA bestätigte, dass die Kategorisierungsstärke sich nicht unterschied (BF = 1.02). Nc Amplitude in der 2. Präsentationshälfte war negativ mit Kategorisierung korreliert, r = -.43, BF = 1.9. Experiment 2 (N = 20) bestätigte, dass die Kategorisierungsleistung high- und low-level Prozesse reflektierte: Es wurde eine stärkere Kategorisierung der original im Vergleich zu Kontrollstimuli (phase-scrambled) beobachtet, BF = 2.94. Habituations- und Kategorisierungsstärke hingen also zusammen, obwohl unvertraute Stimuli aufgrund ihrer Gestalt auch ohne Vorerfahrung kategorisiert wurden.



Kontext-sensitive Handlungsverarbeitung beeinflusst motorische Aktivierung im zweiten Lebensjahr: die Rolle verbaler Hinweisreize

Christiane Patzwald1, Daniel Matthes2, Birgit Elsner1

1Universität Potsdam, Deutschland; 2Max Planck Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften, Leipzig, Deutschland

Patzwald und Elsner (2019) konnten in einer Imitationsstudie zeigen, dass Kleinkinder zielbezogene behaviorale und verbale Hinweisreize integrieren und dabei deren Kohärenz berücksichtigen: 18-Monatige imitierten eine objekt-gerichtete Handlung häufiger, wenn diese mit einer vorab geäußerten verbalen Handlungsintention übereinstimmte, als wenn sie ihr widersprach. Jedoch ist vergleichsweise wenig über die elektrophysiologischen Korrelate der Integration sozialer Hinweisreize bekannt, z.B. auf Ebene der motorischen Aktivierung. Basierend auf Patzwald und Elsners Paradigma haben wir in einer EEG-Studie mit 18-Monatigen (N=38) untersucht, inwiefern deren motorische Aktivierung (d.h. Stärke des Mu-Frequenzbandes (6-9 Hz) über C3, C4) während der Beobachtung einer identischen Handlung in Abhängigkeit davon variiert, ob die Handlungsdemonstration mit einer vorab verbal kommunizierten Handlungsintention übereinstimmt oder dieser widerspricht. In einem Innersubjektdesign wurden den ProbandInnen Videos einer Erwachsenen präsentiert, die an einem neuen Objekt dieselbe von zwei möglichen Handlungen demonstrierte. Vor jeder Handlungsdemonstration kündigte die Erwachsene je nach Bedingung eine damit übereinstimmende Handlungsintention (kongruent; z.B. „hoch“ und Aufwärtsbewegung) oder eine konfligierende Intention (inkongruent; z.B. „runter“ und Aufwärtsbewegung) an. Basierend auf elektrophysiologischer Forschung, die einen positiven Zusammenhang zwischen motorischer Aktivierung während der Handlungsbeobachtung und anschließender Imitationsneigung zeigte (Filippi et al., 2016; Frey & Gerry, 2006), sowie aufgrund des Imitationsbefundes von Patzwald und Elsner, erwarteten wir vergleichsweise stärkere motorische Aktivierung (geringere Stärke des Mu-Frequenzbandes) während der Beobachtung der kongruenten als der inkongruenten Handlung. Diese Hypothese wurde über C4 bestätigt. Unsere Befunde deuten darauf hin, dass Kleinkinder zielbezogene soziale Hinweisreize integrieren und sich deren Kohärenz auf der Ebene der motorischen Aktivierung widerspiegelt.



Theta-Oszillationen beim selektiven Wortlernen im Vorschulalter

Julia Brehm1,2, Liridona Hoti1, Myriam C. Sander3, Markus Werkle-Bergner3, Anja Gampe1,4, Moritz M. Daum1,2

1Institut für Psychologie, Universität Zürich, Schweiz; 2Jacobs Center for Productive Youth Development, Universität Zürich, Schweiz; 3Max-Planck-Institut für Bildungsforschung, Berlin, Deutschland; 4Institut für Sozioökonomie, Universität Duisburg Essen, Deutschland

Selektives Lernen bezeichnet das Phänomen, dass Kinder besser von einer Person lernen, die sie als kompetent wahrnehmen als von einer, die sie als inkompetent wahrnehmen. Welche neuronalen Mechanismen hierbei eine Rolle spielen, ist jedoch noch weitgehend unbekannt. Eine mögliche Erklärung ist, dass sich die Gedächtnisprozesse beim Verarbeiten von Informationen von inkompetenten Personen, von denen in anderen Lernsituationen unterscheiden. Kurz bevor neue Informationen erwartet werden, bereitet sich das Gehirn üblicherweise darauf vor, diese zu enkodieren. Dieser antizipatorische Prozess wird im EEG häufig mit einem Anstieg rhythmischer neuronaler Aktivität im Theta-Frequenzbereich (4-8 Hz) über frontalen Regionen assoziiert.

