Investigating visual working memory : on how task-demands differentially influence processing of intrinsic and extrinsic object information

Abstract

The aim of this thesis was to investigate binding mechanisms differentially influence processing of visual object information in working memory (WM): intrinsic binding refers to the association of objects and their surface features and extrinsic binding refers to the association of an object and its direct spatiotemporal context. Based on long-term memory research, we assumed that extrinsic but not intrinsic binding relies on intact hippocampal functioning. We expected intrinsic but not extrinsic object features to be obligatorily bound into a WM representation. Binding of extrinsic object information was expected to be supplementary to intrinsic binding. As the hippocampus is one of the first brain regions to be affected by age-related degenerative processes, Experiments 1 and 2 compared WM binding performance of younger and older adults in a change detection task for colored shape stimuli; color was either an intrinsic surface feature of the shape or an extrinsic disjunct colored frame around the shape. In Experiment 1, older adults—compared to younger adults—were less prone to task-irrelevant changes to extrinsic compared to intrinsic feature changes. However, the effect subsided when participants intentionally encoded object feature bindings: Besides a general age-related reduction in WM performance, older people indeed showed a reduced WM performance for extrinsic compared to intrinsic stimuli, but the same memory decline was seen in younger adults. Moreover, we observed all stimulus-specific effects for feature and binding memory performance. Reduced incongruence effects from study to test in older adults were hence unlikely the results of age-related changes to binding mechanisms. Moreover, Experiment 2 ruled out that age-related decrements in extrinsic stimulus processing are the results of a reduction in processing speed for bound information: Age-related decrements in extrinsic stimulus processing were not moderated by the time available to encode the information. In sum, our findings indicated that older adults showed a more general impairment in processing extrinsic feature information that was not restricted to binding; we found no clear indications for a downstream extrinsic binding mechanism. Hence, these results suggested that extrinsic information demands for increased intentional encoding processes compared to intrinsic information to be available in WM. Following this observation, event-related potentials (ERPs) were used to investigate processing differences between intrinsic and extrinsic feature information in WM. Despite behavioral effects in WM performance in a bilateral version of a change detection task, we found no indications that maintenance demands diverge for intrinsic and extrinsic object feature associations (Experiment 3), as indicated by parallel progressions of the contralateral delay activities for each stimulus type. Accordingly, we investigated the availability of intrinsic and extrinsic object information when a target is evaluated. To this end, we used a change-detection paradigm (Experiment 4) with object-feature changes that were either task-relevant or task-irrelevant depending on task conditions. If intrinsic object feature information is involuntarily processed, we expected ERP mismatch effects to be elicited when an object's color is changed irrespective of task-relevance. In contrast, extrinsic color changes should show a mismatch effect only if color is task relevant. This is what we observed. Collectively, results from Experiments 1 to 4 confirm that intrinsic and extrinsic color information is differently processed in WM. However, we found no evidence that the WM effects are based on differences in material-specific binding mechanisms. More likely, the differences in WM performance are caused by differences in attentional control processes during stimulus encoding. We interpreted the findings in terms of a WM model with a capacity limited to a finite number of object representations, but these object representations can be incomplete depending on the direction of attention. The spatial distribution of an object's color moderates the demands of attentional control during stimulus processing.

