Cette Dissertation porte sur deux problèmes théoriques concernant les modalités sensorielles. Le premier pose la question de savoir comment les sens sont individués (indépendamment de la façon dont on les conçoit communément). La stratégie consiste à tester la résistance des critères d'individuation proposés dans la littérature contre les objections qui leur ont été adressées. Je défends la thèse selon laquelle les sens sont individués par les propriétés environnementales auxquelles ils donnent accès, et je montre que ce critère résiste à toutes les objections qui lui ont été adressés. Le second problème concerne l'origine de notre croyance en exactement cinq sens. Sur la base d'observations issues de l'anthropologie et de la linguistique comparative, je défends que cette croyance résulte uniquement de ce qui nous a été enseigné. En outre, ce travail doctoral contient deux études supplémentaires. La première porte sur la question de savoir comment les gens distinguent ordinairement les sens. Je défends que nos concepts ordinaires des sens sont sensibles aux types de propriétés environnementales auxquelles les sens donnent accès ainsi qu'aux parties du corps auxquelles ils sont attachés. La seconde étude se concentre sur le phénomène de la substitution sensorielle, longtemps considéré comme un défi pour l'individuation des sens. Je défends que la substitution sensorielle n'est pas un défi de cet ordre parce que le type d'information environnementale traité par un outil de substitution sensorielle est métamodale, i.e. accessible par n'importe qu'elle modalité. / This Dissertation is concerned with two theoretical issues about the senses. The first issue focuses on the question how the senses are to be individuated (regardless of the way one commonly conceive of them). The strategy is to test the ability of the criteria of individuation available in the literature to withstand objections. I argue that the senses are to be individuated in terms of the environmental properties they give access to, and show that this criterion can withstand all of the objections it has received. The second issue is the question why do we believe in exactly five senses? On the basis of observations from anthropology and comparative linguistics, I argue that this belief result from what we been taught. In addition, this Dissertation contains two supplementary studies. The first study focuses on the question how people ordinarily distinguish among the senses. I argue that people are sensitive both to the types of environmental properties the senses give access to and to the body parts they are attached to. The second study is concerned with the phenomenon of sensory substitution that has long been considered as a challenge for the individuation of the senses. I argue that sensory substitution is not a challenge of this kink because the type of environmental information processed by a sensory substitution device is metamodal, i.e. accessible through any sensory modality

Le temps est une dimension universelle traitée par les systèmes sensoriels, qui est essentielle pour attribuer un sens à des stimuli comme la parole ou la musique pour l'audition. Cependant, les mécanismes requis pour le traitement temporel restent en grande part méconnus. Dans cette thèse, nous avons examiné un type de mécanisme faisant sans doute partie intégrante de tout traitement temporel : la formation de nouvelles traces mnésiques pour l’information temporelle. Nous avons étudié principalement la modalité auditive, mais aussi d'autres modalités sensorielles, comme le toucher, la vision, et la stimulation électrique directe du système auditif périphérique avec un implant cochléaire. Toutes les expériences ont utilisé un nouveau paradigme expérimental, adapté de précédentes études conçues pour étudier la mémoire auditive (Agus, Thorpe, & Pressnitzer, 2010). Au lieu d'utiliser du bruit comme stimulus, nous avons utilisé des séquences d’intervalles de temps irréguliers délimités par de brèves impulsions d'énergie, adaptées à la modalité étudiée. Dans une première série d'expériences, nous avons étudié la modalité auditive chez des auditeurs normo-entendants, en utilisant des trains de clics audio comme stimuli. Nous avons démontré, pour la première fois, un apprentissage rapide de sons contenant uniquement des informations temporelles. Dans une seconde série d'expériences, nous avons appliqué le même paradigme à trois modalités sensorielles (audition, toucher et vision), en utilisant des clics audio, des impulsions de mouvement au bout des doigts, et des flashs de lumière pour délimiter les intervalles de temps dans les différences modalités. Nous avons observé des formes qualitativement similaires d'apprentissage perceptif pour les trois modalités, avec un apprentissage rapide dans tous les cas, ainsi qu'un transfert d'apprentissage au toucher ou à la vision pour des séquences initialement apprises de façon auditive. Dans une troisième série d'expériences, nous avons testé des malentendants stimulés électriquement par leur implant cochléaire avec des séquences d'impulsions irrégulières. Nous avons trouvé des indications d’une plasticité préservée pour l'apprentissage rapide des informations temporelles chez ces auditeurs. Enfin, nous présentons des résultats préliminaires en utilisant une nouvelle technique susceptible de révéler certains des mécanismes neuronaux sous-jacents à l'apprentissage perceptuel rapide. Nous avons mesuré la dilatation pupillaire pendant que les auditeurs effectuaient la tâche de mémoire auditive et observé des changements systématiques de la taille de la pupille avec l'apprentissage. En conclusion, la thèse montre une capacité remarquable des systèmes perceptifs à apprendre des séquences temporelles complexes lorsqu'elles apparaissent plusieurs fois dans l'environnement, et suggère de nouvelles méthodes expérimentales pour étudier plus avant les mécanismes neuronaux sous-jacents. / Time is a universal feature of all information processed by sensory systems, and temporal patterning is often essential for attributing meaning to external stimuli such as speech or music in audition. However, many of the mechanisms needed for temporal processing are still unclear. In this thesis, we investigated one type of mechanism arguably integral to any kind of temporal processing: the formation of novel memories for temporal patterns. We studied mainly the auditory modality, but also other sensory modalities such touch, vision, and electric hearing with a cochlear implant. All experiments used a novel experimental paradigm, adapted from a previous study designed to explore auditory memory of random noise (Agus, Thorpe, & Pressnitzer, 2010). Instead of using noise as the complex stimulus to learn, we used irregular time patterns made of random time intervals delineated by modality-adapted brief energy pulses. In a first series of experiments, we investigated the auditory modality in normal hearing listeners, using click trains as stimuli. We demonstrated for the first time a rapid learning of stimuli containing solely temporal cues. In a second series of experiments, we applied the same paradigm to multiple sensory modalities (audition, touch, and vision), using audio clicks, motion pulses to the fingertips, and light to delineate time intervals. We found a qualitatively similar forms of perceptual learning for all three modalities, with rapid learning in all cases, as well as a transfer of learning to touch or vision for patterns learnt initially learnt in audition. In a third series of experiments, we tested hearing impaired listeners stimulated through their cochlear implant with sequences of electrical pulses. We found evidence for preserved plasticity for the rapid learning of time patterns in those listeners. Finally, we present preliminary data using a novel technique for studying the underlying neural mechanisms of rapid perceptual learning. We measured pupil dilation while listeners performed the memory task and observed systematic changes in pupil size with perceptual learning. In conclusion, the thesis shows a remarkable ability of perceptual systems to learn complex time patterns as they re-occur in the environment, and suggests new experimental methods to further study the underlying neural mechanisms.