In der aktuellen Studie wurde untersucht, ob antizipatorische frontale Theta Aktivität den Lernerfolg eines neuen Wortes im Vorschulalter anzeigt und von der Kompetenz des Modells abhängt. Hierzu wurden 4-jährigen Kindern (n = 80) neue Wort-Objekt-Paare entweder von einem kompetenten oder inkompetenten Modell präsentiert. Währenddessen wurde EEG mit 128 Elektroden gemessen und der Lernerfolg mittels Touchscreens erfasst. Theta Aktivität wurde von -2 bis 0s vor Wortbeginn mittels wavelet-basierten Zeitfrequenzanalysen bestimmt.

Entgegen der Hypothesen zeigte sich kein Unterschied im Lernerfolg zwischen den Modellen (t = -0.39, p = 0.7). Wurden die Wort-Objekt-Paare von einem inkompetenten Modell präsentiert, stand die antizipatorische Theta Aktivität in Zusammenhang mit dem Lernerfolg des Wortes (t(479) = 2.36, p = 0.04). Dieser Effekt fand sich nicht, wenn die Wort-Objekt-Paare von einem kompetenten Modell präsentiert wurden.

Trotz ähnlichem Lernerfolg auf der Verhaltensebene zeigten sich Unterschiede in der Verarbeitung von Wort-Objekt-Paaren. Diese Resultate zeigen, dass die Kompetenz eines Modells Prozesse während des Wortlernens beeinflusst.



Crossmodales Statistisches Lernen im Alter zwischen 5 und 6 Jahren

Veronika Mathilde Gisela Schlesinger-Zweckerl, Patrick Bruns, Brigitte Röder

Biologische Psychologie & Neuropsychologie, Universität Hamburg, Deutschland

Säuglinge erwerben komplexe multisensorische Objektrepräsentationen durch implizites Extrahieren von crossmodalen statistischen Regelmäßigkeiten. Erwachsene hingegen scheinen diese Regelmäßigkeiten nur dann zu erlernen, wenn ihnen eine Aufgabe gestellt wird, für deren Lösung die Regelmäßigkeiten relevant sind. Die vorliegende Studie ergründete, wann der Übergang von implizitem zu explizitem statistischen Lernen stattfindet. Mithilfe ereigniskorrelierter Potentiale (EKPs) untersuchten wir, welche Lernmechanismen 5- bis 6-jährige Kinder für das Erlernen von crossmodalen Regelmäßigkeiten nutzen.

Es wurden audiovisuelle Stimuluspaare mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten präsentiert: „Häufige Standardkombinationen“ (A1V1 und A2V2, jeweils p = 0.3) und „Seltene Rekombinationen der Standardkombinationen“ (A1V2 und A2V1, jeweils p = 0.1), sowie „Seltene Abweichler“ (A3V3, p = 0.1) und „Rein Visuelle Stimuli“ (V4, p = 0.1) mit jeweils neuen sensorischen Elementen. Mögliche Unterschiede zwischen Lernmechanismen wurden durch Implementierung zweier Lernbedingungen (Zwischengruppendesign) adressiert: eine, bei der die crossmodalen Statistiken für die Aufgabe irrelevant, und eine, bei der sie aufgabenrelevant waren.

Unterschiede in den EKPs zwischen „Häufigen Standardkombinationen“ und „Seltenen Abweichlern“ wurden in beiden Lernbedingungen gefunden – ein Hinweis darauf, dass die Kinder die Gesamthäufigkeit der sensorischen Elemente erlernten. Ebenfalls fanden wir in beiden Lernbedingungen Unterschiede in den EKPs zwischen „Häufigen Standardkombinationen“ und den „Seltenen Rekombinationen der Standardkombinationen“, die ein Erlernen der crossmodalen statistischen Regelmäßigkeit anzeigen.

Unsere Ergebnisse weisen darauf hin, dass 5- bis 6-Jährige crossmodale Regelmäßigkeiten aus dem sensorischen Input nicht – wie Erwachsene – nur dann erlernen, wenn diese aufgabenrelevant sind. Statistisches Lernen in diesem Alter scheint noch in deutlich geringerem Maße von expliziten Lernmechanismen abzuhängen als im Erwachsenenalter und der Übergang erst im späteren Entwicklungsverlauf zu erfolgen.