Gegenstand der Arbeit war die Untersuchung des Einflusses von Bindungsmechanismen auf die Verarbeitung visueller Informationen im Arbeitsgedächtnis (AG): Intrinsische Bindung bezieht sich dabei auf die Assoziation von Objekten und deren Oberflächeneigenschaften und extrinsische Bindung auf die Assoziation eines Objekts und seines unmittelbaren raumzeitlichen Kontextes. Basierend auf Befunden der Langzeitgedächtnisforschung wurde angenommen, dass extrinsische, nicht aber intrinsische Bindung auf intakter Hippocampus-Funktion beruht. Wir erwarteten, dass intrinsische, nicht aber extrinsische Objektmerkmale obligatorisch in eine AG-Repräsentation gebunden werden. Es wurde erwartet, dass extrinsische Bindung von Informationen supplementär zur intrinsischen Bindung erfolgt. Da der Hippocampus eine der ersten Hirnregionen ist, die von altersbedingten degenerativen Prozessen betroffen ist, verglichen Experiment 1 und 2 die Bindungsleistung im AG von jüngeren und älteren Erwachsenen in einer Change Detection Aufgabe mit farbigen Formen, wobei die Farbe entweder ein intrinsisches Oberflächenmerkmal der Form war, oder dargestellt als extrinsischer disjunkter Rahmen um die Form. In Experiment 1 waren ältere Probanden im Vergleich zu jüngeren Probanden weniger anfällig für aufgabenirrelevante Veränderungen extrinsischer im Vergleich zu intrinsischer Merkmale. Der Effekt ließ jedoch nach, wenn die Probanden intentional die Objektmerkmalsbindungen enkodierten: Neben einer allgemeinen altersbedingten Abnahme der AG-Leistung zeigten ältere Probanden zwar eine verminderte AG-Leistung bei extrinsischen im Vergleich zu intrinsischen Stimuli, aber gleiche Leistungseinbußen wurden auch bei jüngeren Probanden beobachtet. Darüber hinaus wurden alle stimulusspezifischen Effekte sowohl für das Merkmals- als auch für das Bindungsgedächtnis beobachtet. Reduzierte Inkongruenzeffekte vom Lern- zum Testzeitpunkt bei älteren Probanden waren somit unwahrscheinlich das Ergebnis altersbedingter Veränderungen der Bindungsmechanismen. Darüber fanden sich in Experiment 2 keine Hinweise darauf, dass altersbedingte Reduktionen in der Verarbeitung extrinsischer Merkmalsassoziationen das Resultat verringerter Prozessierungsgeschwindigkeit für gebundene Informationen ist: Altersbedingte Abnahmen in der Verarbeitung extrinsischer Reize wurden durch die verfügbare Zeit zur Enkodierung der Informationen nicht moderiert und es zeigten sich keine eindeutigen Hinweise auf einen zeitlich nachgelagerten extrinsischen Bindungsprozess. Zusammenfassend zeigten unsere Ergebnisse, dass ältere Probanden eine allgemeinere Beeinträchtigung bei der Verarbeitung extrinsischer Merkmalsinformationen zeigten, die nicht auf die Bindunginformation beschränkt war. Daher deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass extrinsische verglichen mit intrinsischen Informationen höhere Anforderungen am einen intentionalen Enkodierprozess stellen, um im visuellen AG verfügbar zu sein. Daran anschließend wurden mit Hilfe von ereignisbezogenen Potenzialen (ERP) Verarbeitungsunterschiede zwischen intrinsischen und extrinsischen Merkmalsinformationen im AG untersucht. Trotz behavioraler Effekte in der AG-Leistung in einer bilateralen Version einer Change Detection Aufgabe, fanden wir keine Hinweise darauf, dass die intrinsische und extrinsische Objektmerkmalsassoziationen in ihrer Anforderung an den Aufrechterhaltungsprozess divergieren (Experiment 3), wie die stimulusunabhängige parallele Entwicklung der Contralateral Delay Activity zeigte. Entsprechend untersuchten wir die Verfügbarkeit von intrinsischen und extrinsischen Objektinformationen zum Abrufzeitpunkt einer Arbeitsgedächtnisaufgabe, wenn ein Target evaluiert wird. Dazu verwendeten wir erneut eine Change Detection Aufgabe (Experiment 4), bei der Objektmerkmaländerungen je nach Aufgabenstellung entweder aufgabenrelevant oder aufgabenirrelevant waren. Wenn intrinsische Farbmerkmale unintentional verarbeitet werden, erwarteten wir, dass ERP Mismatch-Effkte ausgelöst werden, wenn die Farbe eines Objekts unabhängig von der Aufgabenrelevanz geändert wird. Im Gegensatz dazu sollten extrinsische Farbänderungen nur dann einen Mismatch-Effekt erzeugen, wenn die Farbe aufgabenrelevant ist. Genau dies beobachteten wir auch. Zusammenfassend bestätigen die Ergebnisse der Experimente 1 bis 4, dass intrinsische und extrinsische Farbinformationen im visuellen AG unterschiedlich verarbeitet werden. Wir fanden jedoch keine Hinweise darauf, dass die AG-Effekte auf Unterschieden in den materialspezifischen Bindungsmechanismen beruhen. Wahrscheinlicher ist, dass die Unterschiede in der AG-Leistung durch Unterschiede in den Aufmerksamkeitskontrollprozessen während der Stimulusenkodierung verursacht werden. Wir interpretierten die Ergebnisse in Form eines AG-Modells mit einer Kapazität, die auf eine begrenzte Anzahl von Objektrepräsentationen beschränkt ist; diese Objektrepräsentationen können jedoch je nach Ausrichtung der Aufmerksamkeit unvollständig sein. Die räumliche Distribution der Farbe eines Objekts moderiert die Anforderungen an die Aufmerksamkeitskontrolle bei der Stimulusverarbeitung.