Nous évoluons dans un monde incertain. De ce fait, notre survie dépend de notre capacité à prendre rapidement des décisions, et ce de manière fiable et adaptative. Il est possible de mieux comprendre cette capacité en considérant la perception comme un processus d’inférence probabiliste au cours duquel les informations sensorielles sont combinées à nos attentes pour produire une interprétation plausible de notre environnement. Les théories récentes de psychiatrie computationnelle suggèrent par ailleurs que la grande variabilité des troubles psychiatriques, au rang desquelles figure la schizophrénie, pourrait résulter d’une altération de ces mêmes processifs prédictifs. L’Inférence Circulaire est l’une de ces théories. Ce cadre de pensée stipule qu’une propagation incontrôlée d’information dans la hiérarchie corticale pourrait générer des percepts ou des croyances aberrantes. Afin d’explorer le rôle joué par l’Inférence Circulaire en condition normale ou pathologique, ce travail de thèse s’est appuyé sur des tâches de prise de décision en conditions perceptives ambigües. Dans une première partie, nous nous sommes intéressés au rôle joué par la circularité dans la perception bistable. Le phénomène de bistabilité survient lorsque deux interprétations se succèdent à intervalle régulier pour un même percept. Nous présentons les résultats d’une tâche conduite en population saine où nous avons manipulé les informations sensorielles et à priori utilisées par les participants lors de la visualisation d’un cube de Necker (article 1). Nous avons pu montrer un effet propre à chaque manipulation, mais également une interaction entre ces deux sources d’information, incompatible avec une intégration Bayésienne optimale. Résultat confirmé par la comparaison de divers modèles computationnels ajustés aux données, qui a pu mettre en évidence la supériorité de l’Inférence Circulaire sur les modèles Bayésiens classiques. Nous avons ensuite voulu tester un modèle fonctionnel de la bistabilité (article 2). Nous avons donc dérivé la dynamique du modèle et montré que la présence de boucles descendantes dans la hiérarchie corticale, transformait ce qui était jusque là un intégrateur imparfait du bruit sensoriel en modèle à attracteur bistable. Ce modèle ne reproduit pas seulement le phénomène de bistabilité, mais également l’ensemble de ces caractéristiques phénoménologiques. Dans un 3ème article, nous avons testé une prédiction, notamment en cas de présentation discontinue d’un stimulus bistable. Deux expériences complémentaires utilisant un paradigme de présentation intermittente du cube de Necker ont donc été conduites en population générale. Nos résultats étaient compatible avec les prédictions faites par le modèle de l’Inférence Circulaire Dynamique, suggérant que la circularité puisse être un mécanisme générique à l’origine de notre façon de voir le monde. Dans la seconde partie de ce travail, nous avons étudié l’Inférence Circulaire en condition pathologique, notamment lors d’expériences psychotiques (schizophrénie, psychédéliques). Nous avons utilisé la perception bistable pour explorer les mécanismes computationnels à l’œuvre dans la schizophrénie (article 4,5). Nous avons comparé les performances de patients présentant des symptômes psychotiques à des témoins sains appariés lors d’une tâche de perception bistable. Nous avons pu montrer chez les patients une amplification des informations sensorielles combinée à une surestimation de la volatilité environnementale. Enfin nous terminons ce travail en proposant une approche transversale de l’effet des psychédéliques (article 6), sur la base des résultats précédents et de la spécificité clinique de ces expériences sensorielles cross-modales, afin de relier l’échelle macroscopique (i.e., comportement et phénoménologie), mésoscopique (i.e., les boucles inférentielles) et microscopique (i.e., les différents neurotransmetteurs impliqués aboutissant à un microcircuit canonique). / We live in an uncertain world, yet our survival depends on how quickly and accurately we can make decisions and act upon them. To address this problem, modern neuroscience reconceptualised perception as an inference process, in which the brain combines sensory inputs and prior expectations to reconstruct a plausible image of the world. In addition to that, influential theories in the emerging field of computational psychiatry suggest that various psychiatric disorders, including schizophrenia, could be the outcome of impaired predictive processing. Among those theories, the circular inference framework suggests that an unconstrained propagation of information in the cortex, underlain by an excitatory to inhibitory imbalance, can generate false percepts and beliefs, similar to those exhibited by schizophrenia patients. In the present thesis, we probed the role of circular inference from normal to pathological brain functioning, gaining insights from perceptual decision making in the presence of high ambiguity. In the first part of the thesis, we focused on the role of circularity in bistable perception in the general population. Bistability occurs when two mutually exclusive interpretations compete and switch as dominant percepts every few seconds. In a 1st article, we manipulated sensory evidence and priors in a Necker cube task, asking how the brain combines low-level and high-level information to form perceptual interpretations. We found a significant effect of each manipulation but also an interaction between the two, a finding incompatible with Bayes optimal integration. Bayesian model comparison further supported this observation, showing that a circular inference model outperformed purely Bayesian models. Having established a link between circular inference and bistable perception, we then put forward a functional theory of bistability, based on circularity (2nd article). In particular, we derived the dynamics of a dynamical circular inference model, showing that descending loops (i.e. a form of circularity resulting in aberrant amplification of the priors) transform what is normally a leaky integration of noisy evidence into a bistable attractor with two highly trusted stable states. Importantly, this model can explain both the existence and the phenomenological properties of bistable perception, making a number of testable predictions. Finally, in a 3rd article, we tested one of the model’s predictions, namely the perceptual behaviour when the stimulus is presented discontinuously. We ran two Necker cube experiments using a novel intermittent-presentation methodology, and we calculated the stabilisation curves (i.e. persistence as a function of blank durations). We found that participants’ behaviour was compatible with the model’s prediction for a system with descending loops, suggesting that circularity constitutes a general mechanism that shapes the way healthy individuals perceive the world. In the second part, we studied circular inference in pathological conditions related to psychosis. We notably focused on two varieties of the psychotic experience, namely schizophrenia-related psychosis and drug-induced psychosis. After discussing the links between behaviour, aberrant message-passing and the corresponding neural networks (4th article), we used bistable perception to probe the computational mechanisms underlying schizophrenia in a 5th article. We compared patients with prominent positive symptoms with matched healthy controls in two bistable perception tasks. Our results suggest an enhanced amplification of sensory inputs in patients, combined with an overestimation of the environmental volatility. In the last article (6th), we delineated a multiscale account of psychedelics, ultimately linking the macroscale (i.e. phenomenological considerations such as the crossmodal character of the psychedelics experience), the mesoscale (i.e. loops) and the microscale (i.e. neuromodulators and canonical microcircuits).

L’objectif de cette thèse était d’étudier les processus impliqués dans la localisation temporelle des événements personnels futurs chez les sujets sains et les patients atteints de schizophrénie. Pour cela, nous avons utilisé la méthode de réflexion à voix haute dans trois études expérimentales pour analyser les stratégies utilisées pour déterminer la localisation temporelle des événements autobiographiques. Dans l’Etude 1, nous avons constaté que les participants utilisaient principalement des processus de reconstruction/d’inférence pour dater les événements. Ils s’appuyaient le plus souvent sur des connaissances autobiographiques (c.-à-d., des périodes de vie/événements étendus) et des connaissances générales pour reconstruire ou inférer le moment des événements, à la fois pour les événements passés et futurs. Dans l'Etude 2, nous avons constaté que les buts personnels influençaient le processus de localisation temporelle en augmentant l'accès direct à la date des événements futurs importants et en favorisant l'utilisation de connaissances autobiographiques pour inférer le moment des événements lorsque les dates ne sont pas directement accessibles. Dans l’Etude 3, nous avons constaté que les patients atteints de schizophrénie avaient des difficultés à s’appuyer sur des informations épisodiques pour reconstruire ou inférer la date des événements personnels, et qu’ils commettaient davantage d’erreurs que les participants témoins lorsqu’on leur demandait de classer dans l’ordre chronologique les événements précédemment datés. Sur la base de ces nouvelles découvertes, nous proposons un modèle à double processus pour la localisation temporelle des événements autobiographiques qui articule les mécanismes cognitifs engagés dans la datation des événements passés et futurs. / The aim of this thesis was to investigate the processes involved in the temporal location of personal future events in healthy individuals and in patients with schizophrenia. To do so, we used a think-aloud procedure in three experimental studies to analyse the strategies used to determine the times of autobiographical events. In Study 1, we found that participants mostly used reconstructive/inferential processes to date events. They relied most frequently on autobiographical knowledge (i.e., lifetime periods/extended events) and general knowledge to reconstruct or infer the times of events, both for past and future events. In Study 2, we found that personal goals influenced the temporal location process by increasing the direct access to the times of important future events, and by favouring the use of autobiographical knowledge to infer the times of events when dates are not directly accessible. In Study 3, we found that patients with schizophrenia had difficulties to rely on episodic information to reconstruct or infer the times of personal events, and made more errors when they were asked to temporally order the previously dated events. Based on these novel findings, we propose a dual-process model of the temporal location of autobiographical events that articulates the cognitive mechanisms engaged in the dating of past and future events

Un mot et une signification peuvent entretenir une relation naturelle, motivée, plutôt qu’arbitraire, via la composition segmentale dudit mot. Ce phénomène est souvent appelé symbolisme sonore, même si nous préfèrerons employer le terme de motivation par la suite. Dans la littérature, des éléments en faveur d’une relation motivée apparaissent à la fois dans des analyses translinguistiques et des expérimentations psycholinguistiques. Par exemple, une voyelle fermée telle que [i] est davantage associée à la petitesse qu’une voyelle ouverte telle que [a], davantage associée à une taille importante. Ce schéma apparait à la fois dans les lexiques de différentes langues (Ohala, 1997) et dans les résultats de tâches d’associations (Sapir, 1929), avec des participants parlant différentes langues et à différents âges. Du fait de ces éléments communs (Iwasaki et al., 2007) et de leur précocité (Ozturk et al., 2013), il est possible de formuler l’hypothèse que la motivation a pu être un élément clé dans l’émergence du langage (Imai et al., 2015), en facilitant les interactions et l’accord entre les individus.Cette thèse offre plusieurs contributions méthodologiques à l’étude des associations motivées entre formes phonétiques et significations. La première étude a pour objectif de déterminer si des caractéristiques associées à des animaux (e.g. la dangerosité) ou à leurs catégories biologiques (oiseaux vs. poissons, sur la base de l’étude conduite par Berlin en 1994)peuvent représenter des concepts pertinents dans la mise en évidence d’associations motivées, en se basant sur l’hypothèse que les animaux étaient des sujets récurrents et importants des premières interactions langagières (en tant que potentielles sources de nourriture ou de menace). Cette étude a soulevé des questions méthodologiques, qui ont conduit à une seconde étude, dont le but était de comparer différents protocoles de tâches d’association que l’on peut trouver dans les études sur la motivation. En effet, les protocoles et les populations étudiées varient d’une étude à l’autre, et il est ainsi difficile de déterminer quel est le contraste le plus déterminant pour la mise en valeur expérimentale d’associations motivées : le contraste phonétique, ou le contraste conceptuel. Cette deuxième étude a ainsi permis d’apprécier l’influence de différents protocoles en contrôlant d’autres sources de variations à travers les différentes tâches. Elle a aussi permis de mettre en évidence la nécessité d’étudier davantage les processus cognitifs impliqués dans les associations. Ainsi, nous avons poursuivi notre investigation en noustournant vers l’influence de la forme des lettres, un facteur potentiellement déterminant dans les tâches ‘bouba-kiki’, comme l’ont proposé Cuskley et al. (2015). Bouba-kiki est un paradigme très répandu dans l’étude des associations motivées et consiste à associer des pseudomots avec des formes pointues ou arrondies. Cuskley et al. ont proposé qu’une forme pointuefaciliterait le traitement d’un pseudo-mot contenant une lettre anguleuse, telle que ‘k’. Dans notre troisième étude, nous avons adopté une version implicite de la tâche bouba-kiki, plus précisément une tâche de décision lexicale, en nous basant sur une étude antérieure de Westbury (2005). Dans cette expérience précédente, des cadres pointus et arrondis, dans lesquels apparaissaient les stimuli linguistiques, facilitaient le traitement de pseudo-mots en fonction de leurs compositions segmentales (e.g. les formes pointues accéléraient le traitement d’occlusives non-voisées telle que [k]). Nous avons manipulé les formes des lettres via deux polices de caractères différentes, une anguleuse et une curviligne, et avons ainsi essayé de démêler lesimpacts respectifs des formes des cadres et des polices sur les temps de réponse des participants. Les résultats ont mis en lumière l’importance de prendre en considération des processus visuels de bas-niveau dans l’étude des associations motivées. / Sound symbolism, or motivation as we will later refer to it, corresponds to the assumption that some words have a natural relation with their significations, instead of an arbitrary one, through their segmental composition. Some evidence stands out from the literature, from cross-linguistic investigations to psycholinguistic experimentations. For example, a closed vowel [i] is more associated to smallness, while an open vowel like [a] is more associated to largeness. This pattern appears in the lexicon of different languages (e.g. Ohala, 1997), as well as in results of associative tasks (Sapir, 1929) with participants speakingdifferent languages and at different life stages. These commonalities (e.g. Iwasaki, Vinson, & Vigliocco, 2007) and their earliness (e.g. Ozturk, Krehm, & Vouloumanos, 2013) enable to formulate the hypothesis that motivation may have represented a key-driver in the emergence of language (Imai et al., 2015), by facilitating interactions and agreement between individuals.This thesis offers several methodological contributions to the study of motivated associations. The first study of this thesis aimed at assessing whether animal features (e.g. dangerousness) or biological classes (birds vs. fish, based on Berlin, 1994) would be relevant concepts for highlighting motivated associations, based on the assumption that animals would have represented suitable candidates for the content of early interactions (as potential sources of food and threats). It raised issues regarding methodological settings which led to the second study consisting in comparing different protocols of association tasks that are found across experimentations. Indeed, in the literature, the settings and population vary from one study to another, and it is therefore not possible to determine which one of the two types of contrasts implied in association tasks is determinant for making associations: either the phonetic one or the conceptual one. This second study permitted to appraise the influence of different protocols by controlling for other sources of variation across the tasks. It also highlighted the need to better analyze the cognitive processes involved in motivated associations. This led us to complement our investigation of phonetic and conceptual contrast with a study on the influence of the graphemic shapes of letters, following Cuskley, Simmer and Kirby (2015)’s proposal of an impact of the shapes of letters in the bouba-kiki task. This task is a well-known paradigm in the study of motivated associations, based on associating pseudo-words with round or spiky shapes. Cuskley et al. suggested that a spiky shape would facilitate the processing of a pseudoword that contains an angular letter such as ‘k’. On our third study, we considered an implicit version of the ‘bouba-kiki’ task, namely a lexical decision task, building on a previous experiment by Westbury (2005). In this experiment, spiky and round frames, in which the linguistic stimuli appeared, seemed to facilitate the processing of pseudo-words according to their segmental composition (e.g. spiky frames would facilitate the processing of voiceless plosives like [k]). We manipulated the shapes of letters with two different fonts for displaying linguistic stimuli – one angular and one curvy – and tried to disentangle the respective impacts of frames and of these fonts on the participants’ response times. The results highlighted the importance of taking into account low-level visual processes in the study of motivated associations.

Täglich treffen Menschen zahlreiche Entscheidungen. Häufig stellt sich dabei die Frage, ob man einer direkt verfügbaren Versuchung nachgibt oder versucht, ein in der Zukunft liegendes Ziel zu erreichen. Impulsivität und Selbstkontrolle können dabei als konfligierende Persönlichkeitseigenschaften im Entscheidungsprozess gesehen werden. In der Entscheidungsforschung wird postuliert, dass zwei getrennte Systeme existieren, die bei jeder Wahl berücksichtigt werden: ein eher impulsives und ein reflektives System. Je nach Stärke der Anteile der beiden Systeme werde eine Entscheidung getroffen. Neben behavioralen Theorien haben die Befunde der kognitiven Neurowissenschaften dazu beigetragen, den beschriebenen Systemen relevante Hirnregionen zuzuschreiben: limbische Regionen, vor allem das ventrale Striatum, werden dabei vor allem mit dem impulsiven System in Verbindung gebracht, während kortikale Strukturen, im Besonderen dorsolateraler präfrontaler (DLPFC) und anteriorer cingulärer Kortex (ACC), mit Selbstkontrolle assoziiert werden. Das Belohnungssystem ist eng mit dopaminergen Signalübertragungswegen verbunden, die unter anderem durch Gene für Dopamin- Rezeptor, -Transporter und -Abbau beeinflusst werden. Studien zur Erforschung der behavioralen Grundlagen und neuronalen Zusammenhänge menschlicher Entscheidungen haben bislang vor allem Forced-Choice-Paradigmen verwendet, bei denen sich die Probanden zwischen einer sofort verfügbaren, kleineren Belohnung und einer späteren, größeren Belohnung entscheiden müssen. Bei dieser Operationalisierung erfolgt bei jeder Entscheidung eine eindeutige Zuordnung zum impulsiven oder selbstkontrollierten System, alltägliche Entscheidungen hingegen sind meist deutlich weniger eindeutig und transparent. Aus diesem Grund wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein fMRT-Paradigma entwickelt, das menschliche Entscheidungen abbildet, ohne auf diese dichotome Einteilung zurückzugreifen. So sollten mithilfe des Versuchsresistenz-Paradigmas (VR-Paradigma) sowohl Belohnungsareale aktiviert, als auch schwierige Entscheidungen abgebildet werden. Dabei wurden den Probanden in neun Blöcken jeweils zwanzig kleine Geldbeträge (zwischen einem und 99 Cent) angeboten, von denen pro Block nur fünf gutgeschrieben werden konnten. Es wurden zwei aufeinander aufbauende Studien an unterschiedlichen Stichproben durchgeführt: Im Rahmen der ersten Studie wurden 53 männliche Studenten untersucht. Neben dem VR-Paradigma wurden psychologische Fragebögen erhoben, bei 30 Probanden erfolgte außerdem eine genetische Analyse hinsichtlich dreier Dopamin-assoziierter Polymorphismen (COMT Val158Met, DAT1 und DRD2/ANKK1 Taq 1A). In einer zweiten Studie wurden die Daten 16 männlicher alkoholabhängiger Patienten sieben bis 14 Tage nach Beginn eines Entzugs und 16 männlicher Kontrollprobanden analysiert. Diese wurden ebenfalls dem VR-Paradigma unterzogen und begleitend mithilfe psychologischer Fragebögen untersucht. Bei der Auswertung wurden die Entscheidungen im Sinne eines 2x2-Designs nach Antwort (Ja oder Nein) und Höhe (Hoch (≥ individuellem Median der gutgeschriebenen Beträge) oder Niedrig (< individuellem Median) eingeteilt. Dabei sollten Belohnungsreaktionen vor allem bei höheren Beträgen auftreten, während schwierige Entscheidungen und Versuchungsresistenz über die Ablehnung hoher Beträge und die Annahme niedriger Beträge abgebildet werden. Die Auswertung der ersten Studie erbrachte einen signifikanten Unterschied der Reaktionszeiten im VR-Paradigma bezogen auf die Höhe der angebotenen Beträge und die Interaktion von Antwort und Höhe, wobei die Ablehnung eines hohen Betrags die längsten Reaktionszeiten hervorrief. Bei hohen im Vergleich zu niedrigen Beträgen konnten Aktivierungen im bilateralen ventralen Striatum, rechten DLPFC, ACC, in der bilateralen Insula und im inferioren parietalen Lobus (IPL) nachgewiesen werden. Bei der Ausübung von Versuchungsresistenz (Interaktion der Haupteffekte) wurde dagegen der linke DLPFC aktiviert. Im Rahmen einer Konnektivitätsanalyse (psychophysiologische Interaktionen) konnte eine Korrelation der Aktivierung des linken DLPFC mit dem ventralen Striatum nur bei hohen abgelehnten Beträgen, nicht aber bei niedrigen zurückgewiesenen Beträgen gefunden werden. Bezüglich der Verbindung zwischen neuronaler Aktivierung und Persönlichkeit konnten Zusammenhänge der Belohnungsreaktion mit hohen Werten auf Impulsivitätsskalen und für Risikoverhalten sowie niedrigen Werten für Selbstkontrolle nachgewiesen werden. Für die Aktivierung in Kontrollarealen bei Versuchungsresistenz konnte ein entgegengesetzter Effekt beobachtet werden. Die Auswertung der genetischen Daten ergab eine signifikante stärkere Aktivierung des ventralen Striatums bei 10R- Homozygoten. Bei 10R-Homozygoten liegt eine erhöhte Zahl von Dopamin-Transportern an der Synapse vor, was am ehesten zu einer verringerten Verfügbarkeit von Dopamin im synaptischen Spalt führt. Die Auswertung von Studie 2 erbrachte signifikante Unterschiede der Reaktionszeiten nur bezüglich der Höhe der angebotenen Belohnung, die Gruppenzugehörigkeit (Patient- Kontrolle) und die Interaktion der Haupteffekte hatten keinen Einfluss. Die Patienten behielten signifikant häufiger eine Kaufoption bis zum Ende eines Blocks übrig. Bei der neuronalen Aktivierung konnte eine stärkere Aktivierung des linken DLPFC und linken IPL bei Patienten nachgewiesen werden. Außerdem fanden sich signifikant höhere Werte auf impulsivitätsassoziierten Persönlichkeitsskalen für Patienten im Vergleich zu Kontrollen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten mit dem neu entwickelten VR-Paradigma neuronale Aktivierungen in Belohnungs- (v.a. ventrales Striatum) und Kontrollarealen (v.a. linker DLPFC und ACC) nachgewiesen werden. Außerdem scheint eine Konnektivität zwischen DLPFC und ventralem Striatum abhängig von der Notwendigkeit zur Ausübung kognitiver Kontrolle zu bestehen. Das Ausmaß neuronaler Aktivierung war mit Persönlichkeitsmaßen von Impulsivität und Selbstkontrolle korreliert, hier haben also interindividuelle Unterschiede in neuronaler Aktivierung Auswirkungen auf die Persönlichkeit. Der gefundene Einfluss des DAT1-Gens steht im Gegensatz zu bisherigen Befunden, dies kann mit der unterschiedlichen Operationalisierung zusammenhängen. Unterschiede zwischen alkoholabhängigen Patienten und Kontrollen hinsichtlich einer stärkeren Aktivierung in Kontrollarealen bei Patienten lassen vermuten, dass Patienten einen höheren kognitiven Aufwand zur Kontrollausübung aufwenden müssen. Mithilfe des neuartigen Versuchungsresistenz-fMRT-Paradigmas zur Versuchungsresistenz werden bekannte Hirnregionen im Entscheidungsprozess angesprochen und es bietet darüber hinaus neue Einblicke in Interaktionseffekte. Weiterführende Studien können über eine Anwendung des Paradigmas an einer größeren klinischen Stichprobe in Verbindung mit genetischer Analytik neue Einblicke in Suchtmechanismen und deren Aufrechterhaltung ermöglichen.

The overall objective of this thesis was to test the Default Interventionist (DI) account of belief-bias in human reasoning using the novel methodology introduced by Handley, Newstead & Trippas (2011). DI accounts focus on how our prior beliefs are the intuitive output that bias our reasoning process (Evans, 2006), whilst judgments based on logical validity require effortful processing. However, recent research has suggested that reasoning on the basis of beliefs may not be as fast and automatic as previous accounts claim. In order to investigate whether belief based judgments are resource demanding we instructed participants to reason on the basis of both the validity and believability of a conclusion whilst simultaneously engaging in a secondary task (Experiment 1 - 5). We used both a within and between subjects design (Experiment 5) examining both simple and complex arguments (Experiment 4 – 9). We also analysed the effect of incorporating additional instructional conditions (Experiment 7 – 9) and tested the relationships between various individual differences (ID) measures under belief and logic instruction (Experiment 4, 5, 7, 8, & 9). In line with Handley et al.’s findings we found that belief based judgments were more prone to error and that the logical structure of a problem interfered with judging the believability of its conclusion, contrary to the DI account of reasoning. However, logical outputs sometimes took longer to complete and were more affected by random number generation (RNG) (Experiment 5). To reconcile these findings we examined the role of Working Memory (WM) and Inhibition in Experiments 7 – 9 and found, contrary to Experiment 5, belief judgments were more demanding of executive resources and correlated with ID measures of WM and inhibition. Given that belief based judgments resulted in more errors and were more impacted on by the validity of an argument the behavioural data does not fit with the DI account of reasoning. Consequently, we propose that there are two routes to a logical solution and present an alternative Parallel Competitive model to explain the data. We conjecture that when instructed to reason on the basis of belief an automatic logical output completes and provides the reasoner with an intuitive logical cue which requires inhibiting in order for the belief based response to be generated. This creates a Type 1/Type 2 conflict, explaining the impact of logic on belief based judgments. When explicitly instructed to reason logically, it takes deliberate Type 2 processing to arrive at the logical solution. The engagement in Type 2 processing in order to produce an explicit logical output is impacted on by demanding secondary tasks (RNG) and any task that interferes with the integration of premise information (Experiments 8 and 9) leading to increased latencies. However the relatively simple nature of the problems means that accuracy is less affected. We conclude that the type of instructions provided along with the complexity of the problem and the inhibitory demands of the task all play key roles in determining the difficulty and time course of logical and belief based responses.

Das Verständnis über visuelle Aufmerksamkeitsprozesse ist nicht nur für die Kognitionsforschung von großem Interesse. Auch in alltäglichen Bereichen des Lebens stellt sich die Frage, wie wir unsere Umwelt in unterschiedlichen Situationen visuell wahrnehmen. Entsprechende Untersuchungen können in realen Szenarien und aufgrund neuer innovativer 3D-Verfahren auch in Umgebungen der virtuellen Realität (VR) durchgeführt werden. Zur Erforschung von Aufmerksamkeitsprozessen wird unter anderem die Methode der Blickbewegungsmessung (Eyetracking) angewandt, da das Sehen für uns Menschen die wichtigste Sinnesmodalität darstellt. Herkömmliche Blickbewegungsmessungen beziehen sich allerdings überwiegend auf zweidimensionale Messebenen, wie Bildschirm, Leinwand oder Szenevideo. Die vorliegende Arbeit stellt eine Methode vor, mit der dreidimensionale Blickorte und Blickbewegungen sowohl in einer realen als auch in einer stereoskopisch projizierten VR-Umgebung anhand moderner Eyetracking-Technologien bestimmt werden können. Dafür wurde zunächst in Studie I geprüft, ob die Blickbewegungsmessung durch die für eine stereoskopische Bildtrennung notwendigen 3D-Brillen hindurch möglich ist und inwieweit durch diesen Versuchsaufbau die Qualität der erhobenen Eyetracking-Daten beeinflusst wird. Im nächsten Schritt wurde zur Berechnung dreidimensionaler Blickorte das Anforderungsprofil an einen universellen Algorithmus erstellt und mit einem vektorbasierten Ansatz umgesetzt. Die Besonderheit hierbei besteht in der Berechnung der Blickvektoren anhand der Augen- bzw. Foveaposition und binokularen Eyetracking-Daten. Wie genau dreidimensionale Blickorte anhand dieses Algorithmus berechnet werden können, wurde nachfolgend in realer (Studie II) als auch stereoskopisch projizierter VR-Umgebung (Studie III) untersucht. Anschließend erfolgte die Bestimmung dreidimensionaler Blickbewegungen aus den berechneten 3D-Blickorten. Dazu wurde ein ellipsoider Fixationserkennungsalgorithmus konzipiert und implementiert. Für die dispersionsbasierte Blickbewegungserkennung waren sowohl ein zeitlicher als auch örtlicher Parameter für die Identifikation einer Fixation erforderlich. Da es noch keinerlei Erkenntnisse im dreidimensionalen Bereich gab, wurden die in Studie II und III ermittelten 3D-Blickorte der ellipsoiden Fixationserkennung übergeben und die daraus berechneten Fixationsparameter analysiert. Die entwickelte Methode der räumlichen Blickbewegungsmessung eröffnet die Möglichkeit, bislang in zwei Dimensionen untersuchte Blickmuster nunmehr räumlich zu bestimmen und grundlegende Zusammenhänge zwischen Blickbewegungen und kognitiven Prozessen dreidimensional sowohl in einer realen als auch virtuellen Umgebung zu analysieren.

Einfache oder komplexe dynamische Systeme stellen Individuen und Gesellschaften gleichermaßen vor mitunter große Herausforderungen, wie regionale und globale Krisen immer wieder zeigen. Ein basales und allgemeines Verständnis dynamischer Zusammenhänge scheint daher nicht nur wünschenswert, sondern mit Blick auf ausgewählte aktuelle Krisen sogar notwendiger denn je. Doch auch in alltäglichen Situationen oder im Schulkontext kann ein fundamentales Verständnis dynamischer Systeme die individuellen Entscheidungen oder den mathematischen Erkenntnisgewinn unterstützen. Allerdings zeigt eine breite Basis empirischer Befunde, dass bereits relativ einfache Dynamiken, wie Fluss-Bestands-Systeme (FB-Systeme), nur unzureichend erfasst zu werden scheinen. Diese Dissertationsschrift verfolgt daher die generelle Fragestellung, wie sich ein basales Verständnis formal einfacher FB-Systeme fördern oder generieren lassen könnte. Aufgrund einer bislang fehlenden einheitlichen theoretischen Beschreibung des FB-Verständnisses und dessen Einflussfaktoren basiert die vorgestellte Untersuchungsserie einerseits auf drei ausgewählten generellen theoretischen Perspektiven und daraus abgeleiteten Einflussfaktoren. Zusätzlich wurden einzelne weitere theoretische Modelle und eine Vielzahl spezifischer empirischer Befunde, zur Wirksamkeit verschiedener Präsentationsformate auf kognitive Fähigkeiten, für die Begründung der experimentellen Manipulationen herangezogen. In einer Serie von sieben experimentellen Untersuchungen wurden diverse Möglichkeiten grafischer Darstellungen, isoliert und in Wechselwirkung mit verschiedenen Personenmerkmalen, empirisch bezüglich ihres Einflusses auf das basale Verständnis illustrierter FB-Systeme überprüft. Unter Anwendung geltender wissenschaftlicher Standards und durch Nutzung moderner inferenzstatistischer Verfahren erlauben die gewonnen Ergebnisse eine fundierte Beurteilung der untersuchten Einflussfaktoren. Organisiert in drei Teilen, konnten in einer Folge von einfachen statischen Abbildungen, über passive dynamische Repräsentationen, bis hin zu interaktiven animierten Interventionsformaten, zahlreiche Illustrationsvarianten in ihrer Wirkung auf ein basales FB-Verständnis beurteilt werden. In den Experimenten 1 bis 3 wurden zunächst ausgewählte statische Darstellungsformate, spezifische Kontexteinbettungen und adaptierte Instruktionsansätze überprüft. Dabei zeigte sich keiner der manipulierten Darstellungsaspekte als genereller Wirkfaktor auf das basale FB-Verständnis. Weder kombinierte oder angepasste Diagrammdarstellungen, noch Zusatzinformationen oder überlebensrelevante Kontexteinbettungen führten zu den erwarteten Verbesserungen des FB-Verständnisses. Selbst, auf etablierten pädagogischen Interventionen basierende Instruktionsformen zeigten keinen systematischen Einfluss auf die Lösungsraten von FB-Aufgaben. In den anschließenden Experimenten 4 bis 6 konnten unter passiven dynamischen Darstellungen – rezipierende Animationen ohne Eingriffsmöglichkeiten – gleichfalls keine generell wirksamen Formate identifiziert werden. Ob fließend oder segmentiert, einmalig oder repetitiv, einzeln oder kombiniert: Keine der untersuchten passiven Animationsarten schlug sich in verbesserten Lösungsraten nieder. Im letzten Teil der Dissertation wurden schließlich interaktiv dynamische Formate am Beispiel von eigens konzipierten computerspielbasierten Lerninterventionen empirisch untersucht. Erneut zeigten sich keine Haupteffekte für die Attribute dieser Art der Informationsvermittlung. Einerseits bieten die gewonnenen Daten insgesamt keine konkreten Hinweise darauf, welche Formate generell geeignet sein könnten, FB-Zusammenhänge verständlich zu kommunizieren. Andererseits ließen sich wiederholt relevante Individualfaktoren identifizieren, die, spezifisch und in Wechselwirkungen mit den Repräsentationsformaten, das Ausmaß des individuellen FB-Verständnisses substanziell zu beeinflussen scheinen. Bereits in den ersten Experimenten traten spezifische Personenmerkmale hervor, die sich über die gesamte Untersuchungsserie hinweg als eigenständige Determinanten prädiktiv für das FB-Verständnis zeigten. Das Geschlecht (wobei Männer im Mittel ein besseres FB-Verständnis zeigten) und die mathematischen Fähigkeiten der Versuchspersonen bestimmen offenbar das Verständnis einfacher dynamischer Systeme deutlich stärker, als jedes der manipulierten Darstellungsformate. Gleichfalls scheinen sie für alle untersuchten Varianten der Repräsentationsformate vergleichbar und unabhängig voneinander relevant zu sein – wie statistische Kontrollmaßnahmen zeigen konnten. Vereinzelt, aber weniger stringent, konnten ebenfalls prädiktive Einflüsse motivationaler und kognitiver Faktoren, wie räumliche Intelligenz, beobachtet werden. Einige dieser Personenmerkmale traten wiederholt, wenn auch ohne erkennbare Systematik, in Wechselwirkung mit den experimentellen Darstellungsvarianten in Erscheinung. In Abhängigkeit von bestimmten Personenmerkmalen wirkten sich demnach einige der untersuchten Darstellungsformen unterschiedlich auf die Leistung in FB-Aufgaben aus. Insbesondere für animierte Präsentationsformate zeigten sich dabei Interaktionseffekte mit dem Geschlecht, wonach Männer und Frauen offenbar von verschiedenen Illustrationsarten profitieren. In nahezu allen Experimenten der Teile II und III konnte ein derartiger Geschlechter-Darstellungsformat-Interaktionseffekt beobachtet werden. Weitaus seltener zeigten sich hingegen Moderatoreffekte von motivationalen oder kognitiven Faktoren. Obwohl die mathematischen Fähigkeiten über alle Experimente hinweg als substanzieller Prädiktor des FB-Verständnisses in Erscheinung traten, fanden sich überdies durchgängig keine Anzeichen für dementsprechende Interaktionseffekte. Darüber hinaus boten explorative Vergleiche zwischen den verschiedenen Experimenten weitere interessante Hinweise auf die Hintergründe des generell relativ schwach ausgeprägten basalen FB-Verständnisses. Da Experiment 6 in Kooperation mit der Pädagogischen Hochschule Heidelberg durchgeführt werden konnte, ließen sich mathematisch sehr gut vorgebildete Versuchspersonen für die Teilnahme gewinnen. Diese zeigten, im Vergleich zu den Kohorten der vorangegangenen Experimente, ein sehr hohes Verständnis der illustrierten FB-Systeme. Dies unterstreicht, über die Bedeutung individueller mathematischer Fähigkeiten hinaus, dass ein gutes bis sehr gutes FB-Verständnis prinzipiell realisierbar ist. Weitere explorative Analysen deuten überdies auf eine besonders positive Wirkung passiver dynamischer Repräsentationen im Kontext der kreierten computerspielbasierten Interventionen. Die in Experiment 7 ursprünglich als Kontrollbedingung konzipierte Darstellungsvariante führte gegenüber einer vergleichbaren Stichprobe weiblicher Versuchsteilnehmer zu deutlich verbesserten Lösungsraten. Ergänzend zu vergleichenden Diskussionen der drei separaten Dissertationsteile folgt eine abschließende Generaldiskussion. Neben generellen Aspekten der Ergebnisse werden darin die zentralen Schlussfolgerungen und Erkenntnisse zusammengefasst. Die Erörterung potenzieller theoretischer und praktischer Implikationen sowie die Vorstellung spezifischer Anschlussfragestellungen und zukünftiger Forschungsanstrengungen bilden den Abschluss dieser Dissertationsschrift.

Previous studies that examined human judgments of frequency and duration found an asymmetrical relationship: While frequency judgments were quite accurate and independent of stimulus duration, duration judgments were highly dependent upon stimulus frequency. A potential explanation for these findings is that the asymmetry is moderated by the amount of attention directed to the stimuli. In the current experiment, participants\' attention was manipulated in two ways: (a) intrinsically, by varying the type and arousal potential of the stimuli (names, low-arousal and high-arousal pictures), and (b) extrinsically, by varying the physical effort participants expended during the stimulus presentation (by lifting a dumbbell vs. relaxing the arm). Participants processed stimuli with varying presentation frequencies and durations and were subsequently asked to estimate the frequency and duration of each stimulus. Sensitivity to duration increased for pictures in general, especially when processed under physical effort. A large effect of stimulus frequency on duration judgments was obtained for all experimental conditions, but a similar large effect of presentation duration on frequency judgments emerged only in the conditions that could be expected to draw high amounts of attention to the stimuli: when pictures were judged under high physical effort. Almost no difference in the mutual impact of frequency and duration was obtained for low-arousal or high-arousal pictures. The mechanisms underlying the simultaneous processing of frequency and duration are discussed with respect to existing models derived from animal research. Options for the extension of such models to human processing of frequency and duration are suggested.